轻质颗粒对胶凝砂砾石耐久性的影响

张守杰,徐 龙,刘雨时,杨英姿

(1.黑龙江省水利科学研究院,黑龙江 哈尔滨 150080; 2.哈尔滨工业大学 土木工程学院,黑龙江 哈尔滨 150090)

轻质颗粒对胶凝砂砾石耐久性的影响

张守杰1,徐 龙2,刘雨时2,杨英姿2

(1.黑龙江省水利科学研究院,黑龙江 哈尔滨 150080; 2.哈尔滨工业大学 土木工程学院,黑龙江 哈尔滨 150090)

胶凝砂砾石坝具有水泥用量少、对骨料要求低、可就地取材等优点。由于胶凝砂砾石中的胶凝材料用量低的特点，其抗冻性及抗渗性较差。为使胶凝砂砾石筑坝技术在北方严寒地区进行推广，改善其抗冻性及抗渗性是非常重要的。本文研究了轻质颗粒对胶凝砂砾石耐久性的影响。试验结果表明，在胶凝砂砾石中掺入陶砂可明显改善其抗冻性和降低干燥收缩。此外，掺加轻质颗粒对胶凝砂砾石的抗渗性有一定的影响，但影响并不大。

严寒地区；胶凝砂砾石；耐久性；轻质颗粒

胶凝砂砾石(Cemented Sand and Gravel，简称CSG)坝是结合了碾压混凝土重力坝与混凝土面板堆石坝的优点而发展起来的一种新坝型[1]。其技术的核心是将天然砂砾石经过简单筛分后与适量胶结材料混合，大坝采用“金包银”的方式，可分别由不同的结构来承担其防渗功能和结构稳定功能。当前，在国内的胶凝砂砾石筑坝技术只是应用在一些临时性的工程——围堰工程中，且这些工程均处于我国的南方地区。如何将胶凝砂砾石筑坝技术应用于北方严寒地区仍是一个待解决的难题。

日本学者Matsumura等[2]对胶凝砂砾石进行了抗冻性试验，采用气冻水融的方式，试验结果表明，低强度胶凝砂砾石抗冻性能较差，但未提出如何改善胶凝砂砾石的抗冻性的方法。冯炜等[3]对胶凝砂砾石材料进行了耐久性测试，在胶凝砂砾石中掺入引气剂，采用气冻和水冻两种方式进行了抗冻性试验发现胶凝砂砾石耐水冻性较差，而耐气冻性较好；掺加少量引气剂后有一定改善；采用富浆胶凝砂砾石可提高胶凝砂砾石的抗冻性及抗渗性。而且，由于胶凝砂砾石在成型时需要对其进行碾压，与干硬性的碾压混凝土类似，故掺加传统引气剂后气泡形成困难，使用效果受到影响。

本文所指的轻质颗粒是一种具有弹性或内部多孔隙的固体掺加剂，当混凝土受到冻融破坏时，它可以缓解混凝土的冻胀应力。本试验选取的轻质颗粒分别为陶砂和EPS粒子。陶砂与EPS粒子均有应用于轻集料混凝土或保温材料中，但是，关于轻集料混凝土抗冻性的研究还较少[4]，只有少数实验室有数据报道。

为了提高胶凝砂砾石的耐久性，本文采用陶砂、EPS粒子轻质颗粒，类似于“固体引气剂”添加到胶凝砂砾石中，重点考察其对胶凝砂砾石的抗冻性、抗渗性和干燥收缩的影响。

1 材料及试验方法

1.1 原材料

天然砂砾石为黑龙江省依兰河流域河床天然骨料，砂石中含泥量及砾石中泥块含量如表1所示；水泥来源于哈尔滨亚泰水泥厂生产的天鹅牌P.O.42.5水泥，其性能指标及化学成分如表2和表3所示；粉煤灰是哈尔滨双达粉煤灰厂生产的Ⅰ级粉煤灰；减水剂为哈尔滨工业大学强石外加剂厂生产的聚羧酸类高效减水剂； EPS粒子为哈尔滨鸿盛建筑材料制造股份有限公司生产的原发EPS，主要参数见表4所示；陶砂为宜昌宝珠有限公司生产的700级陶砂，表观密度为1760 kg/m3，1h吸水率为6.0%，细度模数为1.7，陶砂的级配详见表5所示。

