冲填砂浆最优配合比试验

姜国辉，郭张舜，李玉清

（沈阳农业大学水利学院，沈阳 110161）

冲填砂浆结石技术是采用一定初始动能和重力势能的砂浆向已摊铺好的堆石体孔隙中灌填，最终形成完整的冲填砂浆结石体。为避免砂浆在冲填过程中发生离析，这就要求冲填砂浆具有良好的和易性，同时也需满足强度和抗冻性的要求[1]。目前，很多学者利用掺合料改善砂浆的性能。郭计含等[2]将粉煤灰取代部分水泥进行正交试验，得出随着粉煤灰掺量的增多，砂浆的流动性变大；郭伟娜等[3]通过试验得出材料的抗压强度随着粉煤灰掺量的增多而下降；王敏等[4]通过试验得到掺入适量的粉煤灰可以提高混凝土的抗冻性；LTIFI等[5]指出硅灰可以均匀的分散到砂浆中，改变砂浆的结构，提高砂浆的强度；MEDDAH等[6]将硅灰取代部分水泥，研究对混凝土力学性能的影响，得到硅灰可以显著提高混凝土的强度和耐久性；杨钱荣等[7]研究硅灰掺量对砂浆流变性的影响，结果表明硅灰可以增加砂浆的粘聚性；RASOL等[8]研究得到硅灰可以减小混凝土的孔隙度，增加密实性，提高强度；丁向群等[9]研究硅灰掺量对混凝土抗冻性的影响，得到硅灰的掺入可以降低混凝土的孔隙率，从而提高抗冻性。众多学者研究了粉煤灰和硅灰对砂浆性能的影响，掺一种掺合料往往不能改善砂浆的综合性能，对于冲填砂浆，需要具有高流动性，同时需要满足力学性能和抗冻性能的要求。因此，本研究采用粉煤灰和硅灰作为掺合料，研究其对冲填砂浆的流动性、抗压强度和抗冻性的影响，得出最优掺量，为实际工程提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

水泥采用沈阳山水集团生产的工源牌P·O 42.5型普通硅酸盐水泥。粉煤灰采用沈海热电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，含水量0.3%，细度（45μm方孔筛筛余）21.1μm。硅灰采用河南铂润铸造材料有限公司生产的硅灰，比表面积19100m2·kg-1，二氧化硅含量96.1%。细骨料采用普通河砂，细度模数为2.81，属于中砂。纤维素醚采用羟丙基甲基纤维素。减水剂采用标准型聚羧酸系高性能减水剂，水使用沈阳市自来水。胶凝材料和细骨料颗粒级配曲线见图1。

图1 胶凝材料和细骨料颗粒级配曲线Figure 1 Grain gradation curves of cementitious materials and fine aggregate

1.2 方法

依据姜国辉等[1-2,10]研究成果，选取水胶比0.85，胶砂比0.28，胶凝材料（水泥+粉煤灰+硅灰）400kg·m-3，砂子1426kg·m-3，羟丙基甲基纤维素掺量0.03%（所使用的外加剂掺量及掺合料掺量均为占胶凝材料总质量的百分比），聚羧酸系高性能减水剂掺量0.2%。通过预试验结果设置粉煤灰掺量0%、10%、15%、20%，硅灰掺量0%、2%、5%、8%，参照NB/T 10077-2018《堆石混凝土筑坝技术导则》测定冲填砂浆扩展度，按照JGJ/T 70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》测定7，14，28，90d冲填砂浆试件抗压强度、不同冻融循环次数下质量损失率和强度损失率，采用综合评分法分别选取单掺粉煤灰、单掺硅灰的最优及次优掺量进行复掺，最终选取最优配合比。共11组试验，其中未掺粉煤灰、硅灰为空白对照组。具体试验设计配合比见表1。

