SAP內養生路面混凝土收縮性能及力學性能研究

勞家榮，黃忠財，郭寅川，陳 琳，申愛琴，楊景玉

(1.廣西桂龍高速公路有限公司，南寧 530011;2.長安大學，教育部特殊地區公路工程重點實驗室，西安 710064;3.廣西崇瑞高速公路有限公司，南寧 530011)

0 引 言

近年來,隨著我國交通強國戰略的實施,對道路基礎設施的建設力度逐年加大，水泥混凝土路面得到大規模應用，然而建設初期由于混凝土內部水泥水化及水分蒸發耗水可誘發早期收縮，導致混凝土極易早期開裂，嚴重影響水泥混凝土路面的使用壽命及服役性能。超吸水性樹脂(Super-Absorbent Polymers，簡稱 SAP)含有強吸水性基團，具有獨特的吸水-儲水-釋水特性，能夠通過水合作用吸收水分，并具有穩定的保水能力，在離子濃度、溫度變化時釋放所儲水分，補充外界所需水分。將其應用于水泥混凝土中，當混凝土內部水分不足時能夠及時釋水，補充因水化及蒸發所導致的水分喪失，增強內部相對濕度，進行二次水化，降低混凝土收縮性以及混凝土開裂風險。

目前國內外學者針對SAP在混凝土中的吸釋水性能及其對混凝土的性能影響效果展開了一定的研究。研究發現SAP由于自身獨特的低交聯度三維空間網絡結構[1]，能夠吸收自身重量幾十倍甚至上千倍的水[2-3]，并可通過溶脹作用將自由水固定在聚合物網絡內部，具有較強的保水性[4-5]。飽水SAP摻入混凝土后可在混凝土內部漿體濕度下降、孔溶液離子濃度或pH值增加時及時釋水，補償混凝土內部水分的缺失使毛細自由水形成的彎液面曲率不至過快增大[6-8]。逄魯峰[9]研究認為，SAP摻入砂漿后，由于SAP的蓄水保水作用，能有效地提高水化后期砂漿內部濕度，致使毛細管壁壓力明顯減小，砂漿的收縮也顯著降低。且適當的SAP摻量及額外引水量能夠能顯著提高混凝土的強度，最大提高幅度可達15%。Dudziak等[10]通過分析不同SAP摻量及額外引用水對混凝土的影響，表明SAP可以降低混凝土的自收縮，且隨著SAP和額外引用水的增加，降低效果越明顯。孔祥明等[11]分析SAP內養生混凝土干燥養護條件下的自收縮情況，結果表明，在干燥養護條件下摻入SAP的混凝土自收縮明顯降低，且SAP摻量的高低對自收縮的影響程度存在差異。鐘佩華[12]研究認為SAP能抑制水泥混凝土的自收縮，隨著SAP摻量的增加，其自收縮逐漸降低。將混凝土中SAP的摻量從0.3%(質量分數，下同)增加至0.4%時，其自收縮降低15.7%。Lyu等[13]研究發現，摻入水泥漿后，C40路面混凝土的濕度飽和期延長；在28 d內，增加的內養生水分可以顯著減輕C40路面混凝土的總收縮應變。陳德鵬等[14]也得到了SAP可以抑制混凝土開裂，降低混凝土收縮性的結論。

本文在以往研究成果的基礎上，結合公路水泥混凝土路面的結構特性，采用SAP內養生材料，通過對混凝土力學性能、收縮變形及內部相對濕度進行研究，并通過SEM對SAP內養生混凝土內部微觀形貌、裂縫特征進行分析，揭示SAP內養生材料對路面水泥混凝土的作用機理及影響規律，為SAP內養生混凝土的應用建設提供理論及技術依據。

1 實 驗

1.1 原材料

(1)水泥：采用“海螺牌”P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。

(2)礦物摻合料：I級粉煤灰。

(3)粗細骨料：粗骨料為花崗巖碎石，最大粒徑為19 mm，主要包括4.75～9.5 mm與9.5～19 mm兩部分。細骨料為河砂，中砂，細度模數為2.71，含泥量為0.6%，表觀密度為2.625 g/cm3。

(4)減水劑：采用JB-ZSC型聚羧酸高性能減水劑，減水率為26%，含氣量為3.1%，推薦使用摻量為膠凝材料質量分數的0.8%～1.2%。

(5)水：自來水，氯離子含量為10 mg/L，pH=7.5。

(6)SAP：采用粒徑為20～40目(830～380 μm)、40～80目(380～180 μm)、100～120目(150～120 μm)的SAP，其主要化學成分及在水膠比W/B=0.37(B為膠凝材料的質量)的水泥漿液中吸水泥漿倍率見表1。

原材料各項性能指標均符合技術規范要求。

表1 SAP 的技術標準

1.2 配合比設計

為研究不同SAP摻量、參數對高強混凝土收縮性能、濕度補償作用和抗彎拉強度的影響，本文以前期試驗確定的C30內養生路面混凝土和C30普通路面混凝土為例，對其進行深入研究。具體設計的內養生路面混凝土配合比如表2所示。

