鹽漬土環(huán)境下高吸水樹脂混凝土抗壓強度及氯離子滲透研究

陳 鵬，金祖權，李建強，陳永豐

(青島理工大學 土木工程學院，山東 青島 266033)

鹽漬土環(huán)境下高吸水樹脂混凝土抗壓強度及氯離子滲透研究

陳 鵬，金祖權，李建強，陳永豐

(青島理工大學 土木工程學院，山東 青島 266033)

標準養(yǎng)護和夏季自然養(yǎng)護的內(nèi)養(yǎng)護混凝土在鹽漬土環(huán)境中腐蝕不同齡期，測試其抗壓強度及氯離子滲透性能。結果表明：無論標準養(yǎng)護還是自然養(yǎng)護，高吸水樹脂的摻加均降低了混凝土早期強度，但當高吸水樹脂摻量為1kg/m3時可提高混凝土后期強度，且提升幅度對低水膠比混凝土更明顯。在鹽漬土腐蝕環(huán)境中，普通混凝土強度先上升后下降，而內(nèi)養(yǎng)護混凝土強度先下降后上升。高吸水樹脂能夠延緩混凝土抗壓強度下降的速率，提升混凝土抗氯離子滲透能力。

高吸水樹脂；內(nèi)養(yǎng)護混凝土；抗壓強度；鹽漬土；氯離子滲透

Abstract: The compressive strength and chloride ion penetration of concrete exposed to saline soil for different corrosion age were tested. The inner curing concrete was prepared with super absorbent polymer (SAP) and cured in standard condition and summer natural environment. Experimental results show that the early strength of inner curing concrete decreases whether in standard curing or in natural curing environment. However, the compressive strength of concrete incorporating with 1kg/m3SAP increases in the later curing age, and the improving influence of SAP on compressive strength of concrete in later age is more remarkable for low water-binder ratio concrete than high water-binder ratio concrete. In saline soil environment, the compressive strength of plain concrete appears a trend of rise first then fall. However, the compressive strength of concrete incorporated with SAP decreases firstly, and then increases with corrosion age. The time of compressive strength decline point of concrete in saline soil was delayed, and the chloride penetration resistance capacity of inner curing concrete is improved due to the addition of SAP.

Keywords: super absorbent polymer (SAP)；internal curing concrete; compressive strength；saline soil；chloride ion penetration

鹽漬土地區(qū)普遍存在高風速、低濕度、強腐蝕特點，降低混凝土水膠比可有效提升混凝土的抗腐蝕能力。一旦這類混凝土中膠凝材料、尤其是水泥用量增加，混凝土收縮將隨之增加，甚至其早期自收縮占到28d總收縮變形的50%以上。加之鹽漬土地區(qū)的高風、低濕影響，混凝土因自收縮和干燥收縮而導致的開裂問題時有發(fā)生。因此通過內(nèi)養(yǎng)護，即以高吸水樹脂來為混凝土內(nèi)部提供水源來減少高性能混凝土的收縮成為研究的熱點[1]。高吸水性樹脂(SAP)是一種強親水性的高分子化合物。由于SAP分子結構中存在大量的羥基、羧基及氨基等強親水基因,因此，SAP具有極高的吸收水分的能力，有時吸收水的重量可以超過其自身重量的500倍[2-3]。許多研究表明[4-5]，向混凝土中摻加高吸水樹脂能夠有效抑制高強混凝土的早期自收縮。對于吸水樹脂對混凝土抗壓強度的影響，Pierard等[6]通過在水灰比為0.35的混凝土中添加膠凝材料總量0.3%和0.6%預吸水樹脂后發(fā)現(xiàn)：其28d抗壓強度分別降低8%和14%。Mechtcherine等[7]在水灰比為0.22的混凝土中分別加入相對于膠凝材料質(zhì)量的0.3%和0.6%的預吸水樹脂，結果表明7d抗壓強度分別降低12%和30%，28d抗壓強度分別降低4%和20%。Reinhardt等[8]的研究表明，混凝土中摻加高吸水樹脂后，抗壓強度變化很小。孫婧等[9]通過試驗發(fā)現(xiàn)，混凝土在摻入高吸水樹脂后其各個齡期的抗壓強度均有不同程度的提高。顯然，吸水樹脂對混凝土強度的影響受到膠凝材料類型以及初始W/B的影響?？紤]鹽漬土地區(qū)部分大體積混凝土及基礎部分仍采用C25-C30的低強度等級現(xiàn)狀，本文研究了不同摻量吸水樹脂對高、低水膠比混凝土的強度和耐久性能影響規(guī)律，以期為上述地區(qū)內(nèi)養(yǎng)護混凝土設計奠定基礎。

