張守杰,徐 龍,劉雨時(shí),楊英姿

(1.黑龍江省水利科學(xué)研究院,黑龍江 哈爾濱 150080; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150090)

輕質(zhì)顆粒對(duì)膠凝砂礫石耐久性的影響

張守杰1,徐 龍2,劉雨時(shí)2,楊英姿2

(1.黑龍江省水利科學(xué)研究院,黑龍江 哈爾濱 150080; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150090)

膠凝砂礫石壩具有水泥用量少、對(duì)骨料要求低、可就地取材等優(yōu)點(diǎn)。由于膠凝砂礫石中的膠凝材料用量低的特點(diǎn)，其抗凍性及抗?jié)B性較差。為使膠凝砂礫石筑壩技術(shù)在北方嚴(yán)寒地區(qū)進(jìn)行推廣，改善其抗凍性及抗?jié)B性是非常重要的。本文研究了輕質(zhì)顆粒對(duì)膠凝砂礫石耐久性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，在膠凝砂礫石中摻入陶砂可明顯改善其抗凍性和降低干燥收縮。此外，摻加輕質(zhì)顆粒對(duì)膠凝砂礫石的抗?jié)B性有一定的影響，但影響并不大。

嚴(yán)寒地區(qū)；膠凝砂礫石；耐久性；輕質(zhì)顆粒

膠凝砂礫石(Cemented Sand and Gravel，簡(jiǎn)稱(chēng)CSG)壩是結(jié)合了碾壓混凝土重力壩與混凝土面板堆石壩的優(yōu)點(diǎn)而發(fā)展起來(lái)的一種新壩型[1]。其技術(shù)的核心是將天然砂礫石經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單篩分后與適量膠結(jié)材料混合，大壩采用“金包銀”的方式，可分別由不同的結(jié)構(gòu)來(lái)承擔(dān)其防滲功能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定功能。當(dāng)前，在國(guó)內(nèi)的膠凝砂礫石筑壩技術(shù)只是應(yīng)用在一些臨時(shí)性的工程——圍堰工程中，且這些工程均處于我國(guó)的南方地區(qū)。如何將膠凝砂礫石筑壩技術(shù)應(yīng)用于北方嚴(yán)寒地區(qū)仍是一個(gè)待解決的難題。

日本學(xué)者M(jìn)atsumura等[2]對(duì)膠凝砂礫石進(jìn)行了抗凍性試驗(yàn)，采用氣凍水融的方式，試驗(yàn)結(jié)果表明，低強(qiáng)度膠凝砂礫石抗凍性能較差，但未提出如何改善膠凝砂礫石的抗凍性的方法。馮煒等[3]對(duì)膠凝砂礫石材料進(jìn)行了耐久性測(cè)試，在膠凝砂礫石中摻入引氣劑，采用氣凍和水凍兩種方式進(jìn)行了抗凍性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)膠凝砂礫石耐水凍性較差，而耐氣凍性較好；摻加少量引氣劑后有一定改善；采用富漿膠凝砂礫石可提高膠凝砂礫石的抗凍性及抗?jié)B性。而且，由于膠凝砂礫石在成型時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行碾壓，與干硬性的碾壓混凝土類(lèi)似，故摻加傳統(tǒng)引氣劑后氣泡形成困難，使用效果受到影響。

本文所指的輕質(zhì)顆粒是一種具有彈性或內(nèi)部多孔隙的固體摻加劑，當(dāng)混凝土受到凍融破壞時(shí)，它可以緩解混凝土的凍脹應(yīng)力。本試驗(yàn)選取的輕質(zhì)顆粒分別為陶砂和EPS粒子。陶砂與EPS粒子均有應(yīng)用于輕集料混凝土或保溫材料中，但是，關(guān)于輕集料混凝土抗凍性的研究還較少[4]，只有少數(shù)實(shí)驗(yàn)室有數(shù)據(jù)報(bào)道。

為了提高膠凝砂礫石的耐久性，本文采用陶砂、EPS粒子輕質(zhì)顆粒，類(lèi)似于“固體引氣劑”添加到膠凝砂礫石中，重點(diǎn)考察其對(duì)膠凝砂礫石的抗凍性、抗?jié)B性和干燥收縮的影響。

