SAP內(nèi)養(yǎng)生路面混凝土收縮性能及力學(xué)性能研究

勞家榮，黃忠財，郭寅川，陳 琳，申愛琴，楊景玉

(1.廣西桂龍高速公路有限公司，南寧 530011;2.長安大學(xué)，教育部特殊地區(qū)公路工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710064;3.廣西崇瑞高速公路有限公司，南寧 530011)

0 引 言

近年來,隨著我國交通強(qiáng)國戰(zhàn)略的實(shí)施,對道路基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)力度逐年加大，水泥混凝土路面得到大規(guī)模應(yīng)用，然而建設(shè)初期由于混凝土內(nèi)部水泥水化及水分蒸發(fā)耗水可誘發(fā)早期收縮，導(dǎo)致混凝土極易早期開裂，嚴(yán)重影響水泥混凝土路面的使用壽命及服役性能。超吸水性樹脂(Super-Absorbent Polymers，簡稱 SAP)含有強(qiáng)吸水性基團(tuán)，具有獨(dú)特的吸水-儲水-釋水特性，能夠通過水合作用吸收水分，并具有穩(wěn)定的保水能力，在離子濃度、溫度變化時釋放所儲水分，補(bǔ)充外界所需水分。將其應(yīng)用于水泥混凝土中，當(dāng)混凝土內(nèi)部水分不足時能夠及時釋水，補(bǔ)充因水化及蒸發(fā)所導(dǎo)致的水分喪失，增強(qiáng)內(nèi)部相對濕度，進(jìn)行二次水化，降低混凝土收縮性以及混凝土開裂風(fēng)險。

目前國內(nèi)外學(xué)者針對SAP在混凝土中的吸釋水性能及其對混凝土的性能影響效果展開了一定的研究。研究發(fā)現(xiàn)SAP由于自身獨(dú)特的低交聯(lián)度三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[1]，能夠吸收自身重量幾十倍甚至上千倍的水[2-3]，并可通過溶脹作用將自由水固定在聚合物網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，具有較強(qiáng)的保水性[4-5]。飽水SAP摻入混凝土后可在混凝土內(nèi)部漿體濕度下降、孔溶液離子濃度或pH值增加時及時釋水，補(bǔ)償混凝土內(nèi)部水分的缺失使毛細(xì)自由水形成的彎液面曲率不至過快增大[6-8]。逄魯峰[9]研究認(rèn)為，SAP摻入砂漿后，由于SAP的蓄水保水作用，能有效地提高水化后期砂漿內(nèi)部濕度，致使毛細(xì)管壁壓力明顯減小，砂漿的收縮也顯著降低。且適當(dāng)?shù)腟AP摻量及額外引水量能夠能顯著提高混凝土的強(qiáng)度，最大提高幅度可達(dá)15%。Dudziak等[10]通過分析不同SAP摻量及額外引用水對混凝土的影響，表明SAP可以降低混凝土的自收縮，且隨著SAP和額外引用水的增加，降低效果越明顯?？紫槊鞯萚11]分析SAP內(nèi)養(yǎng)生混凝土干燥養(yǎng)護(hù)條件下的自收縮情況，結(jié)果表明，在干燥養(yǎng)護(hù)條件下?lián)饺隨AP的混凝土自收縮明顯降低，且SAP摻量的高低對自收縮的影響程度存在差異。鐘佩華[12]研究認(rèn)為SAP能抑制水泥混凝土的自收縮，隨著SAP摻量的增加，其自收縮逐漸降低。將混凝土中SAP的摻量從0.3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)增加至0.4%時，其自收縮降低15.7%。Lyu等[13]研究發(fā)現(xiàn)，摻入水泥漿后，C40路面混凝土的濕度飽和期延長；在28 d內(nèi)，增加的內(nèi)養(yǎng)生水分可以顯著減輕C40路面混凝土的總收縮應(yīng)變。陳德鵬等[14]也得到了SAP可以抑制混凝土開裂，降低混凝土收縮性的結(jié)論。

