2.4　立方体抗压强度试验方法及强度影响因素分析

胶凝砂砾石材料是一种新型筑坝材料，其材料特性介于混凝土与土之间。通过对胶凝砂砾石材料影响因素的分析研究，得出胶凝砂砾石材料的力学特性，为以后胶凝砂砾石材料的研究提供理论依据，也为将来胶凝砂砾石材料在工程上的应用提供参考。

2.4.1　试验方法

胶凝砂砾石材料立方体抗压试验试件，按照试验规范要求，一组成型3个试件，拆模后，在标准条件（标准养护室的温度应控制在20℃±5℃，相对湿度在95%以上）下养护到规定龄期。

尺寸为150mm×150mm×150mm的二级配标准立方体试件具体试验步骤如下。

（1）到达试验龄期时，从养护室取出试件，并尽快试验。试验前需用湿布覆盖试件，防止试件干燥。

（2）试验前将试件擦拭干净，测量其尺寸，并检查其外观。当试件有严重缺陷时，应废弃。试件尺寸测量精确至1mm，并据此计算试件的承压面积。如实测尺寸与公称尺寸之差不超过1mm，可按公称尺寸进行计算。试件承压面的不平整度误差不得超过边长的0.05%，承压面与相邻面的不垂直度不应超过±1°。

（3）调整压力试验机上下压板的距离，将试件放在试验机下压板中间位置，保证试件中心与试验机的下压板中心相重合，试件的承压面应与成型时试件的顶面相垂直，然后调整上压板与试件的距离，使上压板与试件即将接触。

（4）调整完毕后，根据试验规范设置加载速度为0.3MPa/s和相应的试件尺寸及破损常数，开动试验机，试验机自动以设定的加载速度连续而均匀地加载，观察试件的受压过程，当试件接近破坏而开始迅速变形时，试验机继续加载直到荷载峰值与当前加载值满足破损常数的要求，此时试验机自动停止加载，活塞退回，认为试件已破坏，最后记录破坏荷载。试验如图2.4-1所示。

尺寸分别为300mm×300mm×300mm、450mm×450mm×450mm的三级配和全级配立方体试件具体试验步骤如下。

（1）到达试验龄期时，从养护室取出试件，用湿布覆盖，并尽快试验。测量试件尺寸，精确至1mm。当试件有严重缺陷时应废弃。

（2）将试件放在试验机上下压板中间，上下压板与试件之间应放有钢质垫板。试件的承压面应与成型时的顶面相垂直。开动试验机，当垫板与压板将接触时，如有明显偏斜，应调整球座使试件受压均匀。

（3）试验机以6MPa/min的速度连续而均匀地加荷（不得冲击），直至试件破坏并记录破坏荷载。试验如图2.4-2和图2.4-3所示。

2.4.2　水胶比对材料抗压强度影响分析

水胶比是用水量与胶凝材料用量的比值，在现代工程中，水泥、粉煤灰等被作为常用的胶凝材料。胶凝砂砾石材料是骨料与胶凝材料、水经拌和后的一种低强度材料，用水量对胶凝砂砾石材料强度的影响尤为重要。此次试验主要针对水胶比为0.8～1.6之间的胶凝砂砾石材料强度进行研究。

水胶比与立方体试件28d抗压强度关系曲线（以水泥用量50kg/m3，粉煤灰掺量40kg/m3，砂率0.1、0.2、0.3、0.4为例）如图2.4-4所示。

由图2.4-4可以得出，水胶比对胶凝砂砾石材料的28d抗压强度影响作用显著，且大量试验数据说明，在工程常用配合比范围中，各种配合比下，存在最优水胶比，且最优水胶比和砂率紧密相关。工程常见砂率为0.1～0.4，对应的最优水胶比在1.0～1.4之间。砂率高时，对应的最优水胶比取上限，反之取下限。

