超吸水聚合物混凝土的力學(xué)性能研究

王維紅 王佐朝 孫家豪 張坤 劉丹 尚甲強

（銀川能源學(xué)院，寧夏銀川 750100）

超吸水聚合物混凝土的力學(xué)性能研究

王維紅 王佐朝 孫家豪 張坤 劉丹 尚甲強

（銀川能源學(xué)院，寧夏銀川 750100）

針對混凝土養(yǎng)護時的人工養(yǎng)護費時費力及浪費水資源問題，利用超吸水聚合物的自養(yǎng)護作用，改善混凝土的性能，試驗采用正交試驗的方法，確定出在標養(yǎng)和干養(yǎng)條件下的最優(yōu)配合比并與基準混凝土的抗壓強度進行對比，試驗結(jié)果表明，在干養(yǎng)條件下，超吸水聚合物能提高混凝土的抗壓強度。

超吸水聚合物 混凝土 抗壓強度

寧夏屬于干旱少雨、嚴寒缺水地區(qū)，在建筑工程的建設(shè)過程中，混凝土作為主要的建筑材料使用，在養(yǎng)護時需要大量的水進行養(yǎng)護，浪費了大量的水資源，針對這問題，利用超吸水聚合物（SAP）的吸水性和放水性，在混凝土中摻入SAP使混凝土自養(yǎng)護達到提高強度的目的。超吸水聚合物是一種新型的外加材料，可以調(diào)節(jié)水泥基膠凝材料凝結(jié)和硬化時的水分平衡，用作具有較低水膠比的混凝土和砂漿的內(nèi)養(yǎng)護材料［1］本文將SAP、粉煤灰、煤矸石復(fù)摻到混凝土中，通過正交試驗得到最優(yōu)配合比，再通過與基準組的對比，分析SAP、粉煤灰和煤矸石對混凝土在標養(yǎng)和干養(yǎng)條件下的抗壓強度的影響。

1 試驗原材料

（1）水泥：寧夏賽馬牌PO42.5R級水泥，各項性能指標符合標準中的規(guī)定。

（2）粉煤灰：寧夏銀川熱電廠生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰，符合國家標準規(guī)定。

（3）煤矸石：寧夏石嘴山煤礦，密度2.71g/cm3，比表面積560m2/ g。

（4）砂子：寧夏鎮(zhèn)北堡產(chǎn)的人工水洗山砂，中砂，細度模數(shù)為2.78，表觀密度2.730g/cm3，堆積密度1.560g/cm3，含泥量0.81%。

（5）石子：寧夏鎮(zhèn)北堡產(chǎn)的天然粗骨料人工碎石，粒徑為5～25的連續(xù)級配，石子表觀密度2680 kg/m3，堆積密度1473 kg/m3，含泥量0.11%，壓碎指標8.2%，針片顆粒含量9.5%。

（6）超吸水聚合物：采用北京金元易生態(tài)有限公司成產(chǎn)的高吸水樹脂，吸水倍率為30倍。

（7）高效減水劑：寧夏銀川生產(chǎn)的FDN型萘系減水劑，減水率達25%～30%。

（8）水：自來水。

2 試驗方法

根據(jù)吳中偉院士的高性能混凝土的設(shè)計方法［2］，本試驗混凝土設(shè)計強度等級為C60，本試驗選取水膠比、粉煤灰、煤矸石、砂率、SAP為影響因素，各因素選取3個水平，粉煤灰、煤矸石等量取代部分水泥，SAP摻量分別為膠凝材料總質(zhì)量的0.3%、0.5%、0.7%，研究SAP自養(yǎng)護作用對混凝土28d 抗壓強度的影響。采用L18（37）正交試驗，試驗水平如表1所示。

表1 正交試驗因素水平表

表2 混凝土28d正交試驗試驗結(jié)果

表3 標養(yǎng)、干養(yǎng)條件下混凝土28d抗壓強度極差分析

表4 對比試驗配合比

混凝土抗壓強度試驗依據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》（DL/T5150-2001）的規(guī)定進行，采用100mm×100mm×100mm試模成型，在標養(yǎng)和干養(yǎng)兩種養(yǎng)護條件下分別養(yǎng)護28d進行試驗。

3 試驗結(jié)果及分析

正交試驗結(jié)果、混凝土抗壓強度極差分析如表2-3所示。

3.1 正交試驗

由表3可知，在標養(yǎng)條件下，影響混凝土28d抗壓強度因素的主次順序是A＞D＞B＞C＞E，即水膠比影響最大，其次分別為砂率、粉煤灰、煤矸石、超吸水聚合物。由圖可知，隨著水膠比的增加，混凝土抗壓強度呈降低趨勢；隨著粉煤灰、煤矸石的增加，抗壓強度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，隨著砂率的增加，抗壓強度呈增加的趨勢，綜合實用性、工作性和經(jīng)濟性的原則確定最優(yōu)配合比為A1B2C2D2E1即水膠比0.33、粉煤灰摻量15%、煤矸石摻量10%、砂率44%、SAP0.3%。