本文在以往研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合公路水泥混凝土路面的結(jié)構(gòu)特性，采用SAP內(nèi)養(yǎng)生材料，通過對混凝土力學(xué)性能、收縮變形及內(nèi)部相對濕度進(jìn)行研究，并通過SEM對SAP內(nèi)養(yǎng)生混凝土內(nèi)部微觀形貌、裂縫特征進(jìn)行分析，揭示SAP內(nèi)養(yǎng)生材料對路面水泥混凝土的作用機(jī)理及影響規(guī)律，為SAP內(nèi)養(yǎng)生混凝土的應(yīng)用建設(shè)提供理論及技術(shù)依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

(1)水泥：采用“海螺牌”P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。

(2)礦物摻合料：I級粉煤灰。

(3)粗細(xì)骨料：粗骨料為花崗巖碎石，最大粒徑為19 mm，主要包括4.75～9.5 mm與9.5～19 mm兩部分。細(xì)骨料為河砂，中砂，細(xì)度模數(shù)為2.71，含泥量為0.6%，表觀密度為2.625 g/cm3。

(4)減水劑：采用JB-ZSC型聚羧酸高性能減水劑，減水率為26%，含氣量為3.1%，推薦使用摻量為膠凝材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0.8%～1.2%。

(5)水：自來水，氯離子含量為10 mg/L，pH=7.5。

(6)SAP：采用粒徑為20～40目(830～380 μm)、40～80目(380～180 μm)、100～120目(150～120 μm)的SAP，其主要化學(xué)成分及在水膠比W/B=0.37(B為膠凝材料的質(zhì)量)的水泥漿液中吸水泥漿倍率見表1。

原材料各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合技術(shù)規(guī)范要求。

表1 SAP 的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1.2 配合比設(shè)計

為研究不同SAP摻量、參數(shù)對高強(qiáng)混凝土收縮性能、濕度補(bǔ)償作用和抗彎拉強(qiáng)度的影響，本文以前期試驗(yàn)確定的C30內(nèi)養(yǎng)生路面混凝土和C30普通路面混凝土為例，對其進(jìn)行深入研究。具體設(shè)計的內(nèi)養(yǎng)生路面混凝土配合比如表2所示。

表2 內(nèi)養(yǎng)生路面混凝土配合比設(shè)計

1.3 測試方法

1.3.1 收縮變形測試方法

收縮應(yīng)變采用深圳莫尼特公司生產(chǎn)的MIC-YWC-5型位移計配套MIC-DCV-4型電壓數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行測試，試件為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體，如圖1所示。數(shù)據(jù)監(jiān)控持續(xù)時間為28 d，采集間隔試時間為1 h。由于該測試系統(tǒng)測試出的位移數(shù)據(jù)均以電壓U的形式輸出，故需根據(jù)廠家提供的相應(yīng)轉(zhuǎn)換公式及各通道靈敏度值A(chǔ)，將U轉(zhuǎn)化為位移值(微應(yīng)變，Nμε)再進(jìn)行分析，轉(zhuǎn)換公式如式(1)所示。

Nμε=(Ut-U0)/1 000/A/400×106

(1)

式中：Ut為th后的電壓，mV;U0為初始電壓，mV?？紤]SAP主要在7 d齡期內(nèi)對水泥混凝土起到減少收縮、微裂紋抑制作用，因此試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生室中養(yǎng)生24 h后，對其進(jìn)行脫模，取出后立即對其收縮性能進(jìn)行測試。

圖1 水泥混凝土收縮變形測試

圖2 混凝土相對濕度測試

1.3.2 相對濕度測試方法

濕度測試采用深圳莫尼特公司生產(chǎn)的MIC-TD-TM型溫濕度一體化傳感器，持續(xù)監(jiān)控水泥混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔濕度的變化情況，其配套的MIC-DVD-4型數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采集器具有自動記數(shù)及遠(yuǎn)程操控等功能。試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，數(shù)據(jù)監(jiān)控持續(xù)時間為28 d，數(shù)據(jù)采集間隔試時間為1 h，傳感器在水泥混泥土澆注入模后便垂直嵌入試件內(nèi)部中心處，并用橡皮泥將試件表面處密封，如圖2所示。試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生室中養(yǎng)生24 h，脫模后即開始測試。