1 材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

天然砂礫石為黑龍江省依蘭河流域河床天然骨料，砂石中含泥量及礫石中泥塊含量如表1所示；水泥來(lái)源于哈爾濱亞泰水泥廠生產(chǎn)的天鵝牌P.O.42.5水泥，其性能指標(biāo)及化學(xué)成分如表2和表3所示；粉煤灰是哈爾濱雙達(dá)粉煤灰廠生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰；減水劑為哈爾濱工業(yè)大學(xué)強(qiáng)石外加劑廠生產(chǎn)的聚羧酸類(lèi)高效減水劑； EPS粒子為哈爾濱鴻盛建筑材料制造股份有限公司生產(chǎn)的原發(fā)EPS，主要參數(shù)見(jiàn)表4所示；陶砂為宜昌寶珠有限公司生產(chǎn)的700級(jí)陶砂，表觀密度為1760 kg/m3，1h吸水率為6.0%，細(xì)度模數(shù)為1.7，陶砂的級(jí)配詳見(jiàn)表5所示。

表1 砂礫石的顆粒級(jí)配及堆積密度

表2 P.O.42.5水泥的物理力學(xué)性能

表3 水泥的化學(xué)成分 wt.%

表4 EPS粒子主要性能指標(biāo)

表5 陶砂的級(jí)配

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 膠凝砂礫石抗凍性試驗(yàn)

膠凝砂礫石的抗凍性測(cè)試采用慢凍法。對(duì)于新拌膠凝砂礫石，采用維勃稠度儀測(cè)試其Vc值，并采用混凝土含氣量筒測(cè)試其含氣量。成型試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，成型2 d后脫模養(yǎng)護(hù)。試件成型時(shí)采用承壓板及壓重塊進(jìn)行加壓成型，壓重塊和承壓板的總質(zhì)量按成型試件表面壓強(qiáng)為4.9 kPa確定。將試件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，在試件齡期結(jié)束前4 d取出試件進(jìn)行水飽和。凍試件的評(píng)價(jià)方法采用質(zhì)量損失率與相對(duì)動(dòng)彈性模量。

1.2.2 膠凝砂礫石抗?jié)B性試驗(yàn)

采用Torrent法測(cè)試膠凝砂礫石表面氣體滲透性，它的測(cè)試時(shí)間依據(jù)滲透性的不同在1.5～12 min之內(nèi)有所變動(dòng)[5-6]。進(jìn)行氣體滲透試驗(yàn)的試件成型尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，成型2 d后脫模養(yǎng)護(hù)。將試件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后測(cè)試其氣體滲透性。

1.2.3 膠凝砂礫石干燥收縮試驗(yàn)

收縮試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，試件成型時(shí)采用承壓板及壓重塊進(jìn)行成型，壓重塊和承壓板的總質(zhì)量按成型試件表面壓強(qiáng)4.9 kPa確定。成型2 d后脫模養(yǎng)護(hù)，成型3 d后進(jìn)行干燥收縮試驗(yàn)。本試驗(yàn)測(cè)試膠凝砂礫石的干燥收縮采用千分表進(jìn)行測(cè)量。

膠凝砂礫石的干燥收縮率采用混凝土的干燥收縮率公式進(jìn)行計(jì)算，混凝土的干燥收縮率公式如式(1)所示：

(1)

式中：εs t為混凝土在第t天時(shí)的收縮率，從測(cè)定初始長(zhǎng)度開(kāi)始計(jì)算；L0為混凝土試件的初始讀數(shù)，mm；Lt為第t天時(shí)測(cè)得的試件讀數(shù)，mm；Lb為試件的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度，取400 mm。