表1 冲填砂浆配合比Table 1 Mix of filling slurry

2 结果与分析

2.1 单掺粉煤灰对冲填砂浆性能的影响

2.1.1 单掺粉煤灰对冲填砂浆扩展度的影响由表2可知，冲填砂浆扩展度随粉煤灰掺量的增加而增加。这是由于粉煤灰中含有大量的类似球形的玻璃微珠，在冲填砂浆中起到滚珠的作用，有效降低冲填砂浆颗粒间滑动的阻力，提高冲填砂浆的流动性；粉煤灰还具有微集料效应，粉煤灰的粒径小于水泥，可以均匀的分散到水泥中，将水泥颗粒分散开，置换出冲填砂浆中颗粒间的水分，粉煤灰的水化反应慢于水泥的水化反应，减少了冲填砂浆在水化过程中初期的耗水量，自由水增多，故提高了冲填砂浆的流动性。

表2 不同粉煤灰掺量冲填砂浆扩展度试验结果Table 2 Test results of expansion of filling slurry with different fly ash content

由图2可知，粉煤灰掺入之后，冲填砂浆会出现离析泌水的情况，并且随着掺量的增加，冲填砂浆离析泌水情况越严重。在本次试验中，当粉煤灰掺量20%时，冲填砂浆离析泌水情况最为严重。

图2 不同掺量粉煤灰冲填砂浆扩展度试验照片Figure 2 Pictures of expansion of filling slurry with different fly ash content

2.1.2 单掺粉煤灰对冲填砂浆抗压强度的影响单掺粉煤灰的冲填砂浆试件抗压强度试验结果见图3。由图3可知，随着粉煤灰取代水泥的量逐渐增多，7，14，28，90d龄期的冲填砂浆立方体试件抗压强度逐渐减小。以28d龄期为例，空白对照组试件的强度为31.1MPa，粉煤灰掺量10%、15%、20%的冲填砂浆试件抗压强度较空白对照组下降18.6%、27.7%、32.8%。粉煤灰对各个龄期强度的发展都有影响，随着龄期的增加，掺入粉煤灰的冲填砂浆与空白对照组的抗压强度差距越来越小。在7d龄期，空白对照组的抗压强度为16.6MPa，粉煤灰掺量10%、15%、20%的冲填砂浆试件的抗压强度较于空白对照组下降24.7%、36.1%、41.0%；在90d龄期，空白对照组的强度为37.3MPa，粉煤灰掺量10%、15%、20%的冲填砂浆试件的抗压强度较于空白对照组下降13.9%、17.4%、20.6%。这是因为粉煤灰的火山灰反应，粉煤灰的活性组分主要有二氧化硅和三氧化二铝，它们并不能直接和水泥反应，而是在水泥发生水化反应生成氢氧化钙后才能进行，随着时间的增长，没有水化的粉煤灰在周围碱性环境下，开始慢慢发生火山灰反应，粉煤灰的活性组分与氢氧化钙发生化学反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙凝胶，充填到冲填砂浆的空隙中，使冲填砂浆变得更加紧密，故粉煤灰的火山灰反应在水泥的水化反应之后[11]。在冲填砂浆立方体试件抗压强度早期，主要是水泥的水化反应，粉煤灰充填在砂浆的空隙中，对砂浆强度的影响较小；在冲填砂浆立方体试件抗压强度后期，粉煤灰的火山灰效应显现出来。

图3 不同掺量粉煤灰对冲填砂浆抗压强度的影响Figure 3 Influence of different fly ash content on compressive strength of filling slurry

2.1.3单掺粉煤灰对冲填砂浆抗冻性能的影响由图4a可知，随着冻融循环次数的增加，冲填砂浆试件的质量损失率在增加，但是掺入粉煤灰的冲填砂浆试件的质量损失率均小于空白对照组的质量损失率，说明掺入粉煤灰可以提高冲填砂浆的抗冻性。在冻融循环50次时，冲填砂浆试件的质量损失率从大到小排序为：粉煤灰掺量0%＞粉煤灰掺量10%＞粉煤灰掺量15%＞粉煤灰掺量20%。由图4b可知，掺入粉煤灰的冲填砂浆试件的强度损失率低于空白对照组的强度损失率。在冻融循环10次，各组试件的强度损失率相差不大；随着冻融循环次数的增加，掺入20%粉煤灰的冲填砂浆试件的强度损失率增长加快；冻融循环40次，空白对照组的强度损失率为27.97%，达到JGJ/T 70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》中抗冻性试验破坏要求，即抗压强度损失率大于25%，而掺入10%、15%、20%粉煤灰冲填砂浆试件的强度损失率分别为23.64%、21.21%、24.62%，均未达到破坏要求。冻融循环50次，各组冲填砂浆试件均达到抗冻性试验破坏要求，冲填砂浆试件的强度损失率从大到小排序为：粉煤灰掺量0%＞粉煤灰掺量20%＞粉煤灰掺量10%＞粉煤灰掺量15%。粉煤灰掺量15%抗冻性能最好。