在干養(yǎng)條件下，影響混凝土28d抗壓強度因素的主次順序是D＞A＞E＞B＞C，即砂率影響最大，其次分別為水膠比、超吸水聚合物、粉煤灰、煤矸石。由試驗結(jié)果可知，隨著水膠比、煤矸石、砂率、超吸水聚合物的增加，混凝土抗壓強度呈先增后降的趨勢；隨著粉煤灰的增加，抗壓強度呈現(xiàn)降低的趨勢，即確定組偶有配合比為A2B1C2D2E2即水膠比0.35、粉煤灰摻量15%、煤矸石摻量10%、砂率44%、SAP0.5%。

綜合分析，水膠比對混凝土強度的影響，在標養(yǎng)和干養(yǎng)條件下影響比較大，在干養(yǎng)條件下A2和A1的強度下降幅度較小，SAP對混凝土強度的影響，在干養(yǎng)條件下影響較大，在標養(yǎng)條件下影響較小，綜合考慮兩種最優(yōu)方案，綜合實用性、工作性和經(jīng)濟性的原則確定最優(yōu)配合比為A1B2C2D2E2即水膠比0.33、粉煤灰摻量15%、煤矸石摻量10%、砂率44%、SAP0.5%。

3.2 最優(yōu)組對比試驗與分析

將優(yōu)選組與基準配比進行對比試驗，并安排一組配比與優(yōu)選組相同但不外摻SAP的高性能混凝土，以考察SAP及摻合料對高性能混凝土產(chǎn)生的影響。試驗安排及結(jié)果如表4所示。

由表4可知：（1）在標養(yǎng)條件下①C和J相比，表明復(fù)摻粉煤灰和煤矸石等量取代水泥對混凝土28d抗壓強度有所降低，降幅為7.6%，這是因為粉煤灰和煤矸石主要是提高混凝土的后期強度，而早期強度有所下降，粉煤灰和煤矸石的摻加表現(xiàn)出了良好的經(jīng)濟效果。②Z和J相比，表明復(fù)摻粉煤灰、煤矸石和SAP對混凝土28d抗壓強度有所降低，降幅為15.3%，③C和Z相比，復(fù)摻粉煤灰、煤矸石和SAP的混凝土抗壓強度明顯降低，降幅達8.3%，說明在標準養(yǎng)護條件下SAP對混凝土的強度非常不利。（2）在干養(yǎng)條件下：①C和J相比，表明復(fù)摻粉煤灰和煤矸石等量取代水泥對混凝土28d抗壓強度有所降低，降幅為7.9%②Z和J相比，表明復(fù)摻粉煤灰、煤矸石和SAP對混凝土28d抗壓強度有所降低，降幅為5.5%，③C和Z相比，表明SAP對混凝土的抗壓強度有提高作用，增幅達2.7%。（3）Z組混凝土的28d抗壓強度在干養(yǎng)環(huán)境比在標養(yǎng)環(huán)境中的提高7.5%，說明在干養(yǎng)環(huán)境中SAP可使混凝土強度提高，對混凝土強度是有利的。（4）機理分析：在混凝土中加入SAP，由于SAP具有良好的吸水性和保水性，可以很好的調(diào)節(jié)混凝土內(nèi)部水分分布。一方面，在混凝土內(nèi)部因水化反應(yīng)的發(fā)生而缺少水分時，SAP可以釋放之前吸收的水分可使混凝土繼續(xù)水化，混凝土內(nèi)部水化產(chǎn)物增多，孔隙率降低，密實度不斷提高，強度得以提高［3］另一方面，當混凝土在水中養(yǎng)護時，SAP處于吸水飽和狀態(tài)，而SAP吸水后體積會產(chǎn)生膨脹，這樣會破壞混凝土的固有結(jié)構(gòu)，同時，吸水后膠凝狀態(tài)的SAP減少了骨料間的摩擦力，使混凝土強度降低。

4 結(jié)語

（1）通過正交試驗，確定混凝土的最優(yōu)配合比為A1B2C2D2E2，即水膠比0.33、粉煤灰摻量15%、煤矸石摻量10%、砂率44%、SAP0.5%。

（2）復(fù)摻粉煤灰、煤矸石的混凝土在標養(yǎng)條件和在干養(yǎng)條件下養(yǎng)護時的28d強度較基準混凝土的都是降低的。

（3）SAP加入混凝土中在干燥環(huán)境中養(yǎng)護時可有效提高混凝土的抗壓強度，節(jié)約養(yǎng)護用水及工程費用。

［1］VIKTOR MECHTCHERING，LUKASZ DUDZIAK，ARNDEIKE BRUDERN，et al.高吸水聚合物（SAP）：新型多功能混凝土外加劑［J］.商品混凝土，2012（5）：32-35.

［2］吳忠偉，廉慧珍.高性能混凝土［M］.北京：鐵道出版社，1999：120-182.

［3］唐瑞，孟云芳，馬超，鄒媛媛.鋼纖維超吸水聚合物混凝土抗沖耐磨性能試驗研究［J］.寧夏工程技術(shù)，2013（1）：35-40.

寧夏回族自治區(qū)區(qū)級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目（寧高教［2013］254號20130602）。

王維紅（1989—），女，碩士研究生，助教，研究方向：主要從事水工結(jié)構(gòu)材料研究。