基于SAP 內(nèi)養(yǎng)護(hù)的混凝土力學(xué)及收縮特性研究

■張本航 劉 帥

（1.中交第二航務(wù)局有限公司，武漢 430040；2.中交二航局第五工程分公司，武漢 430014）

水泥混凝土自問世以來便迅速成為公路路面的主要形式， 近年來水泥混凝土路面更是在我國公路路面中占比70%以上，隨著國家“十四五”規(guī)劃及交通強(qiáng)國戰(zhàn)略的展開， 水泥混凝土路面將在我國交通現(xiàn)代化建設(shè)中承擔(dān)更為重要的責(zé)任。 然而水泥混凝土路面由于早期內(nèi)部水分較少， 再加上暴露在空氣中水分蒸發(fā)作用較大， 導(dǎo)致混凝土內(nèi)部用于自身水化用水不足，導(dǎo)致膠凝材料水化不充分，從而影響水泥混凝土的強(qiáng)度發(fā)展[1-3]。 另外水泥混凝土內(nèi)部水分的不足將導(dǎo)致混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔隙失水， 從而引起毛細(xì)孔負(fù)壓增大，進(jìn)而引發(fā)混凝土的收縮，從而誘發(fā)混凝土開裂。因此混凝土內(nèi)部水分的補(bǔ)充將是提升混凝土強(qiáng)度及解決混凝土抗裂性不足的根本方法[4-6]。

目前，利用超吸水性樹脂（SAP）獨(dú)特的吸釋水特性在混凝土內(nèi)部引入水分，成為解決上述問題的最有效方法之一[5-7]。SAP 能夠通過自身的吸水特性在混凝土拌合期便吸收足夠的水分，在混凝土內(nèi)部形成微型“蓄水池”，隨后在養(yǎng)護(hù)期內(nèi)，當(dāng)混凝土內(nèi)部水分不足時及時釋水分，以此在混凝土內(nèi)部形成內(nèi)養(yǎng)護(hù)[8-10]。

本研究將通過研究SAP 不同粒徑及摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度及干燥收縮等性能的影響，從而得出SAP 對混凝土力學(xué)強(qiáng)度及收縮的作用規(guī)律，為SAP 在水泥混凝土工程中的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

本研究選用P .II 52.5 硅酸鹽水泥， 比表面積為330 m2/kg，初凝時間160 min，終凝時間216 min，28 d 抗壓強(qiáng)度為68.2 MPa，28 d 抗折強(qiáng)度為9.6 MPa。 粉煤灰選用符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的I 級粉煤灰，細(xì)度為270 m2/kg。 粗集料選用粒徑為4.75～9.5 mm和9.5～19 mm 的石灰?guī)r碎石，堆積密度最大時兩檔料的比例為3∶7，滿足規(guī)范合成級配要求。 細(xì)集料采用細(xì)度模數(shù)為2.91 的中砂， 其表觀密度為2600 kg/m3。 為提升混凝土的施工和易性，選用減水率為26%的聚羧酸高性能減水劑作為外加劑，同時采用用普通市政自來水作為拌合用水。 SAP 選用30～60 目、60～100 目、100～120 目3 種粒徑的聚丙烯酸鈉型SAP 顆粒，3 種粒徑SAP （吸液時間30 min）在水泥漿體中的吸液倍率分別為48、36、29（水泥漿體按照表1 中配置）。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

本研究以W/B=0.31 配置強(qiáng)度等級為C50 的混凝土為基準(zhǔn)混凝土， 其7 d、28 d 抗壓強(qiáng)度分別為47.75 MPa、58.5 MPa，7 d、28 d 抗彎拉強(qiáng)度分別5.64 MPa、6.52 MPa。

