PCCA添加劑對膠凝砂礫石材料抗凍性影響的試驗研究

張 棟

（陜西省涇惠渠灌溉中心，陜西 咸陽 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易拌合而成，具有施工方便成本低的特點[1]。在水利工程建設中，可以充分利用大體積土石方開挖獲得砂石料或棄料生產膠凝砂礫石材料，這不僅可以實現廢物利用，降低工程成本，還具有良好的生態價值，在水利工程領域擁有十分廣闊的應用前景[2]。在北方寒區的水利工程施工中，不僅要關注工程材料的強度和抗滲性，還需要關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性質，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手段，各種引氣劑、塑化劑和防水劑等外加劑逐漸被開發出來，并直接推動了混凝土材料技術的發展[4]。其中，混凝土減水劑經過三代發展，目前已經成為混凝土材料中不可或缺的重要組成部分。PCCA材料是東南大學高建明教授等開發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移劑溶液后充分反應制成。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性和材料強度，具有良好的應用前景。但是，尚沒有針對PCCA添加劑對膠凝砂礫石材料抗凍性影響的研究。鑒于抗凍性能對寒區水利工程而言具有重要價值，本文通過室內試驗的方式，進行PCCA添加劑對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 試驗材料

此次研究中使用的水泥為內蒙古海螺中國水泥廠生產的P.O42.5普通硅酸鹽水泥。實驗前對其樣品進行檢驗，其初凝和終凝時間分別為187 min和245 min；28 d抗壓強度和抗折強度分別為56.5 MPa和8.4 MPa；各項指標均滿足規范要求，可以用于此次試驗研究。

粉煤灰為電廠生產過程中產生的副產品，用其替代部分水泥，不僅可以有效節省工程成本，同時還可以大幅提高膠凝砂礫石材料的強度。此次研究選用的是包頭華潤電廠生產的I級低鈣粉煤灰。經測定，樣品的需水量為93%，活性指數為76%，平均粒徑為15.23 μm、燒失量為1.67。

試驗用骨料為天然砂礫石材料，其最大粒徑為150 mm。壓碎指標為3.2%。試驗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；試驗用水為普通自來水。試驗用外加劑為實驗室制備的PCCA材料。

1.2 試樣制備

在試件的制作過程中，首先按照試驗方案確定的配合比，稱量好各種試驗材料。膠凝砂礫石材料制備使用JZW350型多功能攪拌機。將預先稱量好的水泥、粉煤灰、砂礫石料加入攪拌機攪拌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。試驗中的模具規格為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，并在其內壁上均勻涂刷一層有機脫模劑。將制作好的膠凝砂礫石材料裝入模具之后進行人工插搗，次數應該保證在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，在標準養護室養護至28 d齡期，然后取出試件在室外自然環境下靜置至90 d齡期。

1.3 試驗方案設計

為了研究不同PCCA摻量對膠凝砂礫石材料抗凍融性能的影響，結合相關研究成果和工程經驗，設計0.01%、0.03%和0.05% 3種不同的PCCA摻量，并將沒有摻加PCCA的方案作為對比方案，各方案的配合比設計如表1所示。

表1 試驗方案配合比設計表

1.4 試驗方法

對達到養護齡期的試件進行編號，將試件表面擦拭干凈并稱重，然后放入凍融試驗機進行凍融循環。在-20 ℃的環境下凍3 h然后在常溫水中浸泡1 h為一次凍融循環。此次試驗共進行200次凍融循環，每25次凍融試驗擦去表面水分并逐一稱重，計算質量損失。為了獲取不同PCCA摻量對膠凝砂礫石材料基本力學性能的影響，在50次、100次、150次和200次凍融次數下進行試件的三軸壓縮試驗。試驗中采用微機伺服粗粒土動靜三軸儀進行試驗[7]，首先將試件放在試驗儀器上，用膠帶將接口部位密封，以防密閉不嚴造成試驗失效[8]。將位移傳感器與三軸試驗儀連接好，并進行歸零調整；手動控制壓力缸，使其能夠完全罩住試件；設置試驗參數，進行試驗，并做好試驗數據的記錄工作。

2 試驗結果與分析

2.1 質量損失試驗結果與分析

利用上節的試驗設計，對不同PCCA摻量方案下膠凝砂礫石在不同凍融循環次數下的質量進行測量，計算獲取試件的質量損失率，繪制出如圖1所示的不同方案質量損失率變化曲線。由圖1可知，隨著凍融循環次數的增加，試件的質量損失率呈現出先小幅下降后持續增長的特點，在凍融循環25次時，其質量損失率為負值。究其原因，主要是在循環試驗的初期，外部的水分會進入膠凝砂礫石試件表面裂縫，導致質量有所增大。之后，隨著凍融循環的影響，試件表層的砂漿開始劣化脫落，因此質量損失率逐漸增大。從不同的試驗方案來看，方案1的質量損失率明顯偏大，說明在膠凝砂礫石材料中添加PCCA有助于降低材料的質量損失率。另一方面，雖然試件的質量損失率隨著PCCA摻量的增加而減小，但是方案3和方案4的試驗結果十分接近。考慮工程的經濟性，PCCA摻量以0.03%為宜。

圖1 不同計算方案質量損失率變化曲線

2.2 相對動彈模量計算結果與分析

利用試驗數據，計算獲取不同計算方案、不同凍融循環次數下試件相對動彈模量，結果如表2所示。由表2中的數據可知，由于受到凍融循環作用的影響，不同PCCA摻量膠凝砂礫石試件的相對動彈模量均隨著凍融循環次數的增加而減小，在達到一定次數之后，其降幅明顯增大。從不同計算方案的對比來看，在200次凍融循環試驗后方案1的相對動彈模量為79.5%、方案2、方案3和方案4的相對動彈模量分別為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。但是方案3和方案4的試驗結果相差不大，因此從工程經濟性考慮，建議PCCA材料摻加量為0.03%。

表2 相對動彈模量計算結果

2.3 抗壓強度計算結果與分析

利用試驗數據，計算獲取不同試驗方案、不同凍融循環次數下的膠凝砂礫石材料試件的抗壓強度，結果如表3所示。由表3中可知，隨著凍融循環次數的增加，各方案膠凝砂礫石材料的抗壓強度值均呈現出不斷減小的變化趨勢。在相同的凍融循環次數下，摻加PCCA材料試件的抗壓強度明顯偏大，說明摻加PCCA材料可以有效提升材料抗壓強度。從不同摻加量的方案對比來看，PCCA材料摻加量越大，抗壓強度越高，但是方案3和方案4的抗壓強度值比較接近，結合工程的經濟性，PCCA材料的摻加量以0.03%為宜。

表3 抗壓強度試驗結果

3 結論

此次研究通過室內試驗的方式，探討了PCCA材料對膠凝砂礫石材料抗凍融性能的影響，獲得的主要結論如下：

（1）隨著凍融循環次數的增加，試件的質量損失率呈現出先小幅下降后持續增長的變化特點，相對動彈模量和抗壓強度呈現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材料各方案的質量損失率明顯偏小，抗壓強度和相對動彈模量明顯偏大，說明摻加PCCA材料可以明顯提高膠凝砂礫石材料的抗凍融性能。

（3）結合試驗結果和工程的經濟性，PCCA材料的摻加量以0.03%為宜。