2 結(jié)果和討論

2.1 膠凝砂礫石抗凍性及改善方法

輕質(zhì)顆粒摻量分別為：陶砂以5.0%的體積取代膠凝砂礫石中的天然砂，EPS粒子按膠凝砂礫石體積的5.0%進(jìn)行摻加。各組具體配合比如表6所示。

Vc值作為表征膠凝砂礫石工作性的重要參數(shù)，各組新拌膠凝砂礫石的Vc值與含氣量如表7所示。

由于本試驗(yàn)所用砂礫石最大粒徑為40 mm，試驗(yàn)所用試件的成型尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，故膠凝砂礫石不適宜采用快凍法進(jìn)行抗凍性試驗(yàn)。采用慢凍法對(duì)膠凝砂礫石進(jìn)行抗凍性試驗(yàn)時(shí)，每10次進(jìn)行一次質(zhì)量測(cè)試，每20次進(jìn)行一次超聲波無(wú)損檢測(cè)。當(dāng)膠凝砂礫石的質(zhì)量損失率達(dá)到5.0%或其相對(duì)動(dòng)彈性模量達(dá)到60%或凍融循環(huán)達(dá)到200次，試驗(yàn)停止。結(jié)束凍融試驗(yàn)后，將經(jīng)受凍融破壞的試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，觀察其抗壓強(qiáng)度損失程度。

表6 膠凝砂礫石凍融試驗(yàn)配合比

表7 新拌膠凝砂礫石Vc值及含氣量

本試驗(yàn)所進(jìn)行的膠凝砂礫石抗凍性試驗(yàn)進(jìn)行了200次凍融循環(huán)，凍融循環(huán)前后各組膠凝砂礫石的抗壓強(qiáng)度如表8所示。

表8 膠凝砂礫石凍融前后抗壓強(qiáng)度對(duì)比

圖1是摻加輕質(zhì)顆粒后膠凝砂礫石的28 d抗壓強(qiáng)度。從圖1可以看出，摻加陶砂與EPS粒子的膠凝砂礫石28 d抗壓強(qiáng)度略有增大。

圖1 輕質(zhì)顆粒種類(lèi)對(duì)膠凝砂礫石抗壓強(qiáng)度的影響

圖2與圖3分別是摻加不同輕質(zhì)顆粒的膠凝砂礫石經(jīng)過(guò)200次凍融循環(huán)的質(zhì)量損失率與相對(duì)動(dòng)彈性模量。

圖2 摻加輕質(zhì)顆粒的膠凝砂礫石凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率

圖3 摻加輕質(zhì)顆粒的膠凝砂礫石凍融循環(huán)后相對(duì)動(dòng)彈性模量

圖2中，基準(zhǔn)組未摻加任何引氣劑的膠凝砂礫石經(jīng)過(guò)200次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率最大，其次為摻加EPS粒子的膠凝砂礫石，其余各組質(zhì)量損失率相差不大。在前50次凍融循環(huán)時(shí)，各組膠凝砂礫石的質(zhì)量損失率幾乎為0，從50次凍融循環(huán)后相繼出現(xiàn)不同程度的破壞，但是在50次～100次凍融循環(huán)之間，其質(zhì)量損失緩慢，100次凍融循環(huán)后，試件破壞程度加劇，但是到200次凍融循環(huán)結(jié)束時(shí)，其質(zhì)量損失率均未超過(guò)2.5%，試件仍具有抵抗凍融破壞的能力。圖3中各組試件經(jīng)過(guò)200次凍融循環(huán)后的相對(duì)動(dòng)彈性模量均相差不大，但也都未低于80%。以上兩圖均表明試件仍具有抵抗凍融破壞的能力。

各組膠凝砂礫石在經(jīng)過(guò)200次凍融循環(huán)后進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度測(cè)試，各組試件的抗壓強(qiáng)度損失率如圖4所示。

從圖4可以看出，摻加輕質(zhì)顆粒后，膠凝砂礫石的抗凍性均不同程度的提高了，其中，摻加陶砂對(duì)其抗凍性的改善效果最佳，摻加EPS粒子對(duì)其抗凍性雖有一定的改善效果，但是效果不是十分明顯。

2.2 膠凝砂礫石氣體滲透性

膠凝砂礫石抗?jié)B性試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 膠凝砂礫石各組滲透性系數(shù)