1 原材料與試驗方法

1.1試驗原材料

水泥：P.I型52.5水泥，其化學組成見表1；細骨料：青島大沽河砂場的河砂，經(jīng)檢測為中砂，非活性集料，集配良好。粗骨料：5～20 mm碎石。水：實驗室自來水；減水劑：JM-PCA(Ⅰ)型聚羧酸高效減水劑，其減水率為30%左右。高吸水樹脂(SAP)：H700型高吸水樹脂，主要性能指標如表2所示。

表1 P.I型52.5水泥化學成分 %Tab. 1 Chemical composition of P.I 52.5 cement %

表2 H700型高吸水樹脂性能指標Tab. 2 Performance indicators of H700 type SAP

1.2混凝土配合比

考慮高、低水膠比對內(nèi)養(yǎng)護混凝土性能影響，設計兩類混凝土W/B分別為0.33和0.52，吸水樹脂摻量分別為0～2kg/m3。樹脂通過預吸水處理，其吸水比例為樹脂∶水=1∶30?？紤]到吸水樹脂將通過養(yǎng)護過程中水分釋放來促進混凝土養(yǎng)護，故混凝土用水量為初始總用水量減去吸水樹脂吸水量，混凝土配合比如表3所示，表中的配合比為初始總配合比，L系列為C50強度混凝土，SAP摻量分別為0、1、1.5及2 kg/m3；C系列為C30強度混凝土，SAP摻量分別為0、1和2 kg/m3。

表3 混凝土配合比 (kg·m-3)Tab. 3 Mix proportion of concrete (kg·m-3)

2.3試驗方法

攪拌混凝土時，先讓高吸水樹脂預吸水15分鐘，吸水比例為1∶30。將水泥、砂以及石子加入混凝土攪拌機中，干攪1 min，然后加入預吸水高吸水樹脂，攪拌1 min，之后加入自來水，攪拌3 min左右，24 h后進行拆模?；炷猎噳K養(yǎng)護為標準養(yǎng)護和自然養(yǎng)護。標準養(yǎng)護是在標準養(yǎng)護實驗室內(nèi)養(yǎng)護，溫度為20±2℃，相對濕度在95%以上。自然養(yǎng)護為先在標準養(yǎng)護室養(yǎng)護3 d，然后取出置于室內(nèi)環(huán)境自然養(yǎng)護到7 d、28 d和90 d，此時為夏季，室內(nèi)溫度為20±3℃，濕度為70%左右。混凝土抗壓強度測試方法參照GB/T50107—2010《混凝土強度檢測評定標準》。為研究吸水樹脂混凝土的耐久性能，將養(yǎng)護28 d吸水樹脂混凝土5個面刷涂環(huán)氧樹脂，留出一個面作為腐蝕面以保證氯離子的一維傳輸，然后將混凝土全埋于鹽漬土中。本試驗所用鹽漬土是從東營腐蝕最嚴重的地區(qū)現(xiàn)場取土，帶回實驗室進行試驗，鹽漬土中離子種類及含量如表4所示?；炷猎邴}漬土中腐蝕120 d后取出，洗去表面的鹽漬土，對試塊逐層進行磨粉，然后用化學滴定法測試混凝土氯離子濃度。

表4 鹽漬土離子種類及含量Tab. 4 Type and content of ion in saline soil

2 試驗結果及討論

2.1標準養(yǎng)護條件下混凝土抗壓強度

標準養(yǎng)護條件下不同類型混凝土3 d、7 d、28 d以及90 d抗壓強度如圖1所示。

圖1 標準養(yǎng)護條件不同SAP摻量的混凝土抗壓強度Fig. 1 Compressive strength of concrete of different SAP amount in standard curing condition

從圖1可以看出，在標準養(yǎng)護條件下，無論W/B=0.33還是0.52，混凝土在加入高吸水樹脂后早期強度均有所降低。對于W/B=0.33混凝土而言，當吸水樹脂摻量為1 kg/m3時，相比未摻加高吸水樹脂的混凝土，其3 d強度略有降低，7 d和28 d強度略高，而90 d強度則提高了10%左右。當樹脂摻量為1.5和2 kg/m3時，不僅其早期強度低于基準混凝土，而且后期強度下降幅度更高。這表明在總水灰比一定的前提下，當高吸水樹脂摻量為每立方混凝土1kg時，對早期強度產(chǎn)生不利影響，但能明顯提高后期強度，當高吸水樹脂摻量過高時，會明顯降低混凝土3 d和90 d強度，28 d強度變化不明顯。

