PCCA添加劑對(duì)膠凝砂礫石材料抗凍性影響的試驗(yàn)研究

張 棟

（陜西省涇惠渠灌溉中心，陜西 咸陽(yáng) 713800）

膠凝砂礫石材料是一種新型筑壩材料，是將膠凝材料、水、砂礫或開挖廢料通過簡(jiǎn)易拌合而成，具有施工方便成本低的特點(diǎn)[1]。在水利工程建設(shè)中，可以充分利用大體積土石方開挖獲得砂石料或棄料生產(chǎn)膠凝砂礫石材料，這不僅可以實(shí)現(xiàn)廢物利用，降低工程成本，還具有良好的生態(tài)價(jià)值，在水利工程領(lǐng)域擁有十分廣闊的應(yīng)用前景[2]。在北方寒區(qū)的水利工程施工中，不僅要關(guān)注工程材料的強(qiáng)度和抗?jié)B性，還需要關(guān)注冬春季凍融條件下的耐久性[3]。膠凝砂礫石材料和普通混凝土具有相似的物理力學(xué)性質(zhì)，因此添加外加劑就成為提高其和易性、施工性以及耐久性的重要技術(shù)手段，各種引氣劑、塑化劑和防水劑等外加劑逐漸被開發(fā)出來(lái)，并直接推動(dòng)了混凝土材料技術(shù)的發(fā)展[4]。其中，混凝土減水劑經(jīng)過三代發(fā)展，目前已經(jīng)成為混凝土材料中不可或缺的重要組成部分。PCCA材料是東南大學(xué)高建明教授等開發(fā)的一種新型混凝土材料添加劑，是去離子水、乙烯基聚醚單體材料溶液升溫之后，分別加入雙氧水溶液、VC溶液、丙烯酰胺溶液以及鏈轉(zhuǎn)移劑溶液后充分反應(yīng)制成。在膠凝砂礫石材料制備過程中加入PCCA材料可以有效改善其流動(dòng)性和材料強(qiáng)度，具有良好的應(yīng)用前景。但是，尚沒有針對(duì)PCCA添加劑對(duì)膠凝砂礫石材料抗凍性影響的研究。鑒于抗凍性能對(duì)寒區(qū)水利工程而言具有重要價(jià)值，本文通過室內(nèi)試驗(yàn)的方式，進(jìn)行PCCA添加劑對(duì)膠凝砂礫石材料抗凍性影響的研究，為該新型添加劑的使用提供有益的借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

此次研究中使用的水泥為內(nèi)蒙古海螺中國(guó)水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥。實(shí)驗(yàn)前對(duì)其樣品進(jìn)行檢驗(yàn)，其初凝和終凝時(shí)間分別為187 min和245 min；28 d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為56.5 MPa和8.4 MPa；各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，可以用于此次試驗(yàn)研究。

粉煤灰為電廠生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品，用其替代部分水泥，不僅可以有效節(jié)省工程成本，同時(shí)還可以大幅提高膠凝砂礫石材料的強(qiáng)度。此次研究選用的是包頭華潤(rùn)電廠生產(chǎn)的I級(jí)低鈣粉煤灰。經(jīng)測(cè)定，樣品的需水量為93%，活性指數(shù)為76%，平均粒徑為15.23 μm、燒失量為1.67。

試驗(yàn)用骨料為天然砂礫石材料，其最大粒徑為150 mm。壓碎指標(biāo)為3.2%。試驗(yàn)用高效減水劑和引氣劑均由北京中水科海利工程有限公司生產(chǎn)；試驗(yàn)用水為普通自來(lái)水。試驗(yàn)用外加劑為實(shí)驗(yàn)室制備的PCCA材料。

1.2 試樣制備

在試件的制作過程中，首先按照試驗(yàn)方案確定的配合比，稱量好各種試驗(yàn)材料。膠凝砂礫石材料制備使用JZW350型多功能攪拌機(jī)。將預(yù)先稱量好的水泥、粉煤灰、砂礫石料加入攪拌機(jī)攪拌10 s，在其充分混合并攪拌均勻之后，再加入水和各種外加劑，再次攪拌120 s，將攪拌制作完成的膠凝砂礫石材料放入模具成型。試驗(yàn)中的模具規(guī)格為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試模[5]。在裝料之前，首先需要清洗模具，并在其內(nèi)壁上均勻涂刷一層有機(jī)脫模劑。將制作好的膠凝砂礫石材料裝入模具之后進(jìn)行人工插搗，次數(shù)應(yīng)該保證在25次以上。在插搗完畢之后，用抹刀抹平試件的表面，特別是注意封堵好明顯的孔洞[6]。將制作好的試件靜置24 h之后脫模，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28 d齡期，然后取出試件在室外自然環(huán)境下靜置至90 d齡期。

1.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了研究不同PCCA摻量對(duì)膠凝砂礫石材料抗凍融性能的影響，結(jié)合相關(guān)研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)0.01%、0.03%和0.05% 3種不同的PCCA摻量，并將沒有摻加PCCA的方案作為對(duì)比方案，各方案的配合比設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 試驗(yàn)方案配合比設(shè)計(jì)表