表2 內養生路面混凝土配合比設計

1.3 測試方法

1.3.1 收縮變形測試方法

收縮應變采用深圳莫尼特公司生產的MIC-YWC-5型位移計配套MIC-DCV-4型電壓數據采集器進行測試，試件為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體，如圖1所示。數據監控持續時間為28 d，采集間隔試時間為1 h。由于該測試系統測試出的位移數據均以電壓U的形式輸出，故需根據廠家提供的相應轉換公式及各通道靈敏度值A，將U轉化為位移值(微應變，Nμε)再進行分析，轉換公式如式(1)所示。

Nμε=(Ut-U0)/1 000/A/400×106

(1)

式中：Ut為th后的電壓，mV;U0為初始電壓，mV。考慮SAP主要在7 d齡期內對水泥混凝土起到減少收縮、微裂紋抑制作用，因此試件在標準養生室中養生24 h后，對其進行脫模，取出后立即對其收縮性能進行測試。

圖1 水泥混凝土收縮變形測試

圖2 混凝土相對濕度測試

1.3.2 相對濕度測試方法

濕度測試采用深圳莫尼特公司生產的MIC-TD-TM型溫濕度一體化傳感器，持續監控水泥混凝土內部毛細孔濕度的變化情況，其配套的MIC-DVD-4型數字數據采集器具有自動記數及遠程操控等功能。試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，數據監控持續時間為28 d，數據采集間隔試時間為1 h，傳感器在水泥混泥土澆注入模后便垂直嵌入試件內部中心處，并用橡皮泥將試件表面處密封，如圖2所示。試件在標準養生室中養生24 h，脫模后即開始測試。

1.3.3 抗彎拉強度測試方法

混凝土抗彎拉強度測試方法依據GB/T 50081—2019《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行混凝土抗彎拉數據測定，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。

1.3.4 SEM測試方法

采用JEOL JSM-6390A掃描電子顯微鏡(SEM)對28 d齡期的J組和S4組混凝土的微觀形貌進行觀測，研究其密實程度、微裂縫特征。掃描電鏡的圖像分辨率為 3.5 nm，靈敏度A值達 0.1，放大倍率為20～8 000 000倍。

試樣制備過程如下：將養護28 d的兩組試件切片，剪裁成大小為1 cm3左右的立方體試樣，每個試件制取兩個試樣；使用200～2 000目(75～6.5 μm)的砂紙對其進行打磨拋光，用無水乙醇浸泡終止水化后放入60 ℃的烘箱中烘至恒重；采用離子噴濺儀對試樣進行噴金處理，用導電膠將試樣固定在支架上，在不同的放大倍數下，采用掃描電子顯微鏡對其進行測試。試樣噴金及測試現場如圖3所示。

圖3 試樣噴金及觀測

2 結果與討論

2.1 SAP參數對混凝土收縮性能的影響

圖4為混凝土收縮變形隨齡期的變化。由圖4可知：

(1)與基準組相比，內養生組混凝土的28 d收縮應變值均低于基準組。說明SAP的加入對混凝土的收縮性能有明顯改善作用。說明SAP可以起到良好的補償干縮作用，混凝土內部相對濕度下降時，及時補充水分，減輕毛細孔壁間的范德華力作用，從而抑制混凝土的干燥收縮變形，控制收縮變形總量。

(2)通過對比S1、S2和S4組，發現SAP目數對混凝土收縮性能的影響較小，三組試件的收縮值較為接近。其中，100～120目SAP對混凝土的收縮性能改善效果最好，其次是20～40目SAP，40～80目SAP的改善效果最差。這可能是因為SAP目數越大，同摻量情況下，摻入的SAP越多，吸收的內養生水分越多，對混凝土的內養生效果更好。

(3)通過對比S3、S4和S5組，發現SAP摻量對混凝土收縮性能的影響較大，且隨著摻量的增加，混凝土的抗收縮性能逐漸增強。說明SAP的摻量越大，SAP吸收的內養生水分越多，水泥水化越充分，混凝土的內養生效果越好，抗收縮性能越好。

圖4 混凝土收縮變形隨齡期的變化

圖5 混凝土內部相對濕度隨齡期的變化

2.2 SAP參數對混凝土內部相對濕度的影響

圖5為混凝土內部相對濕度隨齡期的變化。分析圖5可知：

(1)與基準組相比，SAP對混凝土內部相對濕度的提升效果較為明顯，顯著延長混凝土的濕度飽和期，28 d內的相對濕度可保持在90%以上。但出現S2組(摻40～80目)的濕度補償效果低于基準組的現象，其前期(8 d前)、后期(22 d后)對應混凝土內部相對濕度的提升效果優于基準組。這可能是因為：40～80目SAP早期釋水較快，內養生作用較強，水泥水化作用消耗了大部分水分；隨著水化作用的快速進行，因為得不到內養生水分的及時補充，出現混凝土內部相對濕度低于基準組的現象；后期隨著混凝土內水分的消耗，基準組內部的水分基本消耗完，但內養生組內SAP殘留的內養生水分再次釋放，混凝土內部的濕度得到補償。