1.3.3 抗彎拉強(qiáng)度測試方法

混凝土抗彎拉強(qiáng)度測試方法依據(jù)GB/T 50081—2019《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行混凝土抗彎拉數(shù)據(jù)測定，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。

1.3.4 SEM測試方法

采用JEOL JSM-6390A掃描電子顯微鏡(SEM)對28 d齡期的J組和S4組混凝土的微觀形貌進(jìn)行觀測，研究其密實(shí)程度、微裂縫特征。掃描電鏡的圖像分辨率為 3.5 nm，靈敏度A值達(dá) 0.1，放大倍率為20～8 000 000倍。

試樣制備過程如下：將養(yǎng)護(hù)28 d的兩組試件切片，剪裁成大小為1 cm3左右的立方體試樣，每個試件制取兩個試樣；使用200～2 000目(75～6.5 μm)的砂紙對其進(jìn)行打磨拋光，用無水乙醇浸泡終止水化后放入60 ℃的烘箱中烘至恒重；采用離子噴濺儀對試樣進(jìn)行噴金處理，用導(dǎo)電膠將試樣固定在支架上，在不同的放大倍數(shù)下，采用掃描電子顯微鏡對其進(jìn)行測試。試樣噴金及測試現(xiàn)場如圖3所示。

圖3 試樣噴金及觀測

2 結(jié)果與討論

2.1 SAP參數(shù)對混凝土收縮性能的影響

圖4為混凝土收縮變形隨齡期的變化。由圖4可知：

(1)與基準(zhǔn)組相比，內(nèi)養(yǎng)生組混凝土的28 d收縮應(yīng)變值均低于基準(zhǔn)組。說明SAP的加入對混凝土的收縮性能有明顯改善作用。說明SAP可以起到良好的補(bǔ)償干縮作用，混凝土內(nèi)部相對濕度下降時，及時補(bǔ)充水分，減輕毛細(xì)孔壁間的范德華力作用，從而抑制混凝土的干燥收縮變形，控制收縮變形總量。

(2)通過對比S1、S2和S4組，發(fā)現(xiàn)SAP目數(shù)對混凝土收縮性能的影響較小，三組試件的收縮值較為接近。其中，100～120目SAP對混凝土的收縮性能改善效果最好，其次是20～40目SAP，40～80目SAP的改善效果最差。這可能是因?yàn)镾AP目數(shù)越大，同摻量情況下，摻入的SAP越多，吸收的內(nèi)養(yǎng)生水分越多，對混凝土的內(nèi)養(yǎng)生效果更好。

(3)通過對比S3、S4和S5組，發(fā)現(xiàn)SAP摻量對混凝土收縮性能的影響較大，且隨著摻量的增加，混凝土的抗收縮性能逐漸增強(qiáng)。說明SAP的摻量越大，SAP吸收的內(nèi)養(yǎng)生水分越多，水泥水化越充分，混凝土的內(nèi)養(yǎng)生效果越好，抗收縮性能越好。