《碾压混凝土坝设计规范》（SL 314—2004）规定，碾压混凝土的水胶比在0.43～0.70之间，由于碾压混凝土的强度与水胶比成反比，且过高的水胶比对碾压混凝土的耐久性也不利，因此，水胶比宜小于0.70。但碾压混凝土总胶凝材料用量C＋F（C代表水泥，F代表粉煤灰）通常大于130kg/m3，因此规定碾压混凝土总胶凝材料用量不宜低于130kg/m3。其胶凝材料总量明显高于胶凝砂砾石材料，两种材料工程常用的配合比中，每立方米材料中的总用水量都在80～100kg/m3。

为了进一步说明“最优水胶比”问题，再考虑长龄期因素，水胶比对材料后期强度的影响，设计了在砂率为0.2，水泥用量为50kg/m3，粉煤灰掺量为30kg/m3、40kg/m3、50kg/m3时，水胶比分别为0.8、1.0、1.2、1.4情况下的配合比，测得90d抗压强度。水胶比与立方体试件90d抗压强度关系曲线如图2.4-5所示。

可以看出，当水泥用量为50kg/m3、粉煤灰掺量为30kg/m3时，材料90d抗压强度在水胶比为1.2时达到最大，此时用水量为96kg/m3；当水泥用量为50kg/m3、粉煤灰掺量为40kg/m3时，材料90d抗压强度在水胶比为1.0时达到最大，此时用水量为90kg/m3；当水泥用量为50kg/m3、粉煤灰掺量为50kg/m3时，材料90d抗压强度在水胶比为0.8时达到最大，此时用水量为80kg/m3。材料的后期强度，随着粉煤灰掺量的增加，其最优水胶比逐渐降低，但幅度不大，最优水胶比在1.0～1.2之间，每立方米材料中的总用水量依旧都在80～100kg/m3之间。

以上结果说明，在水泥用量为50kg/m3时，90d龄期最优含水量，随着粉煤灰掺量的增加而降低，主要是因为粉煤灰在增强材料后期强度时的作用明显。而材料在不同配比下，28d龄期最优水胶比均为1.0，主要有两种可能：①28d龄期粉煤灰作用弱，有效胶凝材料总量少，含水量要求多；②试验所选胶凝材料总量在80～100kg/m3较多，水胶比最小为1.0，不一定最优。通过以上分析，胶凝砂砾石材料用含水量表述其水的添加量可能更合适，胶凝材料在80～100kg/m3时，其最优含水量为80～100kg/m3，但二者成反比关系，即胶凝材料用量多时，含水量取小值，反之，胶凝材料用量少时，含水量取大值。这与一般碾压混凝土规律基本一致。

胶凝砂砾石材料施工中，骨料尽量不筛分，砂率尽量不调整，在同样胶凝材料用量的情况下，通过寻求最合适的用水量来提高材料强度。“最优含水量”的发现，为胶凝砂砾石材料工程应用提供了指导。

2.4.3　砂率对材料抗压强度影响分析

砂率是影响胶凝砂砾石材料强度的一个重要因素。砂，作为工程当中广泛采用的建筑石材，不仅起到调和拌和物性能，改善材料工作性、和易性等作用，同时也起到一定的填充作用，与胶材、水拌和后形成的砂浆对材料强度有一定的影响。胶凝砂砾石材料坝的主要特征之一便是就地取材，经济环保，在河流上筑坝，河道中的含沙量是客观存在的，为了能够就地取材合理利用，通过探究砂率对胶凝砂砾石材料强度的影响，可以为工程上选址筑坝提供可靠的理论依据。

分析在同一水泥用量、粉煤灰掺量、水胶比情况下，砂率分别为0.1、0.2、0.3、0.4的抗压强度，如图2.4-6所示。

可以看出，砂率从0.1到0.2，胶凝砂砾石材料抗压强度呈现明显的上升趋势，砂率从0.2到0.3、0.4，胶凝砂砾石材料抗压强度则呈现出明显的下降趋势，图形出现“拐点”现象，即胶凝砂砾石材料配合比设计同样存在最优砂率，砂率为0.2时，胶凝砂砾石材料抗压强度最大。

