超強(qiáng)吸水樹脂改善海工混凝土性能研究★

范海潮 鄭 軍 邢雙軍

(浙江萬里學(xué)院設(shè)計(jì)藝術(shù)與建筑學(xué)院，浙江寧波 315100)

1 概述

混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)指在混凝土中引入養(yǎng)護(hù)劑，它均勻地分散在混凝土中，起到內(nèi)部蓄水池的作用，主要成分為高吸水性物質(zhì)，如超強(qiáng)吸水樹脂(Super Absorbent Polymer，SAP)。在攪拌初期，SAP吸附混凝土的自由水。隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，SAP將釋放自由水供水泥顆粒繼續(xù)水化，保證養(yǎng)護(hù)期間水分的充足。

相比陸上混凝土，在海水環(huán)境里，混凝土結(jié)構(gòu)需承受冰凍、風(fēng)浪和海水等多種天然因素的作用，容易使海工混凝土遭受損傷而縮短其耐久年限。海工混凝土的發(fā)展方向是高性能海工混凝土，主要通過采用高膠凝材料用量、摻加粉煤灰、使用減水劑等手段來實(shí)現(xiàn)，但隨之帶來的問題是混凝土自縮大，水泥水化熱高，容易引起早期裂縫，反而對(duì)海工混凝土的耐久性產(chǎn)生不良影響。

本文就超強(qiáng)吸水樹脂SAP對(duì)海工混凝土尤其是內(nèi)摻粉煤灰海工混凝土的力學(xué)性能、收縮性能、抗?jié)B性能等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，探討海工混凝土摻加SAP后的應(yīng)用效果。

2 原材料和試驗(yàn)方法

2．1 實(shí)驗(yàn)材料

水泥:采用當(dāng)?shù)?2．5普通硅酸鹽水泥，其物理力學(xué)性能見表1。

表1 水泥的物理力學(xué)性能

碎石:采用5 mm～31．5 mm連續(xù)級(jí)配碎石。

粉煤灰:本地電廠的Ⅰ級(jí)粉煤灰。

減水劑:液體，主要降低混凝土的水灰比，減水率為20%左右。

超強(qiáng)吸水樹脂SAP:一種功能高分子材料，能吸收比自身重幾百倍到幾千倍水，保水性能優(yōu)良。

2．2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)參照GB/T 50081-2002普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法、GB/T 50082-2009普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

3 海工混凝土中摻加超強(qiáng)吸水樹脂實(shí)驗(yàn)及分析

3．1 普通海工混凝土力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)首先確定混凝土水泥用量360 kg/m3，砂率37%。在制備混凝土拌合物時(shí)，先將SAP置于水中預(yù)吸水，然后根據(jù)所需坍落度適當(dāng)調(diào)整用水量?；炷猎嚰叽鐬?50 mm×150 mm×150 mm，24 h拆模后，移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)配合比及實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 內(nèi)摻SAP普通海工混凝土配合比及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表2可見，當(dāng)超強(qiáng)吸水樹脂SAP的摻量比較小時(shí)，如0．1%～0．2%，混凝土的強(qiáng)度(如A2組、A3組)與基準(zhǔn)混凝土(A1組)接近，甚至高于基準(zhǔn)混凝土。然而，隨著SAP摻量的增加，混凝土的強(qiáng)度明顯下降，如 A4 組(0．3%SAP)、A5 組(0．4%SAP)，3 d 的強(qiáng)度分別是基準(zhǔn)混凝土(A1組)的85．8%，72．3%，28 d的強(qiáng)度分別是基準(zhǔn)混凝土(A1 組)的 89．8%，79．2%。

