陳金武

(桐城市大沙河管理委員會(huì)辦公室，安徽 安慶 231400)

1 概 述

在護(hù)岸工程建設(shè)中，護(hù)岸塊體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)十分重要，而護(hù)岸材料的選擇也是工程能否成功的重要因素。一方面，護(hù)岸材料的供應(yīng)量是能否完成建設(shè)的基礎(chǔ)；另一方面，材料的價(jià)格、成本是影響工程經(jīng)濟(jì)造價(jià)的主要因素。此外，材料成分的耐久性、環(huán)保性都是決定工程能否成功的要點(diǎn)[1-3]。

一般而言，工程建設(shè)常以混凝土配合中細(xì)骨料(中砂或粗砂)進(jìn)行攪拌進(jìn)行工程建設(shè)[4-5]。但在我國(guó)部分地區(qū)，由于缺乏中粗砂，運(yùn)輸距離過大導(dǎo)致成本較高，因此采用特細(xì)砂混凝土進(jìn)行建設(shè)。李紹鵬等[6]針對(duì)長(zhǎng)沙市場(chǎng)砂石資源缺乏、價(jià)格上漲問題，提出采用特細(xì)砂作為拌和物細(xì)料具有成本低、材料足的特點(diǎn)，并深入探討特細(xì)砂混凝土生產(chǎn)質(zhì)量控制要點(diǎn)。鄧橋[7]基于室內(nèi)單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，論證在不損失強(qiáng)度條件下，超細(xì)砂代替中砂作為骨料的最大摻入量。劉登賢等[8]對(duì)特細(xì)砂混凝土制備工藝多方面進(jìn)行關(guān)鍵點(diǎn)控制，并指出通過使用特細(xì)砂替代部分機(jī)制砂能夠有效提高混凝土的工程性能，滿足工程施工要求。

上述研究均集中于特細(xì)砂混凝土在房屋工程中的應(yīng)用[9-10]，本文通過對(duì)特細(xì)砂混凝土材料進(jìn)行坍落度、抗壓強(qiáng)度及抗?jié)B等級(jí)試驗(yàn)，研究特細(xì)砂混凝土在水利工程建設(shè)中各種指標(biāo)能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，旨在進(jìn)一步將特細(xì)砂混凝土材料推廣到水利生態(tài)護(hù)岸工程應(yīng)用中，為我國(guó)部分地區(qū)水利工程建設(shè)提供良好的范例。

2 工程概況與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 工程概況

大沙河綜合治理(柏年河段)工程位于安徽省桐城市雙港鎮(zhèn)、新渡鎮(zhèn)境內(nèi)，工程總長(zhǎng)度為31.7 km。由于流域范圍內(nèi)存在較為嚴(yán)重的水土流失現(xiàn)象，導(dǎo)致嚴(yán)重的流域生態(tài)失衡問題，因此決定對(duì)流域內(nèi)部分水土流失問題嚴(yán)重段河岸進(jìn)行治理。擬對(duì)水土流失最嚴(yán)重的河道A段進(jìn)行河岸護(hù)坡工作，該河段沿河流方向左側(cè)為山坡，右側(cè)為農(nóng)田，總長(zhǎng)度近3 km。由于山樹木砍伐及農(nóng)田墾荒情況嚴(yán)重，因此水土流失情況十分嚴(yán)峻。經(jīng)過設(shè)計(jì)，決定采用混凝土進(jìn)行護(hù)岸工程建設(shè)。

經(jīng)過對(duì)河道水資源的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，河道內(nèi)大面積覆蓋有超大體量的特細(xì)砂。為更好地利用當(dāng)?shù)刭Y源，且由于長(zhǎng)距離運(yùn)輸中細(xì)砂成本較高，因此經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有研究資料的查閱及工程實(shí)際情況的調(diào)查，決定采用特細(xì)砂作為混凝土攪拌混合物集料。 采用P·S32.5級(jí)混凝土，粗骨料采用粒徑為5～15 mm連續(xù)級(jí)配碎石，碎骨料采用河段特細(xì)砂，設(shè)計(jì)不同配合比下的特細(xì)砂混凝土，其密度分布范圍2.1～2.3 g/cm3。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由上述工程現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果可知，受地形條件限制，該區(qū)域缺乏中粗砂作為混凝土攪拌集料，而大面積存在特細(xì)砂材料，因此利用特細(xì)砂作為集料。利用區(qū)域河段所產(chǎn)特細(xì)砂，粗骨料用料采用區(qū)域所產(chǎn)碎石，根據(jù)相關(guān)制備規(guī)范，配置C30級(jí)特細(xì)砂混凝土。此外，為研究特細(xì)砂作為攪拌混凝土細(xì)集料的最佳配合比，室內(nèi)設(shè)計(jì)不同砂率(0.27，0.30，0.33)、不同水灰比(0.45，0.49，0.53)混凝土。經(jīng)過坍落度及相關(guān)試驗(yàn)后，將其制備成形狀為100 mm立方體的標(biāo)準(zhǔn)試件，詳細(xì)描述見表1。對(duì)各組試件進(jìn)行室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d，此后對(duì)試件進(jìn)行無側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，確定不同砂率、不同水灰比條件下特細(xì)砂混凝土抗壓強(qiáng)度與抗變形能力。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

進(jìn)一步對(duì)試件進(jìn)行抗?jié)B性試驗(yàn)，確定特細(xì)砂混凝土的抗?jié)B能力等級(jí)，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，上口徑為175 mm，下口徑為185 mm。利用混凝土抗?jié)B儀，采用逐級(jí)加壓法，初始水壓設(shè)為0.1 MPa，每6 h加壓0.1 MPa，進(jìn)行特細(xì)砂混凝土抗?jié)B性測(cè)試，以進(jìn)一步深入探討其在水利工程生態(tài)護(hù)岸工程中的適用性。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 坍落度試驗(yàn)