分析原因在于：胶凝砂砾石材料不同于其他混凝土材料，主要是通过胶凝材料、砂子和水简单拌和为胶结物包裹骨料从而形成一定强度，伴随着砂率的增大，在胶材用量一定的情况下，包裹骨料表面的胶材浆量就相对较少，这使得骨料之间的胶结力相对下降，拌和物的工作性也较差；此外由于胶凝砂砾石材料石子骨料粒径的不同，试件内部会形成孔洞，随着砂率的增大，这部分孔洞逐渐被砂填充，但由于沙粒之间的胶结力较小，承载能力差，不稳定，在受到外部荷载作用的情况下容易形成破坏面，快速破坏，导致材料强度的降低。

为了进一步说明“最优砂率”问题，再考虑长龄期因素，砂率对材料后期强度的影响，设计了在最优水胶比为1.0，水泥用量为50kg/m3，粉煤灰掺量为30kg/m3、40kg/m3、50kg/m3时，砂率分别为0.1、0.2、0.4情况下的配合比，测得90d抗压强度。砂率与立方体试件90d抗压强度关系曲线如图2.4-7所示。

可以看出，砂率从0.1到0.2，胶凝砂砾石材料90d抗压强度呈现明显的上升趋势，砂率从0.2到0.4，胶凝砂砾石材料90d抗压强度呈现出明显的下降趋势，图形出现“拐点”现象，即胶凝砂砾石材料配合比设计也存在最优砂率问题，28d强度和90d强度规律一致，即砂率为0.2时，胶凝砂砾石材料抗压强度最大。

胶凝砂砾石材料最大的优势就是：材料因地制宜，就地取材，尽量做到对粗骨料、细骨料不筛分，保证其原级配。水利工程遍布祖国大江南北，各地方料场的砂率也不尽相同，当砂率特别低或特别高的时候，可以对砂率进行人为调整，使其尽量最优。

2.4.4　水泥用量对材料抗压强度影响分析

水泥是目前在国内工程中运用最广泛的胶凝材料，胶凝砂砾石材料工程特性之一就是水泥用量较少，水泥用量是影响胶凝砂砾石材料强度的主要因素。因此，为了研究水泥用量对胶凝砂砾石材料强度的影响，在水胶比为1.0的前提下，控制胶凝材料（水泥＋粉煤灰）总量分别为80kg/m3、90kg/m3、100kg/m3，分别说明砂率为0.2、0.3、0.4时，每立方米拌和物中水泥用量的增加对材料抗压强度的影响，如图2.4-8所示。

不同砂率情况下，每立方米胶凝砂砾石材料中，水泥用量每增加10kg，材料抗压强度可提高百分比见表2.4-1。

可见同等条件下，每立方米胶凝砂砾石材料中，水泥用量每增加10kg，材料抗压强度可提高15%～22%。且当胶凝材料（水泥＋粉煤灰）总量小于100kg/m3时，在最优水胶比、最优砂率下，水泥用量为40kg/m3时，胶凝砂砾石材料抗压强度可达3～5MPa；水泥用量为50kg/m3时，胶凝砂砾石材料抗压强度可达5～6MPa；水泥用量为60kg/m3时，胶凝砂砾石材料抗压强度可达6～8MPa；水泥用量为70kg/m3时，胶凝砂砾石材料抗压强度可达8～10MPa。

同时“超贫胶结材料坝研究”中有以下结论：试验用425号水泥和525号水泥，取10kg/m3、20kg/m3、30kg/m3、40kg/m3、50kg/m3、60kg/m3、70kg/m3、80kg/m3和100kg/m3共9个水泥用量，研究水泥用量对超贫胶结材料强度的影响。试验时调整水胶比的大小，使试件能够成型为原则，试验结果如图2.4-9所示。

由图2.4-9可知，水泥用量增加，超贫胶结材料的抗压强度增大。当水泥用量在50kg/m3以下时，水泥用量变化对超贫胶结材料强度的影响不明显；当水泥用量大于50kg/m3时，随着水泥用量的增加，超贫胶结材料强度增长明显加快。

