基于綜合性能的自養護橋面水泥基材料灰靶決策

李 強,覃 瀟,蔡正森

(1.廣東華路交通科技有限公司，廣東 廣州 510420；2.佛山科學技術學院 交通與土木建筑學院綠色高性能土木工程團隊，廣東 佛山 528225)

0 引言

我國水泥混凝土橋面整體化層常存在不同程度的早期開裂問題，不僅增大自身耐久性劣化風險，嚴重時還會對結構承載能力造成影響，增加工程維修成本[1-2]。橋面整體化層在鋪裝層鋪筑前均暴露于大氣中，鋪筑后極易在內部水化反應及蒸發雙重作用下迅速喪失水分，從而產生早期自收縮、干縮微裂紋[3-4]。SAP自養護技術目前被認為是最具前景的水泥基材料抗裂減縮技術之一，自養護劑SAP能夠在早期持續釋水以維持混凝土內部的高濕狀態，減小收縮微裂紋，增強膠凝材料密實度及水化程度[5-7]。

SAP自養護劑在水泥基材料中產生的釋水殘留孔對孔隙率的增加作用與其水化填充作用之間的權衡性是決定其自養護效果的關鍵，同時也是影響力學性能與收縮特性之間權衡關系的重要因素。已有研究在自養護水泥基材料力學性能、耐久性、收縮性和抗裂性能等宏觀性能方面均存在一定研究[8-12]，但缺乏對各項性能的綜合權衡與決策，難以科學選擇自養護橋面水泥基材料設計參數。

為充分發揮SAP在橋面水泥基材料中的自養護效果，本文對不同水灰比、SAP粒徑及SAP摻量的水泥砂漿試件在3～28 d齡期內的抗折強度、抗壓強度及收縮率變化規律進行了深入分析。通過混合型多指標灰靶決策模型，對各試驗組靶心距進行求解，從而得出不同水灰比下的最佳自養護參數范圍，為SAP自養護技術在工程中的應用奠定了基礎。

1 試驗概況

1.1 原材料與配合比

水泥選用PO42.5普通硅酸鹽水泥，密度為3.15 g/cm3。粗骨料為廣東省清遠市晟興石場生產的反擊破石灰巖碎石，最大公稱粒徑為19 mm，分為4.75～9.5 mm和9.5～19 mm兩檔，兩檔料的比例為2∶8。細集料為廣東省清遠市北江河砂，中砂，細度模數為2.71，含泥量為0.6%，表觀密度為2.625 g/cm3。減水劑采用JB-ZSC型聚羧酸高性能減水劑，減水率為26%。

自養護劑選用不規則白色粉末狀的超吸水性聚合物(SAP)，分子式為(C3H3NaO2)n，其在吸水泥漿液后的細觀形貌見圖1。SAP包括380～830 μm(Sap-20)，180～380 μm(Sap-40)和120～150 μm(Sap-100)這3種粒徑。

圖1 不同粒徑SAP吸水泥漿液后的形貌

表1 SAP自養護劑主要技術指標Table1 TechnicalindexesofSAPself-curingagentSAP類型去離子水中的吸液倍率/(g·g-1)0.9%鹽溶液中的吸液倍率/(g·g-1)密度/(g·cm-3)pH聚丙烯酸鈉鹽類450～55070～1000.93～1.15.5～6.8

試驗用水泥砂漿水灰比為0.31和0.37兩種。Powers理論提出，當水灰比低于0.42時水泥不能完全水化。基于Powers理論，國內外學者提出了理論自養護引水量WIC的計算方法，如式(1)所示，WIC/C代表自養護所需加入的額外水灰比。

WIC/C=0.18(W/C),W/C≤0.36

WIC/C=0.42-W/C，0.36≤W/C≤0.42

(1)

基于式(1)及SAP加入新拌水泥漿液中30 min時的實測吸液倍率，確定自養護砂漿配合比方案，如表2所示。

為使SAP在砂漿中分散均勻，制定的拌和步驟如下：細集料、水泥干拌20 s(第一步)+加SAP粉末干拌30 s(第二步)+加水、減水劑、自養護水濕拌90 s(第三步)。

