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(qiáng)

（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(qiáng)

（銀川能源學(xué)院，寧夏銀川 750100）

針對(duì)混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)的人工養(yǎng)護(hù)費(fèi)時(shí)費(fèi)力及浪費(fèi)水資源問題，利用超吸水聚合物的自養(yǎng)護(hù)作用，改善混凝土的性能，試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)的方法，確定出在標(biāo)養(yǎng)和干養(yǎng)條件下的最優(yōu)配合比并與基準(zhǔn)混凝土的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)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(qiáng)度。

超吸水聚合物 混凝土 抗壓強(qiáng)度

寧夏屬于干旱少雨、嚴(yán)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(hù)時(shí)需要大量的水進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，浪費(fèi)了大量的水資源，針對(duì)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(hù)達(dá)到提高強(qiáng)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(shí)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(hù)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(yàn)得到最優(yōu)配合比，再通過與基準(zhǔn)組的對(duì)比，分析SAP、粉煤灰和煤矸石對(duì)混凝土在標(biāo)養(yǎng)和干養(yǎng)條件下的抗壓強(qiáng)度的影響。

1 試驗(yàn)原材料

（1）水泥：寧夏賽馬牌PO42.5R級(jí)水泥，各項(xiàng)性能指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定。

（2）粉煤灰：寧夏銀川熱電廠生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(xì)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(jí)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(biāo)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(dá)25%～30%。

（8）水：自來水。

2 試驗(yàn)方法

根據(jù)吳中偉院士的高性能混凝土的設(shè)計(jì)方法［2］，本試驗(yàn)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C60，本試驗(yàn)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(gè)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(hù)作用對(duì)混凝土28d 抗壓強(qiáng)度的影響。采用L18（37）正交試驗(yàn)，試驗(yàn)水平如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

表2 混凝土28d正交試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果

表3 標(biāo)養(yǎng)、干養(yǎng)條件下混凝土28d抗壓強(qiáng)度極差分析

表4 對(duì)比試驗(yàn)配合比

混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（DL/T5150-2001）的規(guī)定進(jìn)行，采用100mm×100mm×100mm試模成型，在標(biāo)養(yǎng)和干養(yǎng)兩種養(yǎng)護(hù)條件下分別養(yǎng)護(hù)28d進(jìn)行試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

正交試驗(yàn)結(jié)果、混凝土抗壓強(qiáng)度極差分析如表2-3所示。

3.1 正交試驗(yàn)

由表3可知，在標(biāo)養(yǎng)條件下，影響混凝土28d抗壓強(qiáng)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(qiáng)度呈降低趨勢(shì)；隨著粉煤灰、煤矸石的增加，抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，隨著砂率的增加，抗壓強(qiáng)度呈增加的趨勢(shì)，綜合實(shí)用性、工作性和經(jīng)濟(jì)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(qiáng)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(yàn)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(qiáng)度呈先增后降的趨勢(shì)；隨著粉煤灰的增加，抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，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(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，在標(biāo)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(qiáng)度下降幅度較小，SAP對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，在干養(yǎng)條件下影響較大，在標(biāo)養(yǎng)條件下影響較小，綜合考慮兩種最優(yōu)方案，綜合實(shí)用性、工作性和經(jīng)濟(jì)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(duì)比試驗(yàn)與分析

將優(yōu)選組與基準(zhǔn)配比進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，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(duì)高性能混凝土產(chǎn)生的影響。試驗(yàn)安排及結(jié)果如表4所示。

由表4可知：（1）在標(biāo)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(duì)混凝土28d抗壓強(qiáng)度有所降低，降幅為7.6%，這是因?yàn)榉勖夯液兔喉肥饕翘岣呋炷恋暮笃趶?qiáng)度，而早期強(qiáng)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(jì)效果。②Z和J相比，表明復(fù)摻粉煤灰、煤矸石和SAP對(duì)混凝土28d抗壓強(qiáng)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(qiáng)度明顯降低，降幅達(dá)8.3%，說明在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下SAP對(duì)混凝土的強(qiáng)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(duì)混凝土28d抗壓強(qiáng)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(duì)混凝土28d抗壓強(qiáng)度有所降低，降幅為5.5%，③C和Z相比，表明SAP對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度有提高作用，增幅達(dá)2.7%。（3）Z組混凝土的28d抗壓強(qiáng)度在干養(yǎng)環(huán)境比在標(biāo)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(qiáng)度提高，對(duì)混凝土強(qiáng)度是有利的。（4）機(jī)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(shí)，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(shí)度不斷提高，強(qiáng)度得以提高［3］另一方面，當(dāng)混凝土在水中養(yǎng)護(hù)時(shí)，SAP處于吸水飽和狀態(tài)，而SAP吸水后體積會(huì)產(chǎn)生膨脹，這樣會(huì)破壞混凝土的固有結(jié)構(gòu)，同時(shí)，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(qiáng)度降低。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）通過正交試驗(yàn)，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(biāo)養(yǎng)條件和在干養(yǎng)條件下養(yǎng)護(hù)時(shí)的28d強(qiáng)度較基準(zhǔn)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(hù)時(shí)可有效提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，節(jié)約養(yǎng)護(hù)用水及工程費(fèi)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(yàn)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(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（寧高教［2013］254號(hào)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。