不同水灰比、不同砂率特細(xì)砂混凝土坍落度及相關(guān)試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果見表2。由表2可知，隨著含砂率與水灰比的增大，材料的坍落度整體呈現(xiàn)出逐漸增大趨勢(shì)，在10～20 mm之間，但均能達(dá)到混凝土拌和物坍落度要求；隨著水灰比的增大，材料的保水性與黏聚性逐漸喪失；隨著含砂率的逐漸增加，材料的黏聚性逐漸降低，而特細(xì)砂混凝土材料的保水性與材料含砂率關(guān)系不明確。此外，材料成型效果均在良好以上，這也表明特細(xì)砂混凝土材料制備質(zhì)量較高，且特細(xì)砂混凝土制備材料具備投入水利工程建設(shè)中的潛力。

表2 坍落度及相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果

3.2 無側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度

3.2.1 砂率影響

圖1為特細(xì)砂混凝土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨材料含砂率變化趨勢(shì)。由圖1可知，不同水灰比條件下，隨著含砂率的上升，特細(xì)砂混凝土單軸抗壓強(qiáng)度均有一定程度的提高。水灰比為0.45、含砂率為0.27條件下，混泥土材料的單軸抗壓強(qiáng)度為33.11 MPa；當(dāng)含砂量提高到0.30，0.33后，混泥土材料的單軸抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到36.52和39.13 MPa，相對(duì)提升幅度達(dá)到10.30%和18.18%。由此可見，混凝土材料中細(xì)紗骨料的存在大幅度提高了材料的承載能力。而隨著水灰比的提升，含砂率對(duì)強(qiáng)度的提升效果逐漸被弱化，擬合線斜率逐漸降低，水灰比為0.49時(shí)，當(dāng)含砂量提高到0.30，0.33后，混泥土材料的單軸抗壓強(qiáng)度分別相對(duì)提升幅度達(dá)到8.13%和12.50%；水灰比為0.53時(shí)，當(dāng)含砂量提高到0.30和0.33后，混泥土材料的單軸抗壓強(qiáng)度分別相對(duì)提升幅度達(dá)到2.72%和6.65%。

對(duì)不同水灰比條件下無側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度-含砂率實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)，二者之間呈線性正相關(guān)關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)R2=0.984 6，0.941 8，0.978 2，均在0.90以上，線性擬合效果良好。

圖1 特細(xì)砂混凝土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與含砂率關(guān)系

3.2.2 水灰比影響

水灰比對(duì)特細(xì)砂混凝土單軸抗壓強(qiáng)度的影響見圖2。由圖2可知，隨著水灰比的增加，特細(xì)砂混凝土材料的承載能力逐漸弱化，單軸抗壓強(qiáng)度逐漸降低，二者之間呈線性遞減關(guān)系，線性擬合系數(shù)均高于0.95。隨著含砂率的增高，水灰比對(duì)強(qiáng)度的弱化現(xiàn)象被逐漸放大，曲線斜率逐漸增大，材料強(qiáng)度降低幅度增大。綜上所述，水灰比的增大會(huì)導(dǎo)致特細(xì)砂混凝土材料強(qiáng)度逐漸降低，對(duì)材料的承載能力具有劣化效應(yīng)。

圖2 特細(xì)砂混凝土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水灰比關(guān)系

3.3 抗?jié)B性試驗(yàn)

由于河道水流水位長(zhǎng)期處于波動(dòng)狀態(tài)，因此水利工程護(hù)岸工程的抗?jié)B性對(duì)于護(hù)岸長(zhǎng)期安全性能具有重要的意義。選擇上述不同水灰比、不同含砂率混凝土制備的標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行抗?jié)B性試驗(yàn)，抗?jié)B等級(jí)計(jì)算方法如下：

W=10k-1

(1)

式中：W為混凝土抗?jié)B等級(jí)；k為最大水壓力，MPa。

由表3所得試驗(yàn)結(jié)果可知，各不同水灰比、含砂率特細(xì)砂混凝土材料的抗?jié)B等級(jí)隨含砂率升高而降低，隨水灰比升高而升高，且各配合比下的特細(xì)砂混凝土抗?jié)B等級(jí)均高于W6級(jí)，根據(jù)地區(qū)工程設(shè)計(jì)規(guī)范要求，能夠滿足河道護(hù)岸混凝土抗?jié)B要求。

表3 不同水灰比、含砂率下混凝土滲水最大壓力

4 結(jié) 論

本文以大沙河綜合治理生態(tài)護(hù)岸工程為例，通過室內(nèi)坍落度、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及抗?jié)B試驗(yàn)對(duì)特細(xì)砂混凝土材料在水利工程生態(tài)護(hù)岸工程建設(shè)中的應(yīng)用展開深入研究，得出以下結(jié)論：

1) 特細(xì)砂混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度隨著含砂率的提高而上升，呈線性正相關(guān)關(guān)系；隨著水灰比的提高而逐漸下降，呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。

2) 不同水灰比、含砂率的特細(xì)砂混凝土的坍落度均在10～20 mm之間，抗?jié)B等級(jí)均為6級(jí)。

3) 綜合考慮特細(xì)砂混凝土的坍落度、抗壓強(qiáng)度及抗?jié)B性的工程要求得出，在砂率為0.33、水灰比為0.45條件下為最佳配合比方案，能夠滿足該地區(qū)水利生態(tài)護(hù)岸工程建設(shè)要求，具有一定的實(shí)踐推廣意義。