图4 单掺粉煤灰冲填砂浆抗冻性试验结果Figure 4 Freezing resistance test results of single fly ash filled slurry

2.1.4 单掺粉煤灰试验结果综合评判分析根据上述分析，不同粉煤灰掺量对冲填砂浆试件的性能指标影响程度不同。根据冲填砂浆结石技术的施工特点，应选取流动性尽可能大的配合比，以便将砂浆冲填到堆石体孔隙中；在提高流动性的基础上，粉煤灰掺量越小越好，以便满足冲填砂浆抗压强度和抗冻性的要求。为此，本研究采用综合评分法将各指标结果综合考虑，选取粉煤灰最优及次优掺量[12-13]。

本次试验共4组，记为x1、x2、x3、x4。选取扩展度、7d抗压强度、14d抗压强度、28d抗压强度、90d抗压强度、50次冻融循环条件下质量损失率和强度损失率共7个指标，则各个试验结果记为{xi,j}（i=1，2，3，4；j=1，2，…，7）。在本试验中，扩展度和抗压强度的试验结果越大越好，即为极大型指标，隶属度计算按式(1)；50次冻融循环条件下质量损失率和强度损失率的试验结果越小越好，即为极小型指标，隶属度计算按式(2)[14]。

式中：A(xi,j)为第i组第j个指标的隶属度；xi,j为第i组第j个指标的试验结果；xjmin为第j个指标的试验结果最小值；xjmax为第j个指标的试验结果最大值。

由式(1)和式(2)可知，0≤A(xi,j)≤1，A(xi,j)越大，说明冲填砂浆性能越好。根据冲填砂浆结石技术的施工要求，确定扩展度权重为0.4，7d和14d抗压强度权重为0.05；28d和90d抗压强度权重为0.15，50次冻融循环质量损失率和强度损失率权重为0.1。由表3可知，掺入粉煤灰的冲填砂浆配合比的综合评分均高于未掺粉煤灰的冲填砂浆的综合评分，说明粉煤灰的掺入对冲填砂浆有利。最优掺量为15%，次优掺量为20%。

表3 单掺粉煤灰配合比的综合评分Table 3 Comprehensive score of single fly ash mixture ratio

2.2 单掺硅灰对冲填砂浆性能的影响

2.2.1 单掺硅灰对冲填砂浆扩展度的影响按表1中单掺硅灰的冲填砂浆配合比进行扩展度试验，试验结果见表4。由表4可知，冲填砂浆扩展度随硅灰掺量的增加而降低。掺量小于5%，扩展度下降的不明显；掺量超过5%时，扩展度明显下降。这主要是因为硅灰由气相转变为固相过程中，表面张力的作用，形成了圆球形的颗粒，表面光滑，虽然可以起到滚珠轴承的作用，但硅灰颗粒较小，其比表面积较大，吸附水的能力也较强，随着硅灰掺量的增加，大量的游离水被吸附，故使得冲填砂浆的流动性降低，扩展度下降[15]。

表4 不同硅灰掺量冲填砂浆扩展度试验结果Table 4 Test results of expansion of filling slurry with different silica fume content

由图5可知，硅灰掺入之后，冲填砂浆的黏性增加。这是由于硅灰的掺入，吸附了大量水分，并且过小粒径的硅灰，在冲填砂浆中更容易形成大量的絮凝结构，大量的团聚体增加冲填砂浆流动的内部的阻力，致使冲填砂浆黏性增大[15-17]。

图5 不同掺量硅灰冲填砂浆扩展度试验照片Figure 5 Pictures of expansion of filling slurry with different silica fume content