從表9中可以看出，基準(zhǔn)組的膠凝砂礫石的滲透系數(shù)為0.532×10-16m2，而摻加了陶砂與EPS粒子的膠凝砂礫石的滲透系數(shù)相較于基準(zhǔn)組提高了許多，分別達(dá)到了1.515×10-16m2與1.292×10-16m2。摻加陶砂與EPS粒子后的膠凝砂礫石的滲透系數(shù)相較于基準(zhǔn)組均幾乎大了一個(gè)數(shù)量級(jí)，表明了摻加陶砂與EPS粒子后使膠凝砂礫石的抗?jié)B性均下降了許多。由于陶砂是多孔隙的輕集料，摻加陶砂后，在一定程度上使膠凝砂礫石內(nèi)部孔隙通道連通，降低了其抗?jié)B性。摻加EPS粒子后，EPS粒子表明光滑，EPS粒子與膠凝砂礫石中水泥石的黏結(jié)程度差，其黏結(jié)界面效果不佳，使膠凝砂礫石內(nèi)部連通孔隙增多，抗?jié)B性下降。

2.3 膠凝砂礫石干燥收縮

加輕質(zhì)顆粒對(duì)膠凝砂礫石干燥收縮的影響如圖5所示。

圖5 不同輕質(zhì)顆粒的膠凝砂礫石干燥收縮

從圖5可以看出，摻入陶砂的膠凝砂礫石的干燥收縮值從7 d左右開(kāi)始明顯低于基準(zhǔn)組；到28 d試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，摻加陶砂的膠凝砂礫石的干燥收縮為205×10-6，小于基準(zhǔn)組的245×10-6。分析其原因是由于陶砂屬于輕集料，其內(nèi)部含有大量直徑在10～100 μm之間的近似于球形的孔隙，在攪拌膠凝砂礫石的過(guò)程中，水分進(jìn)入孔隙；隨著膠凝砂礫石中水泥的水化，水泥石的相對(duì)濕度逐漸降低，故陶砂孔隙中的水逐漸向水泥石中遷移，促進(jìn)水泥進(jìn)一步水化，即陶砂中的水分子遷出對(duì)水泥石起到了內(nèi)養(yǎng)護(hù)的作用；由于陶砂的內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用，從而使摻加了陶砂的膠凝砂礫石的干燥收縮相較于基準(zhǔn)組的膠凝砂礫石的干燥收縮偏小，說(shuō)明了在膠凝砂礫石中適量地?fù)郊犹丈翱筛纳破涫湛s性能。

3 結(jié) 論

為了將膠凝砂礫石筑壩材料在北方嚴(yán)寒地區(qū)推廣應(yīng)用，本文嘗試了采用輕質(zhì)顆粒改善膠凝砂礫石抗凍性；研究結(jié)果表明：輕質(zhì)顆粒均可一定程度上改善膠凝砂礫石的抗凍性，其中陶砂效果良好，但EPS粒子效果不理想。摻加陶砂和EPS粒子一定程度上降低膠凝砂礫石的抗?jié)B性。摻加陶砂可改善膠凝砂礫石的干燥收縮。

[1] 李新宇,任金明,陳永紅,等.膠凝砂礫石筑壩技術(shù)進(jìn)展及西部高寒高海拔地區(qū)應(yīng)用展望[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì),2012(5):32-36.

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Effects of lightweight particles on the durability of cemented sand and gravel

ZHANG Shoujie1, XU Long2, LIU Yushi2，YANG Yingzi2

(1.HeilongjiangProvinceHydraulicResearchInstitute，Harbin150080,China;2.HarbinInstituteofTechnology,SchoolofCivilEngineering,Harbin150090,China)

The Cemented Sand and Gravel (CSG) Dam has the advantages of less cement, low demand for aggregate, using local materials, etc. However, due to the less cementitious materials in the CSG, it has poor durability. In order to make CSG be used widely in the cold regions, it is quite important to improve the durability of CSG. This paper investigates the effects of the lightweight particles on the durability of CSG. The results show that the addition of ceramic sand into CSG can improve its freezing resistance and drying shrinkage. In addition, the gas anti-permeability of CSG has been affected by lightweight particles to some extent, but not very distinct.

cold regions; cemented sand and gravel; durability; lightweight particles

黑龍江省水利廳科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(201311)

張守杰(1964-)，山東肥城人，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要從事寒區(qū)水工材料研發(fā)與應(yīng)用技術(shù)等方面研究。E-mail:zsj888265@sohu.com。

TV4

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2096-0506(2017)02-0001-05