2.1　試驗材料選取及性能

混凝土由水泥、水、砂（細骨料）和石子（粗骨料）4種基本材料組成。為節約水泥或改善混凝土的某些性能，常摻入一些外加劑和摻合料。水泥和水構成水泥漿；水泥漿包裹在砂顆粒的周圍并填充砂子顆粒間的空隙形成砂漿；砂漿包裹石子顆粒并填充石子間的空隙，組成混凝土。在混凝土拌和物中，水泥漿在砂、石顆粒之間起潤滑作用，使拌和物具有和易性，易于施工。水泥漿硬化后形成水泥石，將砂、石膠結成整體。砂、石子一般不與水泥起化學反應，其作用是構成混凝土骨架。

膠凝砂礫石材料和混凝土性質相似，也由膠凝材料（主要指水泥和粉煤灰）、水、砂（細骨料）和石子（粗骨料）4種基本材料組成。

2.1.1　水泥

水泥呈粉末狀，與水混合后，經過物理化學過程能由可塑性漿體變成堅硬的石狀體，并能將散粒材料膠結成為整體，是一種良好的礦物膠凝材料。水泥不僅能在空氣中硬化，還能更好地在水中硬化，保持并發展強度，屬于水硬性膠凝材料。

在膠凝砂礫石材料中，水泥作為主要的膠凝材料，對膠凝砂礫石材料的力學特性有顯著的影響，水泥等級越高，水泥石的強度會越高，與材料膠結強度也會越高，進而體現為膠凝砂礫石材料強度的提高，因此，水泥品種和標號的選取變得極為重要。《膠結顆粒料筑壩技術導則》（SL 678—2014）對膠凝砂礫石材料中水泥的要求為：凡符合GB 175、GB 200的硅酸鹽系列水泥均可用于膠結顆粒料筑壩；當膠結材料中摻入粉煤灰等礦物摻合料時，水泥宜優先選用硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、中熱或低熱硅酸鹽水泥。

參考國內多數混凝土工程多采用32.5MPa、42.5MPa或52.5MPa等級的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，水利工程屬大體積結構，有低水化熱的要求，而且多利用后期強度，根據“超貧膠結材料壩研究”，推薦膠凝砂礫石材料使用425號水泥為好。因此，此次試驗中的水泥，選用河南多樣達水泥有限公司生產的425號普通硅酸鹽水泥，其物理力學指標見表2.1-1。

2.1.2　粉煤灰

粉煤灰是煤粉經高溫燃燒后形成的一種似火山灰質的混合材料。它是燃燒煤的發電廠將煤磨成100μm以下的煤粉，用預熱空氣噴入爐膛成懸浮狀態燃燒，產生混雜有大量不燃物的高溫煙氣，經集塵裝置捕集就得到了粉煤灰。粉煤灰的化學組成與黏土相似，主要成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO和未燃盡碳。大量研究表明，粉煤灰屬于活性材料，具有一定的膠凝性能。

通過以往的研究和工程經驗得知，在混凝土中加入一定量的粉煤灰可以提高混凝土的強度，同時可以有效地改善混凝土的耐久性能。將粉煤灰作為膠凝材料加入膠凝砂礫石材料當中，粉煤灰不僅起到了膠結骨料、增加材料強度的作用，在一定條件下，粉煤灰自身也可以參與化學反應，與水泥水化后的產物Ca（OH）2產生二次反應后會生成C-S-H及C-A-H凝膠物質，產生一定強度，對硬化漿體起增強作用，從而增強材料的強度，但是反應速度較慢，前期對材料強度提高程度不明顯，但對材料后期強度提高效果顯著。大量實踐證明，在混凝土中摻入粉煤灰，可以有效地改進混凝土的性能，提高材料的施工性，在提高強度的同時還可以減少粉煤灰對社會環境的污染。

《膠結顆粒料筑壩技術導則》（SL 678—2014）對膠凝砂礫石材料中水泥的要求為：膠結顆粒料中可摻入粉煤灰、粒化高爐礦渣粉、硅灰、沸石粉、磷渣粉、火山灰、復合礦物摻合料等。摻用的品種應通過試驗確定。導則中對自密實混凝土規定宜使用Ⅰ級或Ⅱ級粉煤灰，對膠凝砂礫石材料未做要求。

