PNC- 803添加剂对大坝面板混凝土性能影响的试验研究

2022-03-09杨明会

水利技术监督 2022年2期

杨明会

(喀左县农田建设管理中心，辽宁喀左 122300)

1 研究背景

在混凝土面板堆石坝设计建设过程中，面板的质量会对大坝的安全稳定性和抗渗性产生至关重要的影响[1]。混凝土作为面板的主要材料，其力学性能、抗渗性和长期稳定性是大坝长期安全服役的重要基础。因此，提高面板混凝土材料的性能是科研工作者的长期追求目标。一般来说，普通混凝土在硬化过程中会受到温度、干湿变化以及荷载等多种因素的作用和影响，在内部存在大量的微裂缝和毛细孔隙。这一缺陷会给水以及以水为载体的其他有害物质的渗入提供了通道，进而对混凝土性能，特别是耐久性造成严重的不利影响，降低混凝土的抗渗性，缩短混凝土的使用寿命[2]。面对大坝混凝土面板特殊的服役条件，必须采取有效措施，提高混凝土的抗渗性。在为数众多的混凝土防渗措施中，水泥基渗透结晶型防水材料不仅可以作为防渗涂料，还可以作为添加剂使用，在提升混凝土抗渗性能方面具有显著的作用和价值[3]。近年来，国内学者对各种不同品牌水泥基渗透结晶型添加剂展开广泛研究，并取得了诸多有价值的研究成果，为该添加剂的工程应用提供了必要的支持[4]。PNC- 803是水泥基渗透结晶型防水材料，由波兰特水泥、特选石英砂以及多种活性化学物质配置而成，具有广阔的应用和发展前景。此次研究通过室内试验的方式，探讨PNC- 803对大坝面板混凝土力学性能、渗透性和耐久性的影响，为其在水工混凝土领域的推广应用提供有益的支持和借鉴。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

此次试验使用的水泥为亚泰集团哈尔滨水泥有限公司生产的天鹅牌P.O42.5普通硅酸盐水泥，其比表面积大于360m2/kg；初凝和终凝时间分别为195min和245min，28d抗压强度和抗折强度分别为53.5MPa和8.5MPa；试验用粉煤灰为本溪市第一热电厂生产的Ⅰ级粉煤灰，其细度为9.22%，需水量为91%，烧失量为5.0%。

矿粉是高炉矿渣经干燥研磨而成的微粉，作为掺合料取代部分水泥，它不仅可以降低工程成本，还可以改善混凝土的性能[5]。此次试验使用矿粉来自本溪新融矿粉厂，其样本的比表面积为4633m2/kg，氯离子含量小于0.06%。

试验用细骨料为天然河沙，其细度模数为2.4，表观密度为2.725g/cm3，含泥量为0.1%；试验用粗集料为人工石灰岩碎石，粒径范围为4.5～22.5mm，级配良好，压碎率为4.2%。

PNC- 803是一种无毒、无味、水泥灰色的环保产品，在添加进混凝土之后，可以和混凝土中的水与氢氧化钙等发生化学反应，生成不溶于水的结晶，达到封堵混凝土内部毛细管和裂缝的目的，进而提高混凝土抗渗性和抗侵蚀能力[6]。试验用PNC- 803添加剂由美国PENETRON国际有限公司生产，其含水率为0.3%，减水率为3%，含气量为0.5%，28d收缩比率为103%，7d和28d抗压强度比分别为118%和111%。试验用减水剂为新疆宏力新型材料有限公司生产的聚羟酸高效减水剂，其减水率为14%，推荐掺量为0.2%；试验用水为试验地的普通自来水。

2.2 试块制备

在试块的制作过程中，先将细集料和粗集料加入搅拌机中搅拌30s，然后加入水泥、粉煤灰和矿粉继续搅拌30s，最后加入水、减水剂和PNC- 803添加剂搅拌120s。将拌制完成的混凝土装入相应的试模中，然后放在振动台上振捣30s左右。在振捣过程中要注意时间的掌控，时间过短不利于提高密实度，过长则会出现泌水现象，都不利于获得科学的试验结果[7]。将制作好的试件放在阴凉通风处静置24h拆模编号，然后放入标准养护室养护至试验规定龄期[8]。

