2.3　試驗標準及試件制備

2.3.1　試驗標準

國內學者對膠凝砂礫石材料力學特性試驗的研究相對較少，尚未形成一套完整的統一規范。但鑒于膠凝砂礫石材料特性介于碾壓混凝土與土石料之間，故此次試驗參照《水工混凝土試驗規程》（SL 352—2006）和《土工試驗規程》（SL 237—1999）進行。

膠凝砂礫石材料三軸試驗因研究較少，尚未形成統一成熟的規范理論，試驗方法仍需探討研究，試驗也參照《水工混凝土試驗規程》（SL 352—2006）和《土工試驗規程》（SL 237—1999）進行。試驗過程中對比進行《土工試驗規程》（SL 237—1999）中的不固結不排水試驗（不飽和）和飽和狀態下的固結排水試驗，其中主要以不固結不排水試驗為主，試樣尺寸為150mm×H300mm，施加圍壓為200kPa、400kPa、600kPa、800kPa、1000kPa，此外，試驗過程中采用應變控制，以0.2%/min的剪切速率進行試驗。

2.3.2　試樣制備

2.3.2.1　骨料篩分

（1）為實現全級配骨料篩分，著者自制了一套骨料篩分系統。試驗過程中粒徑大于20mm的粗骨料篩分采用斜篩、平篩和人工振動篩分3種篩分方案。

1）斜篩法。借鑒普通混凝土施工中粗砂篩分原理進行篩分，如圖2.3-1所示，砂礫料會在自重的作用下迅速地沿著篩網滾落下來，骨料與篩網發生碰撞、摩擦，部分粒徑小于相應的篩網孔徑的砂礫石透過篩網，相應粒徑骨料一次通過率不足40%，大部分砂礫石料未經篩分直接沿著篩網滾落到篩網底端。骨料篩分不能滿足級配要求，且循環篩分的任務量大，耗費人力和時間。

2）平篩法。將篩網平放置于支架中間，在支架的橫梁兩端各焊接兩根鐵鏈，便于懸掛篩網。篩網下面的空間可以儲存粒徑小于篩網孔徑的砂礫石，粒徑大于篩網孔徑的礫石滯留在篩網上，在篩網的一端有出料口，方便卸料。篩分過程中握住篩網一端的把手，平行晃動，相應粒徑骨料一次通過率大于90%。但粒徑大于篩網孔徑的礫石很容易鑲嵌在篩網里，這樣就阻擋了上層砂礫石中粒徑小于篩網孔徑的礫石的篩分。需要不停地人工將鑲嵌在篩網里的大石子剔除，因此采用此種篩分方案，每次的篩分量很少，耗費時間，如圖2.3-2所示。

3）人工振動篩分法。篩網擺放方式依然采用平篩法的方式，這種篩分方案的工作原理與大型振篩機的工作原理相同，如圖2.3-3所示，為了提高篩分的質量和效率，在篩分過程中輔助人工的上下振動，抬起篩網的一端（設為A），依靠篩網另一端（設為B端）和支架的支撐，迅速撤銷對A端施加的力，篩網上的骨料因為慣性作用與篩網脫離并在自重作用下迅速落到篩網上，骨料粒徑小于篩網孔徑的被很好地篩分出去，落于篩網下面，這樣來回數次直至充分篩分，試驗人員再經手動劃撥至沒有骨料漏下篩網為止，這種篩分方式可以達到質好量大的目的，且篩分效率高。

試驗過程中對于粒徑大于20mm的粗骨料篩分，推薦采用人工振動篩分方案。

（2）對于粒徑小于20mm的粗骨料的篩分分別采用人工篩分、振篩機篩分和振動臺篩分3種方案。

1）人工篩分法。人工手持篩網進行篩分，這種篩分方式可行，但其缺點也尤為突出：由于試驗用量大且砂礫石料中含有泥，在篩分的過程中塵土飛揚；另外，每次的篩分量小，且嚴重耗費體力。

2）振篩機篩分法。這種篩分方法的缺點是：每次的篩分量小且速度慢；3個不同粒徑出料口相距太近，出料易混；粒徑小于5mm的骨料易受振篩機的振動和坡度的影響在最大粒徑出料口排出，如圖2.3-4所示。

3）振動臺篩分法。采用振動臺篩分法對粒徑小于20mm的砂礫石料進行篩分，選用不同孔徑的篩網，上面加蓋，下面用底盤，這樣有效地避免了粉塵，同時加快了篩分速度，也減輕了體力消耗，如圖2.3-5所示。

試驗過程中對于粒徑小于20mm的粗骨料篩分，推薦采用振動臺篩分方案。各粒徑區間的骨料經篩分處理后，儲存在相應的料倉，便于試驗配合取料，如圖2.3-6～圖2.3-9所示。