2.2.2 单掺硅灰对冲填砂浆抗压强度的影响将不同掺量的硅灰冲填砂浆试件进行抗压强度试验，试验结果见图6。由图6可知，冲填砂浆试件的抗压强度随硅灰掺量的增多而增大。硅灰掺量小于5%时，抗压强度增大的不明显；当掺量超过5%，抗压强度明显增大；硅灰掺量8%时，抗压强度达到最大。原因是硅灰具有微集料效应，其粒径远小于水泥的粒径，可以充填到冲填砂浆的空隙中，均匀的分布在浆体中，减小孔隙率，使冲填砂浆更加密实；同时硅灰具有火山灰效应，生成水化硅酸钙凝胶，充填到冲填砂浆的空隙中，提高结构的密实度，所以掺入硅灰后的冲填砂浆试件抗压强度会提高[18-19]。

图6 不同掺量硅灰对冲填砂浆抗压强度的影响Figure 6 Influence of different silica fume content on compressive strength of filling slurry

2.2.3 单掺硅灰对冲填砂浆抗冻性能的影响 由图7a可知，与空白对照组相比，掺加硅灰的冲填砂浆试件的质量损失率明显降低。随着冻融循环次数的增加，掺入硅灰对冲填砂浆试件的质量损失减小的效果越明显。在冻融循环50次时，冲填砂浆试件的质量损失率从大到小排序为：硅灰掺量0%＞硅灰掺量2%＞硅灰掺量5%＞硅灰掺量8%。说明掺入硅灰可以提高冲填砂浆的抗冻性。由图7b可知，掺入硅灰冲填砂浆试件的强度损失率均低于空白对照组的强度损失率。在冻融循环前期，强度损失率上升的较为缓慢，随着冻融循环次数的增加，强度损失率上升的越快。冻融循环40次，空白对照组强度损失率为27.97%，大于25%，达到抗冻性试验破坏要求；掺入2%、5%、8%硅灰的冲填砂浆试件的强度损失率分别为21.84%、19.53%、17.56%，未达到破坏要求。冻融循环50次，各组冲填砂浆试件的强度损失率大于25%，均达到破坏要求，冲填砂浆试件的强度损失率从大到小排序为：硅灰掺量0%＞硅灰掺量2%＞硅灰掺量5%＞硅灰掺量8%。这是因为硅灰的火山灰效应，使结构更加紧密，减少冲填砂浆内部有害孔隙的数量，提高试件的抗冻性[9]。

图7 单掺硅灰冲填砂浆抗冻性试验结果Figure 7 Freezing resistance test results of single silica fume filled slurry

2.2.4 单掺硅灰试验结果综合评判分析根据上述分析，不同硅灰掺量对冲填砂浆试件的性能指标影响程度也不同。采用与单掺粉煤灰相同的方法评判，即综合评分法。选取的指标及各指标所占权重与单掺粉煤灰的各指标权重也相同。对单掺硅灰各组试验进行综合评分，结果见表5。由表5可知，掺入硅灰的冲填砂浆配合比的综合评分均大于空白对照组的冲填砂浆配合比的综合评分，说明硅灰在冲填砂浆中起积极作用。最优掺量及次优掺量分别为5%和8%。