1.2 SAP自養護砂漿性能設計指標

3 d齡期前是水泥基材料強度形成的最關鍵時期，而SAP自養護的時效發揮正是在水泥基材料初凝后至3 d齡期范圍內，作用在于抑制水泥基材料早期微裂縫，減少原始損傷，并促進水泥水化，間接增強服役期強度及耐久性。另外，養護齡期內收縮率的平穩程度同樣對強度及耐久性有重要影響。因此在砂漿配合比優選過程中，選擇3 d收縮率(St)、14～28d綜合收縮率(St區間)、28 d抗折強度(Rf)以及28 d抗壓強度(Rc)作為設計指標。

表2 SAP自養護砂漿配合比試驗方案Table2 MixproportiontestplanofSAPself-curingmortar水灰比SAP30min吸水泥漿液倍率gwater/gsapSAP摻量/(占水泥的質量比例%)Wic用量/(占水泥的質量比例%)水泥:砂:減水劑基準組———①0.050.023Sap-2046.753②0.100.050③0.150.070①0.100.0350.37Sap-4034.559②0.150.050100:172:0.65③0.200.069①0.120.035Sap-10029.576②0.170.050③0.220.065基準組———①0.110.039Sap-2035.446②0.160.056③0.210.074①0.130.0400.31Sap-4031.000②0.180.056100:143:0.7③0.230.071①0.160.042Sap-10026.013②0.210.056③0.260.068注:對于Sap-20在第①種摻量下的水泥砂漿,編號為20-1,其它編號方法與上述相同。

1.3 收縮試驗

砂漿收縮性能根據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》(JTG E30-2005)中的水泥膠砂干縮試驗方法進行測試，試件尺寸為25 mm×25 mm×280 mm，儀器為BC-II型數顯式比長儀。收縮環境溫度為(25±2)℃，相對濕度RH為80%。以收縮率St(%)作為收縮性能評價指標。

1.4 力學性能

砂漿力學性能根據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》(JTG E30-2005)中T0506-2005水泥膠砂強度檢驗方法進行測試，養護條件與收縮試驗一致。模具采用40 mm×40 mm×160 mm三聯模。抗折強度(MPa)及抗壓強度(MPa)分別采用抗折試驗機及壓力機進行測試。

2 混合型多指標橢球型灰靶決策模型及計算步驟

沈春光[13]等人針對決策指標類型不固定的情況，建立了實數和區間數共同存在的混合型多指標灰靶決策模型，可在權重信息不確定的情況下對事件進行決策優選，決策方法步驟具體如下：

a.混合型決策數據及其規范化處理。

設決策方案為Si，決策矩陣X=(xij)n×m，采用混合型數據規范化方法對將其轉化為規范化決策矩陣R=(rij)n×m，步驟如下：

設A1、A2分別代表效益型指標和成本型指標的下標集，則：

當指標值為精確實數時，規范化后的決策矩陣為：

(2)

當指標值為區間數時，規范化后的決策矩陣為：

(3)

b.建立混合型橢球灰靶，確定灰靶靶心r0、決策方案效果向量ri的靶心距εi設：

(4)

(5)

設決策指標權重向量為：

W=(W1,W2,…,Wm)T,(i=1,2,…,m)

(6)

(7)

效果向量ri的靶心距:

(8)

其大小直接反映效果向量的優劣，靶心距越小，則決策方案Si越優良。

當權重信息未知時，以靶心距最小對各目標權重建立單目標最優化模型，方程如下：

(9)

對其構造拉格朗日函數得：

(10)

分別對W，λ求偏導，解之得：

(j=1,2,…,m)

(11)

d.方案決策。

3 結果與討論

3.1 抗折強度分析

根據表2中配比設計試驗方案對不同SAP粒徑及摻量的砂漿進行3、7、14、28 d齡期下的抗折強度試驗，結果如圖2所示。

(a)W/C=0.37

由圖2(a)可見，對于W/C=0.37的砂漿，在不摻加SAP時，3～7 d齡期范圍內抗折強度增長速度較快，7 d時已達到28 d強度的94.79%，之后強度增長明顯減緩。但對于摻加SAP的砂漿，除40-1外，抗折強度在28 d齡期內基本呈均勻階梯式的增長趨勢，7、14 d強度分別為28 d強度的77%～85%與85%～96%，說明SAP的加入能夠控制水泥水化循序漸進地進行，且SAP凝膠中所儲水分在砂漿中呈持續、緩慢釋放規律，致使自養護砂漿強度的增長速率比基準砂漿慢，以上現象對于增強水泥基材料早期韌性，抑制早期收縮微裂紋以及降低水化放熱峰值(減少溫縮)均具有重要作用。