表1 砂砾石的颗粒级配及堆积密度

表2 P.O.42.5水泥的物理力学性能

表3 水泥的化学成分 wt.%

表4 EPS粒子主要性能指标

表5 陶砂的级配

1.2 试验方法

1.2.1 胶凝砂砾石抗冻性试验

胶凝砂砾石的抗冻性测试采用慢冻法。对于新拌胶凝砂砾石，采用维勃稠度仪测试其Vc值，并采用混凝土含气量筒测试其含气量。成型试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，成型2 d后脱模养护。试件成型时采用承压板及压重块进行加压成型，压重块和承压板的总质量按成型试件表面压强为4.9 kPa确定。将试件进行标准养护，在试件龄期结束前4 d取出试件进行水饱和。冻试件的评价方法采用质量损失率与相对动弹性模量。

1.2.2 胶凝砂砾石抗渗性试验

采用Torrent法测试胶凝砂砾石表面气体渗透性，它的测试时间依据渗透性的不同在1.5～12 min之内有所变动[5-6]。进行气体渗透试验的试件成型尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，成型2 d后脱模养护。将试件进行标准养护28 d后测试其气体渗透性。

1.2.3 胶凝砂砾石干燥收缩试验

收缩试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，试件成型时采用承压板及压重块进行成型，压重块和承压板的总质量按成型试件表面压强4.9 kPa确定。成型2 d后脱模养护，成型3 d后进行干燥收缩试验。本试验测试胶凝砂砾石的干燥收缩采用千分表进行测量。

胶凝砂砾石的干燥收缩率采用混凝土的干燥收缩率公式进行计算，混凝土的干燥收缩率公式如式(1)所示：

(1)

式中：εs t为混凝土在第t天时的收缩率，从测定初始长度开始计算；L0为混凝土试件的初始读数，mm；Lt为第t天时测得的试件读数，mm；Lb为试件的标准长度，取400 mm。

2 结果和讨论

2.1 胶凝砂砾石抗冻性及改善方法

轻质颗粒掺量分别为：陶砂以5.0%的体积取代胶凝砂砾石中的天然砂，EPS粒子按胶凝砂砾石体积的5.0%进行掺加。各组具体配合比如表6所示。

Vc值作为表征胶凝砂砾石工作性的重要参数，各组新拌胶凝砂砾石的Vc值与含气量如表7所示。

由于本试验所用砂砾石最大粒径为40 mm，试验所用试件的成型尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，故胶凝砂砾石不适宜采用快冻法进行抗冻性试验。采用慢冻法对胶凝砂砾石进行抗冻性试验时，每10次进行一次质量测试，每20次进行一次超声波无损检测。当胶凝砂砾石的质量损失率达到5.0%或其相对动弹性模量达到60%或冻融循环达到200次，试验停止。结束冻融试验后，将经受冻融破坏的试件进行抗压强度测试，观察其抗压强度损失程度。

表6 胶凝砂砾石冻融试验配合比

表7 新拌胶凝砂砾石Vc值及含气量

本试验所进行的胶凝砂砾石抗冻性试验进行了200次冻融循环，冻融循环前后各组胶凝砂砾石的抗压强度如表8所示。

表8 胶凝砂砾石冻融前后抗压强度对比

图1是掺加轻质颗粒后胶凝砂砾石的28 d抗压强度。从图1可以看出，掺加陶砂与EPS粒子的胶凝砂砾石28 d抗压强度略有增大。

图1 轻质颗粒种类对胶凝砂砾石抗压强度的影响

图2与图3分别是掺加不同轻质颗粒的胶凝砂砾石经过200次冻融循环的质量损失率与相对动弹性模量。

图2 掺加轻质颗粒的胶凝砂砾石冻融循环后质量损失率

图3 掺加轻质颗粒的胶凝砂砾石冻融循环后相对动弹性模量

图2中，基准组未掺加任何引气剂的胶凝砂砾石经过200次冻融循环后的质量损失率最大，其次为掺加EPS粒子的胶凝砂砾石，其余各组质量损失率相差不大。在前50次冻融循环时，各组胶凝砂砾石的质量损失率几乎为0，从50次冻融循环后相继出现不同程度的破坏，但是在50次～100次冻融循环之间，其质量损失缓慢，100次冻融循环后，试件破坏程度加剧，但是到200次冻融循环结束时，其质量损失率均未超过2.5%，试件仍具有抵抗冻融破坏的能力。图3中各组试件经过200次冻融循环后的相对动弹性模量均相差不大，但也都未低于80%。以上两图均表明试件仍具有抵抗冻融破坏的能力。