综上所述，在胶凝砂砾石材料当中，水泥作为胶凝材料，起到主要的胶结作用，水泥用量的增加对胶凝砂砾石材料抗压强度的增强作用显著，水泥用量是影响胶凝砂砾石材料强度的主要因素之一。

2.4.5　粉煤灰掺量对材料抗压强度影响分析

胶凝砂砾石材料作为新型筑坝材料不仅经济实用而且绿色环保。粉煤灰作为当代现代化工业废料，掺入胶凝砂砾石材料之中，不仅能够提高材料强度，还可以有效改善材料的耐久性能。此次试验中，为了研究粉煤灰掺量对胶凝砂砾石材料抗压强度的影响，在水胶比为1.0的前提下，控制水泥用量分别为40kg/m3、50kg/m3、60kg/m3、70kg/m3，分别说明砂率为0.2、0.3、0.4时，每立方米拌和物中粉煤灰掺量的增加对材料抗压强度的影响。粉煤灰掺量与立方体抗压强度关系曲线如图2.4-10所示。

不同砂率情况下，每立方米胶凝砂砾石材料中，粉煤灰掺量每增加10kg，材料抗压强度可提高百分比见表2.4-2。

由以上分析可以看出，同等条件下，每立方米胶凝砂砾石材料中，粉煤灰掺量每增加10kg，材料28d抗压强度均有所增加，增加幅度大多在1%～10%之间，离散性大，不能清楚地反映粉煤灰掺量增加对材料抗压强度的提升效果。分析原因在于：①掺入一定量的粉煤灰，除小部分粉煤灰参与二次水化反应提高胶凝砂砾石材料的强度外，剩余未参与反应的粉煤灰充当惰性填料，起到微集料的填充效应，填充胶凝砂砾石材料试件内部的孔隙，减小材料孔隙，改善材料的和易性、密实性和防止粗骨料分离，从而起到提高强度的作用；②由于粉煤灰本身的特性，其二次水化反应对材料强度的影响主要体现在后期，在此28d龄期内，粉煤灰特性尚未完全发挥，因此对胶凝砂砾石材料强度的增高并不明显。故通过90d龄期试件试验，进一步研究粉煤灰对材料后期强度的影响。

2.4.5.1　粉煤灰最优掺量研究

水利工程中，大多都会掺入粉煤灰，尤其是碾压混凝土坝，其粉煤灰掺量最高达总胶凝材料的70%（江垭水电站）。《胶结颗粒料筑坝技术导则》（SL 678—2014）中也提出，在用胶凝砂砾石材料筑坝时，可掺入粉煤灰。但对粉煤灰是否存在最优掺量，掺多少时最经济，并未提及。此次试验中，为了解决这些疑问，设计了在水胶比为1.0、最优砂率为0.2的前提下，水泥用量为50kg/m3、60kg/m3时，粉煤灰掺量分别为20kg/m3、30kg/m3、40kg/m3、50kg/m3、60kg/m3、80kg/m3、100kg/m3情况下的配合比，测得90d抗压强度。粉煤灰掺量与立方体试件90d抗压强度关系曲线如图2.4-11所示。

由图2.4-11可知，在同样水泥用量、同样水胶比、同样砂率前提下，随着粉煤灰掺量的增加，立方体试件90d抗压强度有一个先上升后下降的走势，说明在该材料中，粉煤灰存在最优掺量问题。进一步分析，当水泥用量为50kg/m3时，粉煤灰掺量为50kg/m3时出现峰值；当水泥用量为60kg/m3时，粉煤灰掺量为60kg/m3时出现峰值。可见粉煤灰掺量为胶凝材料总量（水泥＋粉煤灰）的50%时，为“最优掺量”。在寻求最优掺量的同时，著者进一步研究粉煤灰掺量为多少时，对材料强度提高的效率最高，增加速度最明显，如图2.4-12所示。