(2)通過對比S1、S2和S4組，SAP目數對混凝土內部濕度的影響較大。其中，100～120目SAP對混凝土的濕度補償效果最好，其次是20～40目SAP，40～80目SAP的效果最差。這可能是因為SAP目數越大，同摻量情況下，摻入的SAP顆粒越多，吸收的內養生水分越多，均勻分布在混凝土內部的SAP對其內養生作用效果越好、越均勻。

(3)通過對比S3、S4和S5組，發現SAP摻量對混凝土內部濕度的影響較大，且隨著摻量的增加，混凝土的濕度補償效果越好。說明，SAP的摻量越大，SAP吸收的內養生水分越多，水泥水化越充分，混凝土的內養生效果越好，濕度補償效果越好。

2.3 SAP參數對混凝土抗彎拉強度的影響

雖然SAP可以提升混凝土的收縮性能，改善其濕度補償效果，但SAP釋水后殘留的孔隙對混凝土的強度造成一定的影響。因此，本文在6組混凝土試件的抗壓強度滿足規范規定的基礎上，探討SAP對其抗彎拉強度的影響，試驗結果如表3所示。由表3可知：

(1)通過對比J、S1、S2和S4組，發現SAP目數對混凝土抗彎拉強度的影響較大，且隨著SAP目數的增加，混凝土的抗彎拉強度呈先降低后升高的趨勢。其中，100～120目SAP對混凝土的抗彎拉強度的提升效果最好，且優于基準組；其次是20～40目SAP，40～80目SAP的效果最差。這可能是因為當SAP目數較小時，其吸水后會導致體積膨脹，且會較早釋放完所儲水分，內養生效果較差，水化填充作用減弱，混凝土內部殘留的大孔較多，使其強度降低。

(2)通過對比J、S3、S4和S5組，發現SAP的加入均使得混凝土抗彎拉強度得到提升，且隨著摻量的增加，混凝土的抗彎拉強度呈先升高后降低的趨勢。這可能是因為，隨著SAP摻量的增加，吸收的內養生水分越多，水泥水化越充分，混凝土密實度越高，其抗彎拉強度也得到提升；但當SAP摻量超過一定值時，雖然其吸收的內養生水分較多，但其釋水后殘留在混凝土內部的孔隙也增多，使得混凝土的抗彎拉強度降低。

表3 混凝土各齡期抗彎拉強度

2.4 SAP對混凝土微觀形貌的影響

利用 SEM 測試觀察J組和S4組28 d齡期混凝土的微觀形貌，并比較兩組試樣內部漿體密實度和裂縫特征的差別，進而揭示SAP對其性能的提升機理。J組和S4組混凝土內部的漿體密實程度、裂縫特征SEM照片如圖6所示。分析圖6可知：

(2)J組和S4組混凝土內部均存在一定數量的裂縫，但SAP內養生材料的摻入顯著降低了混凝土內部微裂縫的長度和寬度。這是由于隨著混凝土內部濕度的下降、離子濃度和pH值的增加，SAP吸收的內養生水分可以及時得到釋放，起到很好的濕度補償作用，使水泥持續進行水化，降低因水分散失嚴重而產生微裂縫的風險，從而提高了混凝土的阻裂性能。

圖6 混凝土28 d齡期的微觀形貌

3 結 論

(1)SAP的摻入可通過增加的內養生水分，可大幅降低混凝土的收縮應變，改善混凝土的收縮性能，同時SAP目數越大、摻量越大，其對混凝土收縮抑制效果越明顯。

(2)SAP吸釋水作用，可及時對混凝土進行水分補償，有效延長其濕度飽和期，使得其28 d內的相對濕度可保持在90%以上，SAP目數及摻量均對混凝土內部相對濕度有較大影響，SAP目數越大、摻量越大，其釋水效果越穩定，且在混凝土內部分散越均勻，養生范圍越廣，從而對混凝土的濕度補償效果越好。

(3)SAP目數及摻量均對混凝土抗彎拉強度的影響較大，其中100～120目SAP對混凝土抗彎拉強度的提升作用最好，目數較大的SAP濕度補償內養生效果較好，水化填充作用較強，混凝土內部殘留的孔隙較少，從而可以在一定程度上提升混凝土力學強度，另外SAP存在最佳摻量范圍，隨著SAP摻量的增加，混凝土的抗彎拉強度呈先升高后降低的趨勢。

(4)SAP的摻入可以提高水泥水化程度，生成更多的水化產物，改善混凝土內部結構，提升其密實性，并降低混凝土內部微裂紋長度及寬度，從而在一定程度上提高混凝土的內部相對濕度，進而提升混凝土的力學強度，并減少其收縮變形。