由圖2(a)可見，對比不同粒徑SAP，3 d齡期時基準砂漿抗折強度相對最高(6.53 MPa)，其次是Sap-40砂漿(摻量1～3均值為6.02 MPa)，Sap-100砂漿(摻量1～3均值為5.80 MPa)以及Sap-20砂漿(摻量1～3均值為5.59 MPa)，但到7 d齡期時，Sap-20砂漿強度迅速增長，并超過Sap-40及Sap-100SAP砂漿，到28 d時甚至超過基準砂漿。究其原因，20～40目SAP吸液后體積較大，3 d齡期內會在砂漿內部留下一定量的大孔，此時水化程度較低，該孔洞的存在會影響強度的發展。

在SAP摻量方面，總體上來看，SAP摻量越大，殘留孔越多，對強度降低的程度越多，但對于摻加Sap-40的砂漿，摻量越大，28 d強度越高，離水化程度與孔隙率之間的最佳權衡狀態越接近。

對于W/C=0.31的砂漿，圖2(b)中呈現的規律與W/C=0.37的砂漿基本一致，區別在于對于摻Sap-20的砂漿，28 d強度隨摻量的增大呈先上升后下降的趨勢，而摻Sap-100的砂漿28 d強度隨摻量的增大呈先下降后上升的趨勢，規律較不明顯。究其原因，根據Powers理論，在W/C≤0.36的情況下，加入的SAP無法滿足水泥的充分水化，這就導致SAP對水泥的水化促進程度與孔結構的關系相對復雜。

3.2 抗壓強度分析

同樣根據表2中方案對不同砂漿進行3～28 d齡期抗壓強度試驗，結果如圖3所示。

(a)W/C=0.37

由圖3可見，SAP自養護砂漿抗壓強度隨粒徑及摻量的變化規律與抗折強度差異較大。對于W/C=0.37的砂漿，采用Sap-100時28 d抗壓強度最高，摻量最佳時為基準砂漿的1.02倍，其次是Sap-40、Sap-20，而對于W/C=0.31的砂漿，采用Sap-40時28 d抗壓強度最高，在3種摻量下其抗壓強度均高于基準砂漿，最高為基準砂漿的1.06倍，原因如下：

通過對比分析同等自養護額外引水量下的砂漿抗壓強度(即對比每種粒徑的第二種摻量)發現，對于W/C=0.37的砂漿，在自養護額外引水量相同的條件下，SAP粒徑越細，其數量越多，在砂漿中的分布范圍越廣，使水泥石內更多的部位能夠獲得自養護水的浸潤，從而進一步水化。加之抗壓強度試驗試件的受壓面為整個面，故SAP自養護面積越大，其水化越均勻，整體強度越高，因此采用Sap-100時砂漿28 d抗壓強度最高

對于W/C=0.31的砂漿，由于水灰比較低，砂漿自身含有的水分少，此時最細粒徑的SAP易出現微弱的“團粒子”效應，出現吸液不充分的現象，而Sap-40不僅分布范圍較為廣泛，自養護面積較大，且分散性良好，故抗壓強度較高。

3.3 收縮特性發展規律

經對兩種水灰比的SAP自養護砂漿28 d齡期內的收縮率進行持續監測，得出試驗結果如圖4、圖5所示。

(a)摻Sap-20的自養護砂漿收縮性能

(a)摻Sap-20的自養護砂漿收縮性能

由圖4可知，對于W/C=0.37的砂漿，基準組的早期(5 d齡期內)收縮率在0.05%左右波動，而摻加Sap-40及Sap-100的砂漿在各組最佳摻量下的收縮率基本為0，見圖4(d)，而摻加Sap-20雖然減縮效果不如前兩者，但在最佳摻量時3 d內的收縮率也僅為0.003 1%，說明在粒徑和摻量合理的范圍內，SAP能夠在極高程度上抑制水泥基材料的早期收縮，在水泥漿體的萌芽階段大幅降低原始損傷。