2.3.2.2　拌和

目前膠凝砂礫石材料多用于臨時工程，其施工拌和大多是經過簡易拌和，然后直接進行澆筑，再采用土石壩施工機械，進行碾壓施工。大體積施工時很難保證拌和料的均勻性，此次研究為了提高拌和的均勻性，使膠凝砂礫石材料的試驗方法更加規范化，更好地指導于實踐，借鑒碾壓混凝土的拌和方式，分別采用3種拌和方案：人工拌和、強制式攪拌機拌和和單臥軸混凝土攪拌機拌和。

（1）人工拌和。按選定的配合比備料，石子及砂均以全干狀態為準，將鋼板和鐵鏟清洗干凈，保持濕潤狀態；將水泥和粉煤灰預先拌至顏色均勻；將稱好的砂子、大石和小石依次倒在鋼板上，將其拌至均勻，再將拌和好的膠凝材料加入，繼續拌和，至少來回翻拌3次，將其堆成錐形；在中間用鐵鏟扒成凹形，同時用量筒量取適當的水，倒入2/3在凹槽中（勿使水流出，防止把水泥漿帶走），然后仔細翻拌，并緩慢加入剩余的水，繼續翻拌。整個拌和過程應控制在10min以內，如圖2.3-10所示。人工拌和，拌和物的均勻性可控，但拌和效率低，且人力消耗大。

（2）強制式攪拌機拌和。試驗采用JZW350型強制式攪拌機，攪拌容量為350L。根據《水工碾壓混凝土試驗規程》（SL 48—94）規定拌和溫度控制在20℃±5℃。攪拌前攪拌機、攪拌棒、鋼板和鐵鍬都預先用水潤濕。

按照配合比設計進行稱量，稱料前保證骨料為飽和面干狀態，材料用量均以質量計。按順序將已稱好的砂子、水泥、粉煤灰（水泥和粉煤灰預先拌至均勻）、骨料依次加入到攪拌倉內，攪拌1min。再將稱量好的水倒入攪拌倉內，攪拌2min。該攪拌機拌和時，工作面為水平面，拌和料在平面上被攪動。打開出倉口，將拌和好的膠凝砂礫石材料卸在鋼板上，發現在攪拌機的周邊角落總會留下一些沒有攪拌到的干砂，因為膠凝砂礫石材料中骨料粒徑大，在拌和的過程中一部分膠凝材料及砂子包裹住礫石，另一部分細骨料會沉積在攪拌鏟刮不到的角落里。拌和料顏色很不均勻，將黏結在攪拌機倉內的拌和料刮出堆成堆，還需人工拌和。把拌和料從一邊用鏟翻拌到另一邊，再用鏟在混合料上鏟切一遍，至少來回翻攪3次，直至拌和料顏色均勻為止。拌和后總會出現包裹了少量砂漿的礫石集中現象，在試件成型時，易導致裝料不均勻，這種拌和方案沒有達到預期的效果，增加了膠凝砂礫石材料的離散型，影響膠凝砂礫石材料的試驗結果，如圖2.3-11所示。

（3）單臥軸混凝土攪拌機拌和。試驗采用SJD-60型單臥軸混凝土攪拌機，額定攪拌容量為60L，出倉量為35L，主軸轉數為42轉/min。根據《水工碾壓混凝土試驗規程》（SL 48—94）規定拌和溫度控制在20℃±5℃。攪拌前攪拌機、攪拌棒、鋼板和鐵鍬都預先用水清洗干凈，并保持濕潤狀態。為提高攪拌的均勻度，此次試驗中每次裝料量為該攪拌機額定攪拌容量的60%左右，按照配合比設計進行稱量，稱料前保證骨料為飽和面干狀態，材料用量均以質量計。按順序將已稱好的砂子、水泥、粉煤灰（水泥和粉煤灰預先拌至均勻）、骨料依次加入到攪拌倉內，攪拌1min。再將稱量好的水倒入攪拌倉內，攪拌2min。該攪拌機拌和時，工作面為立面，拌和料在空間立面上被攪動，拌和物被攪起，然后再跌落。將拌和料卸在鋼板上，可以看到膠凝砂礫石材料更為均勻，攪拌倉中不會殘留未攪拌的配料，出倉后的拌和料在顏色上就很均勻，不需人工拌和，減輕了工作量，且提高了工作效率，如圖2.3-12所示。

試驗過程中對于膠凝砂礫石材料的拌和方式，推薦采用單臥軸混凝土攪拌機拌和方案。

2.3.2.3　裝料、振搗、成型

考慮到膠凝砂礫石壩的施工工藝多采用碾壓方式，故此次試驗采用碾壓混凝土成型方法，即振動臺（帶磁振動臺，能吸附鐵試模將其固定，使試模在振動臺上不會因來回晃動而引起振幅不均）上壓下振成型，其中壓重塊質量按照混凝土表面壓強為4.9kPa和試模尺寸計算得出，如圖2.3-13所示。