由图2.4-12可知，在同样水泥用量、同样水胶比、同样砂率前提下，当水泥用量为50kg/m3时，粉煤灰掺量为30kg/m3时，强度提高比最高（斜率最大），此时粉煤灰掺量为胶凝材料总量（水泥＋粉煤灰）的37.5%；当水泥用量为60kg/m3时，粉煤灰掺量为40kg/m3时，强度提高比最高（斜率最大），此时粉煤灰掺量为胶凝材料总量（水泥＋粉煤灰）的40%。可见粉煤灰掺量为胶凝材料总量（水泥＋粉煤灰）的40%左右时，为“经济掺量”，即掺入粉煤灰增加强度的效率最高。

2.4.5.2　粉煤灰掺量对材料后期强度影响研究

为了研究粉煤灰掺量对材料后期强度的影响，著者设计了在水胶比为1.0，水泥用量为50kg/m3，砂率分别为0.1、0.2、0.3时，粉煤灰掺量分别为30kg/m3、40kg/m3、50kg/m3情况下的配合比，测得90d抗压强度。粉煤灰掺量与立方体试件90d抗压强度关系曲线如图2.4-13所示。

不同砂率情况下，每立方米胶凝砂砾石材料中，粉煤灰掺量每增加10kg，材料抗压强度可提高百分比见表2.4-3。

由以上分析可以看出，同等条件下，每立方米胶凝砂砾石材料中，粉煤灰掺量每增加10kg，材料90d抗压强度会增强，增幅在5%～20%，比28d抗压强度增幅大。砂率低时，增幅偏上限，砂率高时，增幅偏下限。也说明当砂率较低时，粉煤灰起到了代替砂的作用，使试件填充更密实。

2.4.6　龄期对材料抗压强度影响分析

龄期是影响胶凝砂砾石材料强度的因素之一，在混凝土的研究中，混凝土的抗压强度是随着龄期的增长而增大的，但若在试件中掺入一定量粉煤灰，由于粉煤灰的自身特性，材料后期强度会提高。

以水泥用量为50kg/m3，粉煤灰掺量为30kg/m3、40kg/m3、50kg/m3，砂率为0.2，水胶比为1.0、1.2、1.4的配合比为例，试验结果如图2.4-14所示。

可以明显看出，胶凝砂砾石材料的抗压强度随养护龄期的增长而增大，这和混凝土具有相同的性质，龄期越长，强度越大。90d龄期的胶凝砂砾石材料抗压强度为28d龄期抗压强度的110%～140%，在水泥和粉煤灰作用下，180d龄期的胶凝砂砾石材料抗压强度为90d龄期抗压强度的115%左右，且材料90d和28d强度增长率随着水胶比的增大而增大。大水胶比可以使材料后期强度显著提高，但此时的水胶比不一定是使材料强度达到最高的“最优水胶比”。

2.4.7　尺寸效应

尺寸效应是材料的一种力学性能，是随着材料几何尺寸的增长，强度的试验值呈下降趋势。在混凝土试验和土工试验中常常存在尺寸效应，直接影响材料的真实强度、承载能力和耐久性。胶凝砂砾石材料是一种新型坝体材料，主要运用于水利工程，水利工程由于实际结构往往很大，进行真实结构系统试验的可能性很小，往往是以试验室小型尺寸试件得出的破坏结论来指导实际结构工程，因此，需要针对胶凝砂砾石材料的尺寸效应进行研究，为以后指导胶凝砂砾石材料实际工程提供理论基础。

为了进一步探究试件尺寸对胶凝砂砾石材料强度的影响，此次试验以二级配骨料为试验原料［中石子（20～40mm）：小石子（5～20mm）＝6：4］，成型试件为尺寸为150mm×150mm×150mm、300mm×300mm×300mm、450mm×450mm×450mm的立方体试件，试件中骨料的最大粒径为40mm，搅拌成型后养护至28d龄期，试验结果见表2.4-4。