由圖4(a)發現，Sap-20摻量對砂漿收縮率影響顯著，在摻量1(0.05%，質量百分數)下，SAP砂漿28 d內的收縮率與基準組基本相近，分析是因為該摻量下的自養護引水量不足以補足膠凝材料水化所缺水分，且SAP粒徑大而粒子數量少，無法很好地浸潤未水化的膠凝材料；在摻量2(0.1 %，質量百分數)下，其28 d內的收縮率均值為0.006 45%，而基準組收縮率均值為0.050 73%，計算出減縮率高達87.29%，收縮程度極小，減縮效果明顯增大；但當SAP摻量過多時，即在摻量3(0.15 %，質量百分數)下，砂漿從開始就出現了體積膨脹效應，并持續至28 d齡期，再次證明了Sap-20儲水穩定性較弱，在摻量較大時釋水過多，加速了鈣礬石的生長速度，并導致凝膠體中水泥粒子吸附水膜后增厚，膠體粒子間的距離增大而出現膨脹。

由圖4(b)和圖4(c)可知，對于摻加Sap-40及Sap-100的砂漿，摻量對減縮效果的影響較小，其中Sap-100砂漿整體減縮程度最高，歸因于其分布均勻。

由圖5可見，對于W/C=0.31的SAP砂漿，由于水灰比較低，因此自養護水主要于膠凝材料的水化，砂漿基本未出現膨脹現象。其次，SAP對W/C=0.31的砂漿的減縮效果小于對W/C=0.37的砂漿，與基準組相比，在最佳摻量下摻Sap-20、Sap-40、Sap-100的砂漿5 d內的平均減縮率分別為69.76 %，89.27%，81.46%。同時，其減縮作用在10 d齡期內體現得較為顯著，而在10～28 d齡期內基準組砂漿與SAP砂漿的收縮率呈不斷接近的趨勢，推測SAP在10 d齡期左右釋水結束，10 d后水泥漿體仍會出現一定程度的自干燥收縮效應，但此效應不會大幅增加材料微裂紋的產生。

各粒徑在最佳摻量下，減縮效果由大到小排序分別為：Sap-40>Sap-20>Sap-100，分析得出，在低水灰比環境下，Sap-40引水量適中且不易結團，而Sap-100可能會出現輕微結團現象以影響自養護效果。

3.4 基于橢球型灰靶決策的SAP粒徑確定及摻量范圍優選

3.4.1水灰比為0.37的自養護砂漿灰靶決策

基于圖2(a)、圖3(a)、圖4(a)中砂漿收縮性能及力學性能實測數據，將3 d收縮率St、14～28 d收縮率St區間、28 d抗折強度Rf以及28 d抗壓強度Rc這4項設計指標試驗結果列于表3中，其中Rf與Rc屬于效益型指標，St屬于成本型指標。

表3 W/C為0.37的自養護砂漿設計指標試驗結果Table3 Testresultsofdesignindexofself-curingmortarwithW/Cof0.37砂漿類型決策指標St(3d)/%St(14-28d)/%Rf(28d)/MPaRc(28d)/MPa基準0.0505[0.0310,0.0551]9.4149.3820-10.0585[0.0363,0.0673]9.8943.2720-20.0031[|-0.0139|,0.0175]9.1244.2520-3|-0.0167|[|-0.0052|,|-0.0261|]8.2544.5840-10.0044[0.0220,0.0341]8.0147.1740-20.01[0.0169,0.0387]8.4544.9040-3|-0.0012|[0.0077,0.0274]8.6844.54100-1|-0.0007|[0.0076,0.0407]8.8648.38100-20.0001[0.0061,0.0299]8.0546.58100-30.0056[0.0134,0.0190]7.7844.52

根據混合型多指標灰靶決策計算方法，將表3中數據代入式(2)～式(11)中，從而得到靶心r0=(0.985 630 135，0.000 214 72，0.360 596 257，0.340 977 434)，即最優效果向量。以靶心距最小為目標，計算4項設計指標的最優權重向量W*，最終得到各SAP摻配方案的靶心距，見表4。