這是因?yàn)樵诨炷翑嚢钑r(shí)，適量摻加SAP，SAP可以將混凝土中的自由水吸附于自身分子內(nèi)部，減少自由水通過混凝土毛細(xì)孔的蒸發(fā)量和流失。而隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，水泥顆粒周圍的自由水不斷被消耗，SAP將釋放出其吸附的自由水供水泥顆粒繼續(xù)水化，保證養(yǎng)護(hù)期間水分的充足，從而促進(jìn)混凝土強(qiáng)度發(fā)展。而當(dāng)SAP摻量過多時(shí)，需要較多的水來保證混凝土的流動(dòng)性，無形中增加了混凝土的水灰比，比如A5組(0．4%SAP)的實(shí)際水灰比是0．46，而基準(zhǔn)混凝土(A1 組)的水灰比是0．41，增加了0．05;同時(shí)，SAP在釋放水分后，會(huì)殘留一部分孔隙，尤其是摻量過多的情況下，殘余的孔隙有一部分會(huì)達(dá)到有害孔的范圍，造成混凝土強(qiáng)度明顯降低，產(chǎn)生不利影響。另外，我們也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SAP摻量為0．4%或以上時(shí)，SAP需要與較多的水才能形成團(tuán)絮狀水凝膠體，不易分散，導(dǎo)致混凝土攪拌發(fā)生困難。

3．2 內(nèi)摻粉煤灰海工混凝土力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)

粉煤灰摻合料采用內(nèi)摻法，等量取代水泥用量，實(shí)驗(yàn)配合比及結(jié)果見表3。

由此可見，當(dāng)粉煤灰內(nèi)摻比例為10%時(shí)，B2組(0．1%SAP)強(qiáng)度最高，是基準(zhǔn)B1組的105%，其次是B3組(0．2%SAP)，當(dāng)SAP的摻量超出0．3%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度明顯下降，因而SAP的合適摻量為0．1% ～0．2%左右。而當(dāng)粉煤灰內(nèi)摻比例為30%時(shí)，SAP的合適摻量為0．2% ～0．3%左右。因而，對(duì)于粉煤灰海工混凝土，SAP對(duì)其力學(xué)性能的影響與普通海工混凝土稍有不同。我們認(rèn)為，這主要是SAP的引入，一方面，改善了混凝土內(nèi)部的水分分布情況，使水化反應(yīng)得以繼續(xù)進(jìn)行，提高了膠凝材料的水化程度，使混凝土內(nèi)水化產(chǎn)物增多，密實(shí)度提高，從而提高混凝土的早期及后期水化程度，對(duì)提高混凝土強(qiáng)度方面有利。另一方面，SAP在釋放水分后，會(huì)殘留一部分孔隙。而混凝土是一種典型的多孔介質(zhì)材料，孔隙分布錯(cuò)綜復(fù)雜，孔徑尺寸跨越微觀尺度和宏觀尺度，對(duì)混凝土的耐久性產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)內(nèi)摻粉煤灰后，一部分粉煤灰參與了水泥的水化歷程，而另一部分粉煤灰起填充混凝土結(jié)構(gòu)空隙的作用，因而對(duì)混凝土的強(qiáng)度發(fā)展產(chǎn)生影響，導(dǎo)致SAP的最佳摻量與普通海工混凝土有所不同。

表3 內(nèi)摻粉煤灰海工混凝土配合比及結(jié)果

3．3 海工混凝土收縮實(shí)驗(yàn)

海工混凝土的收縮試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×515 mm的棱柱體試件，兩端預(yù)埋測(cè)頭，用臥式混凝土收縮儀測(cè)量各個(gè)齡期的收縮變形。試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 內(nèi)摻SAP海工混凝土的收縮試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)混凝土來說，隨著SAP摻量的增加，混凝土的收縮變形明顯減少，如B3組(粉煤灰內(nèi)摻10%，0．2%SAP)的3 d收縮變形為－0．58 ×10－4，為基準(zhǔn)混凝土(A1 組)的74．4%，28 d 的收縮變形為 －1．40×10－4，為基準(zhǔn)混凝土(A1 組)的 75．3%，也比僅內(nèi)摻10%粉煤灰而沒有摻加 SAP的 B1組低。B8組(粉煤灰內(nèi)摻30%，0．3%SAP)的 3 d收縮變形為基準(zhǔn)混凝土(A1組)的69．2%，28 d的收縮變形僅為基準(zhǔn)混凝土的71．53%。這是因?yàn)閮?nèi)摻SAP后，SAP通過內(nèi)部蓄水，為水泥水化提供水分，降低混凝土內(nèi)部的濕度損失，從而改善海工混凝土的收縮性能，尤其是早期收縮問題。