从表2.4-4可以看出，尺寸为300mm×300mm×300mm试件的抗压强度低于150mm×150mm×150mm试件的抗压强度，且300mm×300mm× 300mm试件的抗压强度为150mm×150mm×150mm试件的抗压强度的87.5%；尺寸为450mm×450mm×450mm试件的抗压强度低于150mm× 150mm×150mm试件的抗压强度，且450mm×450mm×450mm试件的抗压强度为150mm×150mm×150mm试件的抗压强度的71.5%。

分析原因在于：胶凝砂砾石材料胶凝材料用量较少，在同一骨料级配的情况下，试件尺寸越大，材料的相对密实程度越低，骨料之间胶凝材料的胶结作用越低，此外，试件尺寸的增大，使得试件承压面与轴心距相对增大，试件的抗压强度减小。因此，试件尺寸越大，材料抗压强度试验结果越低。

2.4.8　骨料级配对材料抗压强度影响分析

骨料级配对胶凝砂砾石材料强度的影响主要体现在，胶凝砂砾石材料骨料主要以卵石为主，通过少量胶凝材料的胶结作用将不同粒径的骨料胶结在一起，从而形成具有一定强度的建筑材料。因此，作为主骨架材料，骨料对材料强度的影响是至关重要的。此次试验针对二级配、三级配、全级配骨料进行了多组试验，分别采用4个不同粒径的卵石，即小石子（5～20mm）、中石子（20～40mm）、大石子（40～80mm）、特大石子（80～150mm），研究级配对材料抗压强度的影响。此外，为了进一步探究骨料粒径对胶凝砂砾石材料强度的影响，此次试验在参照原有规范比例的基础上，对试验组骨料粒径比例进行了调整，具体试验结果见表2.4-5。

不同级配下，对应的抗压强度见表2.4-6。

由表2.4-6可以看出，随着胶凝砂砾石材料骨料级配的增大，材料强度总体上体现出降低的趋势，骨料级配对胶凝砂砾石材料试验强度有较大影响。同种配合比前提下，三级配300mm×300mm×300mm立方体试块28d抗压强度是二级配150mm×150mm×150mm立方体试块28d抗压强度的75%左右；全级配450mm×450mm×450mm立方体试块28d抗压强度是二级配150mm×150mm×150mm立方体试块28d抗压强度的65%左右。

三级配、全级配试件强度低于二级配试件强度，分析原因，一方面由于级配影响，另一方面也与试件尺寸有关。

另外，在三级配的试验中，调整不同粒径骨料的掺量，研究不同级配对材料强度的影响。试验数据见表2.4-7。

从表2.4-7中可以看出，同样配合比前提下的三级配试件，不同粒径骨料的掺量，对材料强度影响很大。试验抗压强度最大值是最小值的近2倍。可见，骨料级配良好与否，对材料强度影响重大。

土的级配情况是否良好，常用不均匀系数Cu和曲率系数Cc来描述，级配良好的土，能同时满足Cu≥5和Cc＝1～3。

不均匀系数：

曲率系数：

式中：d60、d30、d10分别为粒径分布曲线上纵坐标为60%、30%、10%时对应的土料粒径。

参照这种方法，绘制出3种不同骨料（粒径5～20mm、20～40mm和40～80mm）不同掺量的粒径曲线，求得Cu和Cc值，参考土料级配优良判别标准，寻求胶凝砂砾石材料骨料级配优良与否的判别办法，如图2.4-15所示。对应的Cu和Cc值见表2.2-8。

当骨料级配同时满足Cu≥5和Cc＝1～3时，材料的抗压强度均集中在5.34～5.71MPa之间，均值为5.52MPa，标准差为0.16，分布很集中。骨料级配不能同时满足Cu≥5和Cc＝1～3的两组强度分别是平均强度的58%和84%，其强度明显偏低。

可见，骨料级配对材料抗压强度影响很大，级配良好的骨料强度较高。可参照土料级配良好判别标准，用不均匀系数Cu和曲率系数Cc来描述，级配良好的骨料，能同时满足Cu≥5和Cc＝1～3。