表4 W/C為0.37的自養護砂漿靶心距Table4 Off-targetdistanceofself-curingmortarwithW/Cof0.37基準20-120-220-340-140-240-3100-1100-2100-30.62220.62230.60360.62100.61090.61820.57220.53490.04530.6145

由表4可知，靶心距由小至大排列順序為：100-2<100-1<40-3<20-2<40-1<100-3<40-2<20-3<基準<20-1，基準砂漿排在第9位，說明SAP自養護效果優良，其加入能夠較好地權衡水泥基材料收縮性能與力學性能之間的關系。其次，位于前2位的100-2與100-1的靶心距明顯小于位于第3位的40-3，而位于第4到第6位的20-2、40-1、100-3，三者之間的靶心距非常接近。綜上，認為在最佳SAP摻量下，采用粒徑為Sap-100綜合性能最優。根據表2可知，Sap-100摻量變化范圍在0.12%到0.22%之間，考慮到100-2性能最優，其次是100-1、100-3，故按照性能的優劣側重，得出SAP的最佳適用摻量范圍為0.145%～0.187%。

3.4.2水灰比為0.31的自養護砂漿灰靶決策

同樣基于圖3、圖5、圖7中砂漿收縮性能及力學性能實測數據可得出設計指標值，經計算得到靶心r0=(0.898 111 050，7.379 2E-05，0.453 234 243，0.332 031 066)，靶心距計算結果見表5。

表5 W/C為0.31的自養護砂漿靶心距Table5 Off-targetdistanceofself-curingmortarwithW/Cof0.31基準20-120-220-340-140-240-3100-1100-2100-30.54980.53370.53920.45130.34160.03570.50310.53100.54720.5132

砂漿靶心距由小至大的排列順序為：40-2<40-1<20-3<40-3<100-3<100-1<20-1<20-2<100-2<基準。可見加入SAP的砂漿綜合性能均高于基準砂漿，說明SAP對于較低水灰比水泥基材料來說自養護效果更好。同樣，位于前2位的40-2與40-1的靶心距遠小于位于第3位的20-3，而位于第3位和第4位的20-3和40-3靶心距接近。基于上述，認為在最佳SAP摻量下，采用Sap-40綜合性能最優。由表2可知，Sap-40摻量變化范圍在0.13%到0.23%之間，考慮性能的優劣側重，得出SAP的最佳適用摻量范圍為0.155%～0.2%。

基于本文研究成果，廣東惠清高速公路TJ14標探塘大橋水泥混凝土橋面整體化層采用了Sap-100摻量為0.15%的C40自養護水泥混凝土，圖6為實體工程整體效果圖和局部細節圖。從2018年5月澆筑至2020年4月瀝青混凝土面層攤鋪前，橋面整體化層表觀形貌良好，未出現可見收縮開裂。

(a)SAP自養護水泥混凝土橋面整體效果圖

4 結論

a.SAP能夠在一定程度上控制水泥水化進程，SAP凝膠中所儲水分在砂漿中呈持續、緩慢釋放規律，使砂漿抗折強度的增長速率低于基準組，基本呈均勻階梯式的增長趨勢。以上現象對于增強水泥基材料早期韌性，抑制早期收縮微裂紋具有重要作用。

b.SAP自養護砂漿抗壓強度隨粒徑及摻量的變化規律與抗折強度差異較大。對于W/C=0.37的砂漿，采用Sap-100時28 d抗壓強度最高，摻量最佳時為基準砂漿的1.02倍，而對于W/C=0.31的砂漿，采用Sap-40時28 d抗壓強度最高，最高為基準砂漿的1.06倍。

c.W/C=0.37時，摻加Sap-40及Sap-100砂漿在各組最佳摻量下的早期收縮率基本為0，減縮率約為99%；W/C=0.31時，最佳摻量下Sap-20、Sap-40、Sap-100砂漿早期平均減縮率分別為69.76 %、89.27%、81.46%；在粒徑和摻量合理的范圍內，SAP能夠在極高程度上抑制水泥基材料的早期收縮。