對于W/B=0.52混凝土而言，C30SP1混凝土早期強度(3 d和7 d)明顯低于C30強度，28 d和90 d強度高于C30強度，但C30SP2混凝土早期和后期強度均低于C30混凝土強度，其后期強度較C30混凝土降低較少。分析吸水樹脂摻量對高、低水膠比混凝土的影響。顯然，吸水樹脂對低水灰比混凝土早期強度影響不大，而對后期強度，尤其是90d強度影響較大；對高水灰比混凝土早期強度影響較大，對后期強度影響不大。

2.2自然養(yǎng)護條件下混凝土抗壓強度

自然養(yǎng)護條件下，混凝土在7 d、28 d和90 d抗壓強度如圖2所示。

圖2 自然養(yǎng)護條件不同SAP摻量的混凝土抗壓強度Fig. 2 Compressive strength of concrete of different SAP amount in natural curing condition

從圖2中可以看出，在自然養(yǎng)護下，L50SP1、L50SP2和L50SP3混凝土7 d和28 d強度均低于L50混凝土，且隨著吸水樹脂含量的增加，強度降低越明顯。L50SP1混凝土90 d強度明顯高于L50混凝土，但L50SP2和L50SP3混凝土強度則低于L50混凝土。因此，在自然養(yǎng)護下，摻加高吸水樹脂的混凝土隨高吸水樹脂摻量的增加，強度逐漸降低，當樹脂摻量合理時，強度明顯高于未摻加高吸水樹脂的混凝土。分析高吸水樹脂對高水膠比混凝土的影響，C30SP1和C30SP2混凝土7 d強度均比C30混凝土高，隨著養(yǎng)護時間的增加，C30SP1混凝土28 d和90 d強度仍然比C30混凝土強度高，但C30SP2混凝土強度則與C30相差不大。對比圖2(a)和圖2(b)，自然養(yǎng)護條件下，高吸水樹脂降低了低水灰比混凝土早期強度，后期強度增加；對高水灰比混凝土強度影響效果不明顯。

2.3吸水樹脂混凝土在鹽漬土腐蝕下的強度演變

將標準養(yǎng)護下28 d的混凝土試件取出，放在室溫環(huán)境下晾干24 h，然后將試件全埋入鹽漬土環(huán)境中，測試其30 d、60 d和120 d抗壓強度演變，結果如3所示。

圖3 鹽漬土中腐蝕混凝土的抗壓強度演變Fig. 3 Evolution of corrosion concrete in saline soil

從圖3可以看出，未摻加樹脂的L50混凝土強度先提高后降低，而摻加高吸水樹脂的混凝土均呈現(xiàn)先降低后提高的趨勢。其原因在于：在鹽漬土環(huán)境中存在高濃度的SO42-，SO42-與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應生產(chǎn)鈣礬石和石膏，填充了混凝土中的孔隙，使得混凝土更加密實，導致混凝土強度升高，隨著腐蝕齡期的增加，膨脹性腐蝕產(chǎn)物導致混凝土開裂，強度下降。而摻加高吸水樹脂的混凝土強度先降低后提高，其原因在于：吸水樹脂具有吸水不吸鹽的特點，且在鹽漬土中的高鹽分導致了吸水樹脂中的水分加速向外遷移，混凝土中形成較多的空洞，從而導致初期強度下降。但隨著腐蝕齡期的增加，水泥水化程度提高，SO42-與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生化學反應，從而使得強度提高。W/B=0.52混凝土在鹽漬土環(huán)境下強度演變規(guī)律與W/B=0.33混凝土類似。

為驗證高吸水樹脂是否具有吸水不吸鹽的特點以及在高鹽環(huán)境下水分加速向外遷移，將1g高吸水樹脂預吸水2 h，然后分別放入到空氣、海水、5%NaCl+5%Na2SO4溶液中，分別測試10、30、60、180、360、720以及1 440 min高吸水樹脂質(zhì)量變化，結果如圖4所示。

圖4 高吸水樹脂在不同環(huán)境中的失水演變Fig. 4 Water loss evolution of SAP in different environment