此次試驗粉煤灰采用鄭州熱電廠干排F類Ⅱ級粉煤灰，其技術性能見表2.1-2。

2.1.3　砂石料

膠凝砂礫石材料最主要的特點就是直接利用天然河道的原狀砂礫石，不篩分直接拌和，以降低材料造價。但是經過前期的研究，砂石料的級配對膠凝砂礫石材料的力學特性產生重要影響。而實際工程中，各地天然河道原狀砂礫石級配又各不相同，為研究不同級配對材料性能的影響，必須選擇合適的砂礫料場，經過篩分、配比，以研究其影響規律。著者在前期試驗準備階段，先后考察了禹州市潁河段某料場（圖2.1-1）、三門峽市洛河段某料場（圖2.1-2）和汝州市汝河段河道砂石料場（圖2.1-3和圖2.1-4）。對不同河流的不同料場進行比選。禹州市潁河段某料場，骨料粒徑偏大，多為漂石，且含砂率低，泥土含量高；三門峽市洛河段某料場，儲備偏低，且骨料為人工碎石，得不到原級配曲線；汝州市汝河段河道砂石料場，骨料主要是原狀砂礫料，料源充足，級配完整。經比選，最終選擇汝州市汝河段河道砂礫料為試驗用料。

2.1.3.1　砂

為研究不同砂率對材料性能的影響，試驗細骨料采用汝州市北汝河料場河砂，主要由兩部分組成：一部分是從原狀砂礫料中篩分得到的砂料（原狀砂礫料砂率在0.22左右）；另一部分是從料場直接購買的水洗后的河砂。試驗前參照《水工混凝土試驗規程》（SL 352—2006）中2.1節“砂料顆粒級配試驗”相關規程，對其細度模數進行了測定。砂料細度模數按式（2.1-1）計算：

式中：FM為砂料細度模數；A1、A2、A3為5.0mm、2.5mm、1.25mm各篩上的累計篩余百分率；A4、A5、A6為0.63mm、0.315mm、0.16mm各篩上的累計篩余百分率。

細度模數以兩次試樣測量的平均值作為最終取值。若各篩篩余量和底盤中粉砂質量的總和與原試樣質量相差超過試樣量的1%，或兩次測試后計算得到的細度模數相差超過0.2，則應重做試驗。此次試驗取兩個樣本進行，測得的細度模數見表2.1-3。

從表2.1-3中可以得出，購買的河砂的細度模數為2.58，屬于中砂。《膠結顆粒料筑壩技術導則》（SL 678—2014）中指出，天然料中砂子的細度模數宜在2.0～3.3之間，此次試驗采購的河砂滿足導則要求。

2.1.3.2　石子

此次試驗要探究不同骨料級配、不同砂率對材料的性能影響。為了便于試驗，調整不同配比，試驗石子（粗骨料）采用汝州市北汝河料場砂礫石，骨料包括兩種：一種是經水洗處理后的砂石骨料（簡稱配料），其含砂率經篩分試驗計算為2.81%，含砂率相對較低，20mm以上80mm以下粒徑的骨料偏多；另一種是未經任何處理的原狀砂礫料（簡稱毛料），其含砂率經篩分試驗計算為22.11%，含砂率較高。砂礫料本身質地堅硬，強度指標高。骨料的顆粒級配曲線如圖2.1-5所示。

為了測定石料的顆粒級配，供膠凝砂礫石配合比設計時選擇骨料級配，對石子分別用孔徑為150mm、80mm、40mm、20mm的方孔篩網進行篩分，經人工分級篩分后，放置料倉，兩種骨料的級配見表2.1-4和表2.1-5。

從表2.1-4和表2.1-5中可以看出，試驗用砂礫料級配連續。試驗過程中對5～20mm、20～40mm粒徑的骨料使用量大，該料場的骨料能最大限度地滿足試驗要求，對骨料的利用率高。