1.4 試驗(yàn)方法

對(duì)達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期的試件進(jìn)行編號(hào)，將試件表面擦拭干凈并稱重，然后放入凍融試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行凍融循環(huán)。在-20 ℃的環(huán)境下凍3 h然后在常溫水中浸泡1 h為一次凍融循環(huán)。此次試驗(yàn)共進(jìn)行200次凍融循環(huán)，每25次凍融試驗(yàn)擦去表面水分并逐一稱重，計(jì)算質(zhì)量損失。為了獲取不同PCCA摻量對(duì)膠凝砂礫石材料基本力學(xué)性能的影響，在50次、100次、150次和200次凍融次數(shù)下進(jìn)行試件的三軸壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)中采用微機(jī)伺服粗粒土動(dòng)靜三軸儀進(jìn)行試驗(yàn)[7]，首先將試件放在試驗(yàn)儀器上，用膠帶將接口部位密封，以防密閉不嚴(yán)造成試驗(yàn)失效[8]。將位移傳感器與三軸試驗(yàn)儀連接好，并進(jìn)行歸零調(diào)整；手動(dòng)控制壓力缸，使其能夠完全罩住試件；設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)行試驗(yàn)，并做好試驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄工作。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 質(zhì)量損失試驗(yàn)結(jié)果與分析

利用上節(jié)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)不同PCCA摻量方案下膠凝砂礫石在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算獲取試件的質(zhì)量損失率，繪制出如圖1所示的不同方案質(zhì)量損失率變化曲線。由圖1可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件的質(zhì)量損失率呈現(xiàn)出先小幅下降后持續(xù)增長(zhǎng)的特點(diǎn)，在凍融循環(huán)25次時(shí)，其質(zhì)量損失率為負(fù)值。究其原因，主要是在循環(huán)試驗(yàn)的初期，外部的水分會(huì)進(jìn)入膠凝砂礫石試件表面裂縫，導(dǎo)致質(zhì)量有所增大。之后，隨著凍融循環(huán)的影響，試件表層的砂漿開始劣化脫落，因此質(zhì)量損失率逐漸增大。從不同的試驗(yàn)方案來(lái)看，方案1的質(zhì)量損失率明顯偏大，說(shuō)明在膠凝砂礫石材料中添加PCCA有助于降低材料的質(zhì)量損失率。另一方面，雖然試件的質(zhì)量損失率隨著PCCA摻量的增加而減小，但是方案3和方案4的試驗(yàn)結(jié)果十分接近?？紤]工程的經(jīng)濟(jì)性，PCCA摻量以0.03%為宜。

圖1 不同計(jì)算方案質(zhì)量損失率變化曲線

2.2 相對(duì)動(dòng)彈模量計(jì)算結(jié)果與分析

利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算獲取不同計(jì)算方案、不同凍融循環(huán)次數(shù)下試件相對(duì)動(dòng)彈模量，結(jié)果如表2所示。由表2中的數(shù)據(jù)可知，由于受到凍融循環(huán)作用的影響，不同PCCA摻量膠凝砂礫石試件的相對(duì)動(dòng)彈模量均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小，在達(dá)到一定次數(shù)之后，其降幅明顯增大。從不同計(jì)算方案的對(duì)比來(lái)看，在200次凍融循環(huán)試驗(yàn)后方案1的相對(duì)動(dòng)彈模量為79.5%、方案2、方案3和方案4的相對(duì)動(dòng)彈模量分別為85.5%、87.1%和88.3%。由此可見，摻加PCCA材料可以對(duì)膠凝砂礫石材料基體的破壞起到明顯的抑制作用，且摻加量越大抑制作用越強(qiáng)。但是方案3和方案4的試驗(yàn)結(jié)果相差不大，因此從工程經(jīng)濟(jì)性考慮，建議PCCA材料摻加量為0.03%。

表2 相對(duì)動(dòng)彈模量計(jì)算結(jié)果

2.3 抗壓強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果與分析

利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算獲取不同試驗(yàn)方案、不同凍融循環(huán)次數(shù)下的膠凝砂礫石材料試件的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如表3所示。由表3中可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，各方案膠凝砂礫石材料的抗壓強(qiáng)度值均呈現(xiàn)出不斷減小的變化趨勢(shì)。在相同的凍融循環(huán)次數(shù)下，摻加PCCA材料試件的抗壓強(qiáng)度明顯偏大，說(shuō)明摻加PCCA材料可以有效提升材料抗壓強(qiáng)度。從不同摻加量的方案對(duì)比來(lái)看，PCCA材料摻加量越大，抗壓強(qiáng)度越高，但是方案3和方案4的抗壓強(qiáng)度值比較接近，結(jié)合工程的經(jīng)濟(jì)性，PCCA材料的摻加量以0.03%為宜。

表3 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

此次研究通過室內(nèi)試驗(yàn)的方式，探討了PCCA材料對(duì)膠凝砂礫石材料抗凍融性能的影響，獲得的主要結(jié)論如下：

（1）隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件的質(zhì)量損失率呈現(xiàn)出先小幅下降后持續(xù)增長(zhǎng)的變化特點(diǎn)，相對(duì)動(dòng)彈模量和抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出不斷減小的變化特征。

（2）與不摻加PCCA材料方案相比，摻加PCCA材料各方案的質(zhì)量損失率明顯偏小，抗壓強(qiáng)度和相對(duì)動(dòng)彈模量明顯偏大，說(shuō)明摻加PCCA材料可以明顯提高膠凝砂礫石材料的抗凍融性能。

（3）結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果和工程的經(jīng)濟(jì)性，PCCA材料的摻加量以0.03%為宜。