超強吸水樹脂改善海工混凝土性能研究★

范海潮 鄭 軍 邢雙軍

(浙江萬里學院設計藝術與建筑學院，浙江寧波 315100)

1 概述

混凝土內養護指在混凝土中引入養護劑，它均勻地分散在混凝土中，起到內部蓄水池的作用，主要成分為高吸水性物質，如超強吸水樹脂(Super Absorbent Polymer，SAP)。在攪拌初期，SAP吸附混凝土的自由水。隨著水化反應的進行，SAP將釋放自由水供水泥顆粒繼續水化，保證養護期間水分的充足。

相比陸上混凝土，在海水環境里，混凝土結構需承受冰凍、風浪和海水等多種天然因素的作用，容易使海工混凝土遭受損傷而縮短其耐久年限。海工混凝土的發展方向是高性能海工混凝土，主要通過采用高膠凝材料用量、摻加粉煤灰、使用減水劑等手段來實現，但隨之帶來的問題是混凝土自縮大，水泥水化熱高，容易引起早期裂縫，反而對海工混凝土的耐久性產生不良影響。

本文就超強吸水樹脂SAP對海工混凝土尤其是內摻粉煤灰海工混凝土的力學性能、收縮性能、抗滲性能等進行實驗分析，探討海工混凝土摻加SAP后的應用效果。

2 原材料和試驗方法

2．1 實驗材料

水泥:采用當地42．5普通硅酸鹽水泥，其物理力學性能見表1。

表1 水泥的物理力學性能

碎石:采用5 mm～31．5 mm連續級配碎石。

粉煤灰:本地電廠的Ⅰ級粉煤灰。

減水劑:液體，主要降低混凝土的水灰比，減水率為20%左右。

超強吸水樹脂SAP:一種功能高分子材料，能吸收比自身重幾百倍到幾千倍水，保水性能優良。

2．2 實驗方法

實驗參照GB/T 50081-2002普通混凝土力學性能試驗方法、GB/T 50082-2009普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準等標準進行。

3 海工混凝土中摻加超強吸水樹脂實驗及分析

3．1 普通海工混凝土力學性能實驗

實驗首先確定混凝土水泥用量360 kg/m3，砂率37%。在制備混凝土拌合物時，先將SAP置于水中預吸水，然后根據所需坍落度適當調整用水量。混凝土試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，24 h拆模后，移入標準養護室進行養護。設計的實驗配合比及實驗結果見表2。

表2 內摻SAP普通海工混凝土配合比及實驗結果

由表2可見，當超強吸水樹脂SAP的摻量比較小時，如0．1%～0．2%，混凝土的強度(如A2組、A3組)與基準混凝土(A1組)接近，甚至高于基準混凝土。然而，隨著SAP摻量的增加，混凝土的強度明顯下降，如 A4 組(0．3%SAP)、A5 組(0．4%SAP)，3 d 的強度分別是基準混凝土(A1組)的85．8%，72．3%，28 d的強度分別是基準混凝土(A1 組)的 89．8%，79．2%。

這是因為在混凝土攪拌時，適量摻加SAP，SAP可以將混凝土中的自由水吸附于自身分子內部，減少自由水通過混凝土毛細孔的蒸發量和流失。而隨著水化反應的進行，水泥顆粒周圍的自由水不斷被消耗，SAP將釋放出其吸附的自由水供水泥顆粒繼續水化，保證養護期間水分的充足，從而促進混凝土強度發展。而當SAP摻量過多時，需要較多的水來保證混凝土的流動性，無形中增加了混凝土的水灰比，比如A5組(0．4%SAP)的實際水灰比是0．46，而基準混凝土(A1 組)的水灰比是0．41，增加了0．05;同時，SAP在釋放水分后，會殘留一部分孔隙，尤其是摻量過多的情況下，殘余的孔隙有一部分會達到有害孔的范圍，造成混凝土強度明顯降低，產生不利影響。另外，我們也發現，當SAP摻量為0．4%或以上時，SAP需要與較多的水才能形成團絮狀水凝膠體，不易分散，導致混凝土攪拌發生困難。