2.3 试验方法

为了研究PNC- 803添加剂的不同掺量对面板混凝土性能的影响，结合相关工程经验和研究成果，确定0%、0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%这6种不同的掺加比例进行试验[9]。抗压强度试验采用150mm×150mm×150mm标准试件，试验设备为KN2000型液压式压力试验机，在试验过程中按照0.3MPa/s的加载速率进行试验直至试件破坏，并记录好破坏荷载[10]。抗渗试验采用圆台状试件，其顶端和底端直径分别为175mm和185mm，高度为150mm。试验采用的是天津市建仪试验仪器厂生产的抗渗仪。试块的抗冻性采用150mm×150mm×150mm标准试件，试验采用自动循环冻融机，每次循环8h，根据试验数据，计算获取不同冻融循环次数下的试件质量损失率，并据此评价混凝土的抗冻性能[11]。

3 试验结果与分析

3.1 抗压强度

对不同PNC- 803掺量水平，养护龄期分别为3、7和28d龄期试块进行抗压强度试验，每组试验方案测试3个试块，以其均值作为最终试验结果。根据试验中获取的数据，计算出不同试验方案的抗压强度值，结果见表1。根据表格中的数据，绘制出如图1所示的不同龄期条件下混凝土的抗压强度随PNC- 803掺量的变化曲线。结合表1和图1可以看出，不掺加PNC- 803的普通混凝土在各个龄期的抗压强度均可以达到设计强度，具有一定的对照意义。从试验结果来看，在普通混凝土中掺加PNC- 803添加剂可以显著提高混凝土的抗压强度，具有一定的工程应用价值。从具体的变化趋势来看，在各个龄期下，混凝土的抗压强度均随着PNC- 803添加剂掺量的增加呈现出先增大后减小的变化特点。当掺量小于0.9%时，混凝土强度呈现出增加趋势，当掺量大于0.9%时，抗压强度呈现出下降趋势。究其原因，当混凝土中掺入少量PNC- 803添加剂时，其结晶物会填充混凝土中的孔隙和微裂缝，有助于提升混凝土的密实度，但是过量掺入会由于结晶物的微膨胀作用产生轻微和细小孔隙，影响其密实度，因此抗压强度呈现出先增大后减小的变化特点。总之，从抗压强度来看，掺加量以0.9%为宜。

表1 抗压强度试验结果

图1 抗压强度随PNC- 803掺量变化曲线

3.2 抗渗性

研究中对不同PNC- 803掺量方案下试件进行抗渗性试验，每组试验测试六个试件，以其均值作为最终试验结果，其具体的试验数据见表2。根据表中的试验数据，绘制出如图2所示的渗水高度随PNC- 803掺量的变化曲线。由试验结果可以看出，在掺加PNC- 803添加剂的情况下，混凝土试件的渗水高度明显减小，说明掺加PNC- 803添加剂可以有效提升大坝面板混凝土的抗渗性，其原因和抗压强度类似，这里不再敷述。从图2的变化曲线来看，混凝土试件的渗水高度随着PNC- 803添加剂掺量的增加呈现出先减小后增加的变化趋势，当掺量为0.9%时，渗水高度最小。由此可见，在面板混凝土中掺加0.9%的PNC- 803添加剂可以获得最佳抗渗效果。

表2 混凝土试件渗水高度试验结果

图2 渗水高度随PNC- 803掺量变化曲线

3.3 抗冻性

由于北方寒区大坝面板会受到冬春季冻融循环的严重影响，因此抗冻融性能也是影响面板混凝土耐久性的重要指标。基于此，研究中对不同PNC- 803掺量的面板混凝土试件进行冻融试验，根据试验数据计算获取20、40、60次冻融循环条件下试件的质量损失率，结果见表3。根据表中的数据，绘制出如图3所示的质量损失率随PNC- 803掺量变化曲线。由图可知，掺加PNC- 803方案下的混凝土质量损失率明显偏小，说明在面板混凝土中掺入PNC- 803添加剂可以降低面板混凝土的冻融破坏，提高北方寒区冻融循环作用下的面板耐久性。从图3可以看出，试件的质量损失率随着PNC- 803掺量的增加呈现出先减小后增大的变化特征，当掺量水平为0.9%时的质量损失率最小，为最佳掺量。