試驗初期在裝料時使用了鑄鐵試模和塑料試模。試驗發現：一方面，因為膠凝砂礫石材料中的膠凝材料（水泥、粉煤灰）摻量低，塑料試模在拆模時容易出現脫模困難，試件脫模時破損率高，尤其是在低砂率時，該現象更加顯著；另一方面，塑料試模比鑄鐵試模輕，在同種振動、成型、養護條件下，測得塑料試模的試件比鑄鐵試模的試件的表觀密實度低，測得塑料試模的試件比鑄鐵試模的試件的抗壓強度低10%左右。考慮到塑料試模的這些影響因素，后期試驗中均選用鑄鐵試模。

鑄鐵試模在裝料時從拌和板外緣處的拌和物開始裝料，逐步從邊緣往中間靠攏，保證裝料的均勻性。將攪拌好的膠凝砂礫石料分兩層裝入已經涂抹過油的試模中，每層料厚度大致相等。在裝料時先采用人工振搗的方法，對邊長為150mm的立方體試模進行插搗，插搗次數不少于25次。插搗時從試模四周開始，逐漸往試模中心插搗。在插搗上層拌和物時搗棒應插入下層拌和物1～2cm，插搗底層拌和物時應插搗到試模底部，插搗時搗棒應保持垂直，每層插搗完后用平刀沿著模邊刮一遍，將模內拌和物表面整平，并用搗棒輕敲試模，減小拌和物與試模之間的氣泡和水泡。當試件高度為150mm時，一次裝料加壓振動成型即可，振動時間取2倍VC值，即振動時間為20s，以試件表面泛漿為準；將裝填好的試模抬到振動臺上，放上壓重塊，人為進行扶正，不要人為進行加壓或提起，開啟振動臺，嚴格控制振動時間，到達振動時間后搬下試件。因膠凝砂礫石材料膠凝材料用量少，試件表面難以抹平，此次試驗制備相同配合比的水泥砂漿進行填補，然后用抹刀將試件表面抹平。當試件高度為300mm時，分兩次將拌和料裝入模具內，第一次裝入量稍微高于模具的一半，用插搗棒沿著模具內側最邊緣成螺旋形插搗，插搗次數為25～30次，搬至振動臺上，將壓重塊放置在試件上振搗密實，第二次裝入量要稍微高出模具，用相同的方式再次插搗密實后，且插搗棒要插入下層1～2cm，保持拌和料高出試模1～2cm，再搬至振動臺放上壓重塊振搗密實；需要對試件進行兩次裝料加壓振動成型，以試件表面泛漿為準，如圖2.3-14和圖2.3-15所示。

對于三級配和全級配的大試件，試驗采用拆入式振動棒振搗成型的方法。首先拼裝好試模并在模內均勻地涂刷一薄層脫模劑或礦物油，其次將全級配膠凝砂礫石拌和物澆筑在試模內，澆筑層厚度以不超過30cm為宜。用插入式振搗器振搗，振搗時間以振搗澆筑層表面均勻泛漿為止。當下層振搗完畢后即可裝入新的一層全級配膠凝砂礫石拌和物，再用振搗器振搗；振搗時振搗棒要插入下層混凝土5～10cm以保證層間的良好結合。當全級配膠凝砂礫石拌和物澆筑至試件頂面時，可采用平板振搗器振平。試件成型后在膠凝砂礫石材料初凝前1～2h需進行抹面，要求與模口齊平，如圖2.3-16所示。

膠凝砂礫石材料試件成型（圖2.3-17）后，初步觀察可得：試件經人工搗實和機械振動后，試件整體密實，立方體個別試件在邊角處或四周面出現孔洞，圓柱體個別試件圓周上有一些孔洞，有時均勻分布，有時分散分布，頂部略有一些骨料分離現象。因圓柱體試件測靜力抗壓彈性模量時需要粘貼應變片，而試件上的孔洞會影響應變片的粘貼，故會影響試驗數據。此次試驗采取了一種修補方法：在需要粘貼應變片的地方用同水膠比的水泥砂漿進行修補，修補后用平刀抹平，保證試件表面平整。

2.3.2.4　養護

對于二級配、三級配采用標準養護的試件，成型后的帶模試件用濕布或塑料薄膜覆蓋以防止水分蒸發，并在20℃±5℃的室內靜置48h［《水工混凝土試驗規程》（SL 352—2006）規定時間為24～48h］，然后拆模并編號。對于全級配采用標準養護的試件，成型后的帶模試件用濕布或塑料薄膜覆蓋以防止水分蒸發，并在20℃±5℃的室內靜置7d［《水工混凝土試驗規程》（SL 352—2006）規定時間為2～7d］，然后拆模并編號。拆模后的試件應立即放入標準養護室（溫度控制在20℃±5℃，相對濕度在95%以上）中養護，直至規定的試驗齡期。在標準養護室內，試件應放在架上且彼此間隔1～2cm，并應避免用水直接沖淋試件，如圖2.3-18所示。

試件制備流程如圖2.3-19所示。