本研究考慮到實(shí)際工程應(yīng)用過程中應(yīng)以SAP飽和吸水為條件，因此試驗(yàn)過程中均控制SAP 飽和吸水，從而研究SAP 粒徑及摻量對混凝土性能的影響。 SAP 吸水量（內(nèi)養(yǎng)護(hù)水量）計(jì)算方法參考Powers理論公式，如公式（1）所示。 由公式（1）計(jì)算所得理論內(nèi)養(yǎng)護(hù)水量， 并由SAP 吸液倍率計(jì)算出SAP 理論摻量，對理論SAP 摻量上下波動0.05%研究SAP摻量對混凝土性能的影響。 因此計(jì)算所得混凝土配合比見表1。

表1 混凝土配合比

式中：Wie為內(nèi)養(yǎng)護(hù)水量，B 為膠凝材料質(zhì)量。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

混凝土力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3420-2020） 分別成型100 mm×100 mm×100 mm 立方體試件及100 mm×100 mm×400 mm 梁形試件， 每組設(shè)置3 個平行試件，分別測試其7 d、28 d 的抗壓強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度。

利用100 mm×100 mm×400 mm 梁形試件進(jìn)行了混凝土的干燥收縮試驗(yàn)，通過MIC-YWC-5 位移傳感器和MIC-DCV-4 數(shù)據(jù)接收設(shè)備對混凝土28 d收縮情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，采集時間間隔為1 h，試驗(yàn)環(huán)境溫度控制為（20±2）℃，外界相對濕度（RH）保持在60%±5%。

2 結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)強(qiáng)度

由圖1 可知，總體而言SAP 的摻加對混凝土抗壓及抗彎拉強(qiáng)度影響不大。 對于抗壓強(qiáng)度及抗彎拉強(qiáng)度而言， 較大粒徑SAP 的摻入對混凝土影響較小，甚至對混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響，隨著SAP 粒徑的減小， 混凝土的強(qiáng)度將會得到一些提升，100～120 目SAP 對混凝土強(qiáng)度的提高作用最大，7 d、28 d抗壓強(qiáng)度最大可分別提高12%、10.4%，7 d、28 d 抗彎拉強(qiáng)度最大可分別提高7.6%、6.4%。 另一方面，SAP 參數(shù)對混凝土力學(xué)強(qiáng)度的提升效果存在最佳粒徑，一般來說，隨著SAP 摻量的增大，混凝土抗壓強(qiáng)度及抗彎拉強(qiáng)度均表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，當(dāng)SAP 摻量較小或者較大時，混凝土的抗壓強(qiáng)度及抗彎拉強(qiáng)度均有可能小于對照組混凝土。 在Powers理論摻量系下，30～60 目、60～100 目、100～120 目SAP 組混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度分別較無SAP 組提升2.7%、8.6%、10.4%，28 d 抗彎拉強(qiáng)度分別較無SAP組提升-2.8%、0.8%、6.4%。

圖1 SAP 粒徑及摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由此可見，較大粒徑的SAP 對混凝土的強(qiáng)度可能會產(chǎn)生輕微不利影響， 但仍能滿足規(guī)范要求，較小粒徑SAP 對混凝土力學(xué)強(qiáng)度有一定的提升作用。同時，SAP 對混凝土強(qiáng)度的提升作用存在最佳摻量，在最佳摻量下SAP 對混凝土強(qiáng)度的提升效果最好。 分析其原因可能在于，在合適的SAP 粒徑及摻量條件下，SAP 自身特殊的吸釋水特性可以在混凝土內(nèi)部水分缺少時及時補(bǔ)水，從而使得膠凝材料充分水化，使得混凝土內(nèi)部更加致密，提升混凝土界面過渡區(qū)的力學(xué)強(qiáng)度，從而在一定程度上提升混凝土的抗壓及抗彎拉強(qiáng)度。

2.2 干燥收縮

經(jīng)計(jì)算， 混凝土的干燥收縮變形監(jiān)測結(jié)果見圖2（對于SAP 摻量對混凝土干燥收縮的影響，僅選擇最佳粒徑組進(jìn)行分析）。