表5 单掺硅灰配合比的综合评分Table 5 Comprehensive score of single silica fume mixture ratio

2.3 复掺粉煤灰和硅灰对冲填砂浆性能的影响

2.3.1 复掺粉煤灰和硅灰对冲填砂浆扩展度的影响选取单掺粉煤灰最优及次优掺量15%和20%，单掺硅灰的最优及次优掺量5%和8%进行复掺。复掺粉煤灰和硅灰的冲填砂浆配合比的扩展度试验结果见表6。由表6可知，当粉煤灰掺量固定为15%和20%时，随着硅灰掺量的增加，冲填砂浆扩展度相应减少。这是由于硅灰表面可吸附大量水分，随着掺量的增多，吸附的水分越多，冲填砂浆中自由水减少，导致流动性降低。当硅灰掺量一定时，并不是随着粉煤灰掺量的增加，冲填砂浆的扩展度增大。当硅灰掺量为5%，粉煤灰掺量20%的冲填砂浆的扩展度大于粉煤灰掺量15%的冲填砂浆的扩展度，均大于空白对照组冲填砂浆的扩展度。这是由于硅灰掺量较小，虽然增加了需水量，但粉煤灰的微集料效应和形态效应，减小了冲填砂浆中颗粒间的阻力，有效的抵消了因掺入硅灰而增加的需水量，此时粉煤灰对冲填砂浆的流动性占主导作用，故随着粉煤灰的增多，冲填砂浆的流动性增大。当硅灰掺量为8%，粉煤灰掺量20%的冲填砂浆的扩展度小于粉煤灰掺量15%的冲填砂浆的扩展度。这是由于硅灰掺量较多，其粒径较小，比表面积较大，吸附大量水分，约束了冲填砂浆中大量的自由水，掺入粉煤灰后，粉煤灰的比表面积也较大，表面需要水分来润湿，此时硅灰的强大的吸附水分的能力占主导地位，故随着粉煤灰的掺量的增加，表面所需要的水分也越多，冲填砂浆的粘性增加，流动性降低[20]。

表6 复掺粉煤灰和硅灰冲填砂浆扩展度试验结果Table 6 Test results of expansion degree of filling slurry mixed with fly ash content and silica fume content

由图8可知，复掺粉煤灰和硅灰可以减少单掺粉煤灰的冲填砂浆发生离析、泌水的情況，也可以避免因单掺硅灰使冲填砂浆的流动性降低。两者混合使用时，在适当掺量下，刚好改善单掺所产生的不利影响，有利于增大冲填砂浆的扩展度、增加粘聚性。

图8 复掺粉煤灰和硅灰冲填砂浆扩展度试验照片Figure 8 Pictures of expansion of filling slurry with fly ash and silica fume

2.3.2 复掺粉煤灰和硅灰对冲填砂浆抗压强度的影响由图9可知，不同掺量粉煤灰、硅灰进行复掺对冲填砂浆试件的抗压强度有不同的影响。硅灰的掺入对抗压强度有利，粉煤灰的掺入对抗压强度不利。硅灰的掺入不能弥补因掺粉煤灰导致抗压强度下降的损失，以28d龄期为例，粉煤灰掺量15%+硅灰掺量8%的冲填砂浆试件抗压强度28.9MPa，较单掺粉煤灰掺量15%的冲填砂浆试件抗压强度提高28.4%，较空白对照组降低7.1%。粉煤灰掺量15%+硅灰掺量8%的冲填砂浆试件在各个龄期抗压强度最高，粉煤灰掺量20%+硅灰掺量5%的冲填砂浆试件在各个龄期抗压强度最低。

图9 复掺粉煤灰和硅灰对冲填砂浆抗压强度的影响Figure 9 Influence of fly ash and silica fume on compressive strength of filling slurry

2.3.3 复掺粉煤灰和硅灰对冲填砂浆抗冻性能的影响由图10a可知，复掺粉煤灰和硅灰的冲填砂浆试件的质量损失率随着冻融循环次数的增加而增大，并且均低于空白对照组。在冻融循环10次时，各组复掺粉煤灰和硅灰的冲填砂浆试件的质量损失率相差不大。随着冻融循环次数的增加，各组的质量损失率差距越来越明显。大致趋势为：粉煤灰掺量固定时，随着硅灰掺量的增加，冲填砂浆试件的质量损失率减少；硅灰掺量固定时，随着粉煤灰掺量的增加，冲填砂浆试件的质量损失率增加。在冻融循环50次时，冲填砂浆试件的质量损失率从大到小排序为：粉煤灰掺量0%+硅灰掺量0%＞粉煤灰掺量20%+硅灰掺量5%＞粉煤灰掺量20%+硅灰掺量8%＞粉煤灰掺量15%+硅灰掺量5%＞粉煤灰掺量15%+硅灰掺量8%。由图10b可知，复掺粉煤灰、硅灰的各组冲填砂浆试件的强度损失率变化趋势大致相同，并且均低于空白对照组。在冻融循环40次时，空白对照组的强度损失率大于25%，说明试件已经破坏；其余4组的强度损失率均小于25%，说明试件未被破坏。在冻融循环50次时，各组冲填砂浆试件的强度损失率均大于25%，即试件被破坏，强度损失率从大到小排序为：粉煤灰掺量0%+硅灰掺量0%＞粉煤灰掺量20%+硅灰掺量5%＞粉煤灰掺量20%+硅灰掺量8%＞粉煤灰掺量15%+硅灰掺量5%＞粉煤灰掺量15%+硅灰掺量8%。

