基于SAP 內養護的混凝土力學及收縮特性研究

■張本航 劉 帥

（1.中交第二航務局有限公司，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”規劃及交通強國戰略的展開， 水泥混凝土路面將在我國交通現代化建設中承擔更為重要的責任。 然而水泥混凝土路面由于早期內部水分較少， 再加上暴露在空氣中水分蒸發作用較大， 導致混凝土內部用于自身水化用水不足，導致膠凝材料水化不充分，從而影響水泥混凝土的強度發展[1-3]。 另外水泥混凝土內部水分的不足將導致混凝土內部毛細孔隙失水， 從而引起毛細孔負壓增大，進而引發混凝土的收縮，從而誘發混凝土開裂。因此混凝土內部水分的補充將是提升混凝土強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）獨特的吸釋水特性在混凝土內部引入水分，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，在混凝土內部形成微型“蓄水池”，隨后在養護期內，當混凝土內部水分不足時及時釋水分，以此在混凝土內部形成內養護[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度、抗彎拉強度及干燥收縮等性能的影響，從而得出SAP 對混凝土力學強度及收縮的作用規律，為SAP 在水泥混凝土工程中的應用提供數據支撐。

1 原材料及試驗方法

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 抗壓強度為68.2 MPa，28 d 抗折強度為9.6 MPa。 粉煤灰選用符合規范標準的I 級粉煤灰，細度為270 m2/kg。 粗集料選用粒徑為4.75～9.5 mm和9.5～19 mm 的石灰巖碎石，堆積密度最大時兩檔料的比例為3∶7，滿足規范合成級配要求。 細集料采用細度模數為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 配合比設計

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

本研究考慮到實際工程應用過程中應以SAP飽和吸水為條件，因此試驗過程中均控制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（內養護水量）計算方法參考Powers理論公式，如公式（1）所示。 由公式（1）計算所得理論內養護水量， 并由SAP 吸液倍率計算出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為內養護水量，B 為膠凝材料質量。

1.3 試驗設計

混凝土力學強度試驗按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（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， 每組設置3 個平行試件，分別測試其7 d、28 d 的抗壓強度和抗彎拉強度。

利用100 mm×100 mm×400 mm 梁形試件進行了混凝土的干燥收縮試驗，通過MIC-YWC-5 位移傳感器和MIC-DCV-4 數據接收設備對混凝土28 d收縮情況進行實時監測，采集時間間隔為1 h，試驗環境溫度控制為（20±2）℃，外界相對濕度（RH）保持在60%±5%。

2 結果與分析

2.1 力學強度

由圖1 可知，總體而言SAP 的摻加對混凝土抗壓及抗彎拉強度影響不大。 對于抗壓強度及抗彎拉強度而言， 較大粒徑SAP 的摻入對混凝土影響較小，甚至對混凝土強度產生不利影響，隨著SAP 粒徑的減小， 混凝土的強度將會得到一些提升，100～120 目SAP 對混凝土強度的提高作用最大，7 d、28 d抗壓強度最大可分別提高12%、10.4%，7 d、28 d 抗彎拉強度最大可分別提高7.6%、6.4%。 另一方面，SAP 參數對混凝土力學強度的提升效果存在最佳粒徑，一般來說，隨著SAP 摻量的增大，混凝土抗壓強度及抗彎拉強度均表現出先增大后減小的趨勢，當SAP 摻量較小或者較大時，混凝土的抗壓強度及抗彎拉強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 抗壓強度分別較無SAP 組提升2.7%、8.6%、10.4%，28 d 抗彎拉強度分別較無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度的影響

由此可見，較大粒徑的SAP 對混凝土的強度可能會產生輕微不利影響， 但仍能滿足規范要求，較小粒徑SAP 對混凝土力學強度有一定的提升作用。同時，SAP 對混凝土強度的提升作用存在最佳摻量，在最佳摻量下SAP 對混凝土強度的提升效果最好。 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部水分缺少時及時補水，從而使得膠凝材料充分水化，使得混凝土內部更加致密，提升混凝土界面過渡區的力學強度，從而在一定程度上提升混凝土的抗壓及抗彎拉強度。

2.2 干燥收縮

經計算， 混凝土的干燥收縮變形監測結果見圖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護全齡期內的干燥收縮，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展更平緩。

分析其原因在于，一方面SAP 在混凝土內部及時釋水， 補充混凝土內部毛細孔內的水分散失，抑制毛細孔壓力的增大，因此可以對混凝土的干燥收縮起到良好的養護效果。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 養護范圍更廣，因此取得更好的內養護效果，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SAP 摻量較小時，同樣會造成SAP 內養護范圍不足，混凝土內部部分區域未得到水分的補充， 因此， 養護效果較差， 而當SAP 摻量較大時，SAP 顆粒又容易結團， 從而使得SAP 顆粒變大，因此養護效果也會變差。

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。

3 結論

本研究通過研究不同粒徑及摻量的飽和吸液狀態SAP 對混凝土抗壓強度及抗彎拉強度的影響，得到如下結論：（1）SAP 粒徑越小，對混凝土的力學強度提升作用越好，100～120 目SAP 最大可提升混凝土10.4%的28 d 抗壓強度及6.4%的28 d 抗彎拉強度。 （2）SAP 對混凝凝土的力學強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強度產生不利影響，較小粒徑SAP 僅在最佳摻量下才能起到提升混凝土力學強度的作用。 （3）SAP 的摻入顯著減少了混凝土養護全齡期內的干燥收縮，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展更平緩。