圖2 混凝土干燥收縮變形

由圖2 可知，SAP 的摻入顯著減少了混凝土養(yǎng)護(hù)全齡期內(nèi)的干燥收縮，28 d 齡期時對混凝土干縮變形值的減少率均在27%以上。 分析1#、3#、6# 及9# 組可知，隨著SAP 粒徑的減小，混凝土的干燥收縮變形值越小，SAP 對混凝土干燥收縮的抑制效果越好。 在Powers 理論摻量下，30～60 目、60～100 目、100 ～120 目SAP 在28 d 齡期時可分別降低27.22%、41.96%、62.4%的干燥收縮變形值。 分析8#、9#、10# 組可知， 對于同一粒徑SAP， 隨著SAP摻量的增加，混凝土的干燥收縮變形之基本呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，因此SAP 對混凝土干燥收縮的抑制效果也存在最佳摻量，100 ～120 目SAP 在0.14%、0.19%、0.24%這種摻量下，混凝土28 d 干燥收縮變形值分別降低了47.3%、62.4%、38.7%。 在最佳摻量下，SAP 大幅度減小混凝土的干燥收縮變形值，使混凝土的干燥收縮發(fā)展更平緩。

分析其原因在于，一方面SAP 在混凝土內(nèi)部及時釋水， 補(bǔ)充混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔內(nèi)的水分散失，抑制毛細(xì)孔壓力的增大，因此可以對混凝土的干燥收縮起到良好的養(yǎng)護(hù)效果。然而較大粒徑SAP 在混凝土中分散性不如較小SAP，因此較小粒徑SAP 養(yǎng)護(hù)范圍更廣，因此取得更好的內(nèi)養(yǎng)護(hù)效果，對混凝土的干燥收縮抑制效果更好。 另一方面，對于同一粒徑SAP，當(dāng)SAP 摻量較小時，同樣會造成SAP 內(nèi)養(yǎng)護(hù)范圍不足，混凝土內(nèi)部部分區(qū)域未得到水分的補(bǔ)充， 因此， 養(yǎng)護(hù)效果較差， 而當(dāng)SAP 摻量較大時，SAP 顆粒又容易結(jié)團(tuán)， 從而使得SAP 顆粒變大，因此養(yǎng)護(hù)效果也會變差。

綜上所述，SAP 摻入混凝土可以起到顯著的干燥收縮抑制效果， 當(dāng)SAP 粒徑較小且摻量合適時，SAP 對混凝土干燥收縮的抑制能力最強(qiáng)。

3 結(jié)論

本研究通過研究不同粒徑及摻量的飽和吸液狀態(tài)SAP 對混凝土抗壓強(qiáng)度及抗彎拉強(qiáng)度的影響，得到如下結(jié)論：（1）SAP 粒徑越小，對混凝土的力學(xué)強(qiáng)度提升作用越好，100～120 目SAP 最大可提升混凝土10.4%的28 d 抗壓強(qiáng)度及6.4%的28 d 抗彎拉強(qiáng)度。 （2）SAP 對混凝凝土的力學(xué)強(qiáng)度提升作用存在最佳摻量，摻量較小或較大都將混凝土的力學(xué)強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響，較小粒徑SAP 僅在最佳摻量下才能起到提升混凝土力學(xué)強(qiáng)度的作用。 （3）SAP 的摻入顯著減少了混凝土養(yǎng)護(hù)全齡期內(nèi)的干燥收縮，隨著SAP 粒徑的減小，SAP 對混凝土干燥收縮的抑制效果越好，100～120 目SAP 在28 d 齡期時可降低62.4%的干燥收縮變形值。 SAP 對混凝土干燥收縮的抑制效果也存在最佳摻量， 在最佳摻量下，SAP大幅度減小混凝土的干燥收縮變形值，使混凝土的干燥收縮發(fā)展更平緩。