3．2 內摻粉煤灰海工混凝土力學性能實驗

粉煤灰摻合料采用內摻法，等量取代水泥用量，實驗配合比及結果見表3。

由此可見，當粉煤灰內摻比例為10%時，B2組(0．1%SAP)強度最高，是基準B1組的105%，其次是B3組(0．2%SAP)，當SAP的摻量超出0．3%時，其抗壓強度明顯下降，因而SAP的合適摻量為0．1% ～0．2%左右。而當粉煤灰內摻比例為30%時，SAP的合適摻量為0．2% ～0．3%左右。因而，對于粉煤灰海工混凝土，SAP對其力學性能的影響與普通海工混凝土稍有不同。我們認為，這主要是SAP的引入，一方面，改善了混凝土內部的水分分布情況，使水化反應得以繼續進行，提高了膠凝材料的水化程度，使混凝土內水化產物增多，密實度提高，從而提高混凝土的早期及后期水化程度，對提高混凝土強度方面有利。另一方面，SAP在釋放水分后，會殘留一部分孔隙。而混凝土是一種典型的多孔介質材料，孔隙分布錯綜復雜，孔徑尺寸跨越微觀尺度和宏觀尺度，對混凝土的耐久性產生一定的影響。當內摻粉煤灰后，一部分粉煤灰參與了水泥的水化歷程，而另一部分粉煤灰起填充混凝土結構空隙的作用，因而對混凝土的強度發展產生影響，導致SAP的最佳摻量與普通海工混凝土有所不同。

表3 內摻粉煤灰海工混凝土配合比及結果

3．3 海工混凝土收縮實驗

海工混凝土的收縮試驗采用100 mm×100 mm×515 mm的棱柱體試件，兩端預埋測頭，用臥式混凝土收縮儀測量各個齡期的收縮變形。試驗結果見圖1。

圖1 內摻SAP海工混凝土的收縮試驗結果

對混凝土來說，隨著SAP摻量的增加，混凝土的收縮變形明顯減少，如B3組(粉煤灰內摻10%，0．2%SAP)的3 d收縮變形為－0．58 ×10－4，為基準混凝土(A1 組)的74．4%，28 d 的收縮變形為 －1．40×10－4，為基準混凝土(A1 組)的 75．3%，也比僅內摻10%粉煤灰而沒有摻加 SAP的 B1組低。B8組(粉煤灰內摻30%，0．3%SAP)的 3 d收縮變形為基準混凝土(A1組)的69．2%，28 d的收縮變形僅為基準混凝土的71．53%。這是因為內摻SAP后，SAP通過內部蓄水，為水泥水化提供水分，降低混凝土內部的濕度損失，從而改善海工混凝土的收縮性能，尤其是早期收縮問題。

3．4 海工混凝土抗滲性能試驗

海工混凝土的抗滲性能除關系到擋水作用外，還直接影響抗凍性和抗腐蝕性、防止鋼筋銹蝕等的強弱，是保證混凝土耐久性的必要條件。混凝土的抗滲性能有滲水高度法和逐級加壓法兩種方法。

滲水高度法采用測定混凝土在恒定水壓力下的平均滲水高度，來表示混凝土的抗水滲透性能。試驗時，采用上口直徑為175 mm，下口直徑為185 mm，高為150 mm的圓臺，混凝土養護27 d后從養護室內取出，采用水泥加黃油密封。試件準備好后啟動抗滲儀，開通設在試件下面的閥門，使水從孔中滲出，充滿整個試驗坑。然后關閉閥門，將6個混凝土試件放到抗滲儀中，開通試件的閥門，使水壓在24 h內恒定在(1．2±0．05)MPa，在穩壓的過程中隨時觀察試件端面的滲水情況。試驗結果見表4。

表4 內摻SAP海工混凝土的抗滲試驗結果

可知，摻加SAP后，混凝土的抗滲性能得到改善，如B3組(粉煤灰內摻10%，0．2%SAP)的平均滲水高度為19．8 mm，B8組(粉煤灰內摻30%，0．3%SAP)的平均滲水高度為20．4 mm，均低于基準混凝土(A1組)的25．3 mm。可見SAP的引入，可以使混凝土內水化產物增多，密實度提高，從而提高混凝土的抗滲能力。

4 結語

1)對于普通海工混凝土，適量摻加SAP(0．1% ～0．2%)，SAP可以將混凝土中的自由水吸附于自身分子內部，減小自由水通過混凝土毛細孔的蒸發量和流失，因而可以改善混凝土的力學性能。

2)對于內摻粉煤灰海工混凝土，當粉煤灰內摻比例為10%時，SAP的合適摻量為0．1% ～0．2%左右。當粉煤灰內摻比例為30%時，SAP的合適摻量為0．2% ～0．3%左右。這主要是一部分粉煤灰參與了水泥的水化歷程，而另一部分粉煤灰起填充混凝土結構空隙的作用，因而對混凝土的強度發展產生影響，導致SAP的最佳摻量與普通海工混凝土有所不同。

3)海工混凝土內摻適量SAP后，可較好地改善混凝土的抗滲性能和收縮變形，尤其是早期收縮性能。

［1］何 真，陳 衍，梁文泉，等．內養護對混凝土收縮開裂性能的影響［J］．新型建筑材料，2008(8):7-11．

［2］陳德鵬，錢春香，高桂波，等．高吸水樹脂對混凝土收縮開裂的改善作用及其機理［J］．東南大學學報，2007，38(3):475-478．