從圖4中可以看出，高吸水樹脂失水符合Logistic函數(shù)，在海水中失水最快，3 h后就達到平衡，最后幾乎完全失水；在5%NaCl+5%Na2SO4中，3 h后達到失水平衡，最后能保持30倍左右的吸水倍率，而在空氣中失水最慢。這表明高吸水樹脂具有吸水不吸鹽的特點，而且在高鹽環(huán)境下水分加速向外遷移，在海水中失水最快，最后幾乎完全失水。

2.4高吸水樹脂混凝土抗氯離子滲透能力

測試吸水樹脂混凝土腐蝕120 d的水溶氯離子濃度，其結果如圖5所示。

圖5 樹脂混凝土中氯離子濃度分布Fig. 5 Distribution of chloridion of SAP concrete

從圖5可以看出，L50SP1混凝土氯離子濃度最低，L50次之，而L50SP2和L50SP3混凝土濃度均高于L50，且L50SP1混凝土氯離子濃度最早達到平衡。這表明，對于低水灰比混凝土，當每立方混凝土高吸水樹脂摻量為1kg時，混凝土抵抗氯離子侵蝕能力最強，隨著高吸水樹脂摻量的增加，混凝土抵抗氯離子侵蝕能力逐漸下降。對于W/B=0.53混凝土而言，C30SP2混凝土氯離子濃度最低，且最早達到穩(wěn)定，C30SP2混凝土次之，C30混凝土濃度最高。這表明，對于高水灰比混凝土，隨著樹脂摻量的增加，混凝土抵抗氯離子侵蝕能力逐漸增強。

應用Fick第二定律對兩系列混凝土氯離子濃度進行擬合，得到混凝土表觀氯離子擴散系數(shù)，如表5所示。

表5 鹽漬土腐蝕環(huán)境中氯離子擴散系數(shù)Tab. 5 The diffusion coefficient of chloridion in saline soil

從表5可以看出，W/C=0.33系列混凝土中，摻加1 kg/m3吸水樹脂的L50SP1混凝土氯離子擴散系數(shù)最低，是L50混凝土的40%左右。L50SP2和L50SP3混凝土氯離子擴散系數(shù)相差不大。對于W/B=0.52混凝土而言，隨著高吸水樹脂摻量的增加，氯離子擴散系數(shù)逐漸降低，摻加1.5 kg/m3吸水樹脂的C30SP2混凝土氯離子擴散系數(shù)下降了60%左右，這與混凝土強度演變規(guī)律不一致。其原因在于：混凝土中高吸水樹脂摻量增加，樹脂預吸水增加，導致水泥水化比較緩慢，隨著齡期的增加，水泥水化程度逐漸增高，最終C30SP2水化程度最高，混凝土更加密實，因而氯離子擴散系數(shù)最低。

3 結 語

1)在標準養(yǎng)護下，對低水灰比的混凝土，高吸水樹脂對早期強度產(chǎn)生不利影響，但當高吸水樹脂摻量合理時，能較大幅度提高混凝土后期強度。對于高水灰比混凝土，高吸水樹脂摻量對混凝土早期強度產(chǎn)生較大不利影響，對后期強度影響較小。

2)在自然養(yǎng)護環(huán)境下，對低水灰比混凝土，高吸水樹脂對混凝土7 d和28 d強度產(chǎn)生不利影響，但能增加混凝土90 d強度；對高水灰比混凝土，高吸水樹脂能夠提升混凝土早期強度，但對后期強度影響較小。

3)摻加高吸水樹脂的混凝土在鹽漬土環(huán)境中腐蝕，其強度先下降后增加，延遲了鹽漬土中混凝土強度降低的初始時間；自由氯離子濃度和總氯離子濃度均明顯低于未摻加高吸水樹脂的混凝土，且氯離子擴散系數(shù)降低大約55%，提高了混凝土抗氯離子侵蝕性能。

4)綜合考慮混凝土強度及抗鹽漬土腐蝕，當混凝土中高吸水樹脂摻量為1kg/m3時，混凝土綜合性能最好。

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Compressive strength and chloride penetration of SAP concrete in saline soil environment

CHEN Peng, JIN Zuquan, LI Jianqiang, CHEN Yongfeng

(School of Civil Engineering, Qingdao University of Technology, Qingdao 266033, China)

1005-9865(2017)02-0050-06

TU528

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.02.008

2016-04-05

國家自然科學基金資助項目(51378269，51420105015)；鐵道部科研計劃資助項目(2014G004-F)

陳 鵬(1991-)，男，山東德州人，碩士研究生，主要從事混凝土耐久性研究。E-mail: 1026971880@qq.com

金祖權。E-mail: jinzuquan@126.com