3．4 海工混凝土抗?jié)B性能試驗(yàn)

海工混凝土的抗?jié)B性能除關(guān)系到擋水作用外，還直接影響抗凍性和抗腐蝕性、防止鋼筋銹蝕等的強(qiáng)弱，是保證混凝土耐久性的必要條件?；炷恋目?jié)B性能有滲水高度法和逐級(jí)加壓法兩種方法。

滲水高度法采用測(cè)定混凝土在恒定水壓力下的平均滲水高度，來表示混凝土的抗水滲透性能。試驗(yàn)時(shí)，采用上口直徑為175 mm，下口直徑為185 mm，高為150 mm的圓臺(tái)，混凝土養(yǎng)護(hù)27 d后從養(yǎng)護(hù)室內(nèi)取出，采用水泥加黃油密封。試件準(zhǔn)備好后啟動(dòng)抗?jié)B儀，開通設(shè)在試件下面的閥門，使水從孔中滲出，充滿整個(gè)試驗(yàn)坑。然后關(guān)閉閥門，將6個(gè)混凝土試件放到抗?jié)B儀中，開通試件的閥門，使水壓在24 h內(nèi)恒定在(1．2±0．05)MPa，在穩(wěn)壓的過程中隨時(shí)觀察試件端面的滲水情況。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 內(nèi)摻SAP海工混凝土的抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果

可知，摻加SAP后，混凝土的抗?jié)B性能得到改善，如B3組(粉煤灰內(nèi)摻10%，0．2%SAP)的平均滲水高度為19．8 mm，B8組(粉煤灰內(nèi)摻30%，0．3%SAP)的平均滲水高度為20．4 mm，均低于基準(zhǔn)混凝土(A1組)的25．3 mm?？梢奡AP的引入，可以使混凝土內(nèi)水化產(chǎn)物增多，密實(shí)度提高，從而提高混凝土的抗?jié)B能力。

4 結(jié)語

1)對(duì)于普通海工混凝土，適量摻加SAP(0．1% ～0．2%)，SAP可以將混凝土中的自由水吸附于自身分子內(nèi)部，減小自由水通過混凝土毛細(xì)孔的蒸發(fā)量和流失，因而可以改善混凝土的力學(xué)性能。

2)對(duì)于內(nèi)摻粉煤灰海工混凝土，當(dāng)粉煤灰內(nèi)摻比例為10%時(shí)，SAP的合適摻量為0．1% ～0．2%左右。當(dāng)粉煤灰內(nèi)摻比例為30%時(shí)，SAP的合適摻量為0．2% ～0．3%左右。這主要是一部分粉煤灰參與了水泥的水化歷程，而另一部分粉煤灰起填充混凝土結(jié)構(gòu)空隙的作用，因而對(duì)混凝土的強(qiáng)度發(fā)展產(chǎn)生影響，導(dǎo)致SAP的最佳摻量與普通海工混凝土有所不同。

3)海工混凝土內(nèi)摻適量SAP后，可較好地改善混凝土的抗?jié)B性能和收縮變形，尤其是早期收縮性能。

［1］何 真，陳 衍，梁文泉，等．內(nèi)養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土收縮開裂性能的影響［J］．新型建筑材料，2008(8):7-11．

［2］陳德鵬，錢春香，高桂波，等．高吸水樹脂對(duì)混凝土收縮開裂的改善作用及其機(jī)理［J］．東南大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，38(3):475-478．