图10 复掺粉煤灰和硅灰冲填砂浆抗冻性试验结果Figure 10 Freezing resistance test results of filling slurry mixed with fly ash and silica fume

2.3.4 复掺粉煤灰和硅灰试验结果综合评判分析根据上述分析，将粉煤灰和硅灰进行复掺，可以改善单掺所产生的不利影响，充分发挥各自的作用。适量复掺可以提高冲填砂浆的流动性；过量的粉煤灰对砂浆抗压强度和抗冻性不利，硅灰对砂浆抗压强度和抗冻性有利。采用与单掺粉煤灰、单掺硅灰相同的方法评判，选取的指标及各指标所占的权重也相同。由表7可知，适量的粉煤灰、硅灰复掺可以改善冲填砂浆的性能。粉煤灰掺量15%+硅灰掺量5%和粉煤灰掺量15%+硅灰掺量8%的配合比的综合评分大于空白对照组的综合评分，粉煤灰掺量20%+硅灰掺量5%和粉煤灰掺量20%+硅灰掺量8%的配合比的综合评分小于空白对照组的综合评分。粉煤灰掺量15%+硅灰掺量8%综合评分最高，即为最优掺量。

表7 复掺粉煤灰和硅灰配合比的综合评分Table 7 Comprehensive score of mixed fly ash and silica fume

3 讨论与结论

粉煤灰和硅灰对冲填砂浆性能的影响不同，随着粉煤灰替代水泥掺量逐渐增多，冲填砂浆扩展度增大，可以提高流动性，掺量过多会导致冲填砂浆离析泌水，与朱龙鹏[10]的研究结果较为一致。为改善掺入粉煤灰冲填砂浆离析泌水的情况，利用硅灰粒径较小、比表面积较大、吸附水的能力较强等特点，通过试验硅灰得到硅灰可以提高冲填砂浆的粘聚性，与杨钱荣等[7]研究结果较为一致。并且硅灰具有火山灰效应，生成物充填到冲填砂浆的空隙中，提高结构的密实度，可以提高冲填砂浆抗压强度和抗冻性，与刘茉莉的研究结果较为一致[21]。因此，将粉煤灰和硅灰复掺，充分发挥各自优势，改善单掺所产生的不利影响。

复掺粉煤灰和硅灰可以改善单掺粉煤灰冲填砂浆离析泌水情况，适当的复掺掺量可以提高冲填砂浆流动性。粉煤灰掺量20%+硅灰掺量5%的冲填砂浆扩展度最大，为329mm。粉煤灰掺量20%+硅灰掺量8%的冲填砂浆的扩展度最小，为284mm，小于空白对照组，冲填砂浆流动性不足，在堆石体中流动距离较短，不能完全冲填满堆石体孔隙，导致冲填砂浆结石体不密实，即不满足冲填要求。复掺粉煤灰和硅灰的冲填砂浆试件抗压强度和抗冻性优于单掺粉煤灰的冲填砂浆试件。粉煤灰掺量15%+硅灰掺量8%的冲填砂浆抗压强度和抗冻性最优，粉煤灰掺量15%+硅灰掺量5%的冲填砂浆抗压强度和抗冻性次优。在满足冲填砂浆流动性要求情况下，选取抗压强度越大、抗冻性越好的砂浆，通过综合评分法，得到粉煤灰掺量15%+硅灰掺量8%评分最高，为最优掺量，其扩展度为315mm，7，14，28，90d的抗压强度分别为14.0，22.3，28.9，34.3MPa，冻融循环50次质量损失率0.201%，强度损失率26.81%。