各组胶凝砂砾石在经过200次冻融循环后进行了抗压强度测试，各组试件的抗压强度损失率如图4所示。

从图4可以看出，掺加轻质颗粒后，胶凝砂砾石的抗冻性均不同程度的提高了，其中，掺加陶砂对其抗冻性的改善效果最佳，掺加EPS粒子对其抗冻性虽有一定的改善效果，但是效果不是十分明显。

2.2 胶凝砂砾石气体渗透性

胶凝砂砾石抗渗性试验结果如表9所示。

表9 胶凝砂砾石各组渗透性系数

从表9中可以看出，基准组的胶凝砂砾石的渗透系数为0.532×10-16m2，而掺加了陶砂与EPS粒子的胶凝砂砾石的渗透系数相较于基准组提高了许多，分别达到了1.515×10-16m2与1.292×10-16m2。掺加陶砂与EPS粒子后的胶凝砂砾石的渗透系数相较于基准组均几乎大了一个数量级，表明了掺加陶砂与EPS粒子后使胶凝砂砾石的抗渗性均下降了许多。由于陶砂是多孔隙的轻集料，掺加陶砂后，在一定程度上使胶凝砂砾石内部孔隙通道连通，降低了其抗渗性。掺加EPS粒子后，EPS粒子表明光滑，EPS粒子与胶凝砂砾石中水泥石的黏结程度差，其黏结界面效果不佳，使胶凝砂砾石内部连通孔隙增多，抗渗性下降。

2.3 胶凝砂砾石干燥收缩

加轻质颗粒对胶凝砂砾石干燥收缩的影响如图5所示。

图5 不同轻质颗粒的胶凝砂砾石干燥收缩

从图5可以看出，掺入陶砂的胶凝砂砾石的干燥收缩值从7 d左右开始明显低于基准组；到28 d试验结束时，掺加陶砂的胶凝砂砾石的干燥收缩为205×10-6，小于基准组的245×10-6。分析其原因是由于陶砂属于轻集料，其内部含有大量直径在10～100 μm之间的近似于球形的孔隙，在搅拌胶凝砂砾石的过程中，水分进入孔隙；随着胶凝砂砾石中水泥的水化，水泥石的相对湿度逐渐降低，故陶砂孔隙中的水逐渐向水泥石中迁移，促进水泥进一步水化，即陶砂中的水分子迁出对水泥石起到了内养护的作用；由于陶砂的内养护作用，从而使掺加了陶砂的胶凝砂砾石的干燥收缩相较于基准组的胶凝砂砾石的干燥收缩偏小，说明了在胶凝砂砾石中适量地掺加陶砂可改善其收缩性能。

3 结 论

为了将胶凝砂砾石筑坝材料在北方严寒地区推广应用，本文尝试了采用轻质颗粒改善胶凝砂砾石抗冻性；研究结果表明：轻质颗粒均可一定程度上改善胶凝砂砾石的抗冻性，其中陶砂效果良好，但EPS粒子效果不理想。掺加陶砂和EPS粒子一定程度上降低胶凝砂砾石的抗渗性。掺加陶砂可改善胶凝砂砾石的干燥收缩。

[1] 李新宇,任金明,陈永红,等.胶凝砂砾石筑坝技术进展及西部高寒高海拔地区应用展望[J].水利规划与设计,2012(5):32-36.

[2] Matsumura K, Higuchi K, Iwamoto Y. Freeze-thaw resistance and use of poor quality construction material[J]. Sabo Gakkaishi, 2004,57(4):60-65.

[3] 冯炜, 贾金生, 马锋玲. 胶凝砂砾石坝筑坝材料耐久性能研究及新型防护材料的研发[J]. 水利学报, 2013(4):500-504.

[4] 田耀刚, 胡曙光, 王发州, 等. 高强轻集料混凝土的抗冻性能研究[J]. 混凝土与水泥制品, 2006(2):15-17.

[5] 石亮, 吴烨, 刘建忠. TORRENT法测试混凝土空气渗透性能研究[J]. 混凝土与水泥制品, 2012(10):11-15.

[6] Torrent R, Denarié E, Jacobs F, et al. Specification and site control of the permeability of the cover concrete: The Swiss approach[J]. Materials and Corrosion, 2012,63(12):1127-1133.

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

黑龙江省水利厅科技攻关计划项目(201311)

张守杰(1964-)，山东肥城人，研究员级高级工程师，主要从事寒区水工材料研发与应用技术等方面研究。E-mail:zsj888265@sohu.com。

TV4

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2096-0506(2017)02-0001-05