圖4 混凝土收縮變形隨齡期的變化

圖5 混凝土內(nèi)部相對濕度隨齡期的變化

2.2 SAP參數(shù)對混凝土內(nèi)部相對濕度的影響

圖5為混凝土內(nèi)部相對濕度隨齡期的變化。分析圖5可知：

(1)與基準(zhǔn)組相比，SAP對混凝土內(nèi)部相對濕度的提升效果較為明顯，顯著延長混凝土的濕度飽和期，28 d內(nèi)的相對濕度可保持在90%以上。但出現(xiàn)S2組(摻40～80目)的濕度補(bǔ)償效果低于基準(zhǔn)組的現(xiàn)象，其前期(8 d前)、后期(22 d后)對應(yīng)混凝土內(nèi)部相對濕度的提升效果優(yōu)于基準(zhǔn)組。這可能是因?yàn)椋?0～80目SAP早期釋水較快，內(nèi)養(yǎng)生作用較強(qiáng)，水泥水化作用消耗了大部分水分；隨著水化作用的快速進(jìn)行，因?yàn)榈貌坏絻?nèi)養(yǎng)生水分的及時補(bǔ)充，出現(xiàn)混凝土內(nèi)部相對濕度低于基準(zhǔn)組的現(xiàn)象；后期隨著混凝土內(nèi)水分的消耗，基準(zhǔn)組內(nèi)部的水分基本消耗完，但內(nèi)養(yǎng)生組內(nèi)SAP殘留的內(nèi)養(yǎng)生水分再次釋放，混凝土內(nèi)部的濕度得到補(bǔ)償。

(2)通過對比S1、S2和S4組，SAP目數(shù)對混凝土內(nèi)部濕度的影響較大。其中，100～120目SAP對混凝土的濕度補(bǔ)償效果最好，其次是20～40目SAP，40～80目SAP的效果最差。這可能是因?yàn)镾AP目數(shù)越大，同摻量情況下，摻入的SAP顆粒越多，吸收的內(nèi)養(yǎng)生水分越多，均勻分布在混凝土內(nèi)部的SAP對其內(nèi)養(yǎng)生作用效果越好、越均勻。

(3)通過對比S3、S4和S5組，發(fā)現(xiàn)SAP摻量對混凝土內(nèi)部濕度的影響較大，且隨著摻量的增加，混凝土的濕度補(bǔ)償效果越好。說明，SAP的摻量越大，SAP吸收的內(nèi)養(yǎng)生水分越多，水泥水化越充分，混凝土的內(nèi)養(yǎng)生效果越好，濕度補(bǔ)償效果越好。

2.3 SAP參數(shù)對混凝土抗彎拉強(qiáng)度的影響

雖然SAP可以提升混凝土的收縮性能，改善其濕度補(bǔ)償效果，但SAP釋水后殘留的孔隙對混凝土的強(qiáng)度造成一定的影響。因此，本文在6組混凝土試件的抗壓強(qiáng)度滿足規(guī)范規(guī)定的基礎(chǔ)上，探討SAP對其抗彎拉強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表3可知：

(1)通過對比J、S1、S2和S4組，發(fā)現(xiàn)SAP目數(shù)對混凝土抗彎拉強(qiáng)度的影響較大，且隨著SAP目數(shù)的增加，混凝土的抗彎拉強(qiáng)度呈先降低后升高的趨勢。其中，100～120目SAP對混凝土的抗彎拉強(qiáng)度的提升效果最好，且優(yōu)于基準(zhǔn)組；其次是20～40目SAP，40～80目SAP的效果最差。這可能是因?yàn)楫?dāng)SAP目數(shù)較小時，其吸水后會導(dǎo)致體積膨脹，且會較早釋放完所儲水分，內(nèi)養(yǎng)生效果較差，水化填充作用減弱，混凝土內(nèi)部殘留的大孔較多，使其強(qiáng)度降低。

(2)通過對比J、S3、S4和S5組，發(fā)現(xiàn)SAP的加入均使得混凝土抗彎拉強(qiáng)度得到提升，且隨著摻量的增加，混凝土的抗彎拉強(qiáng)度呈先升高后降低的趨勢。這可能是因?yàn)?，隨著SAP摻量的增加，吸收的內(nèi)養(yǎng)生水分越多，水泥水化越充分，混凝土密實(shí)度越高，其抗彎拉強(qiáng)度也得到提升；但當(dāng)SAP摻量超過一定值時，雖然其吸收的內(nèi)養(yǎng)生水分較多，但其釋水后殘留在混凝土內(nèi)部的孔隙也增多，使得混凝土的抗彎拉強(qiáng)度降低。

表3 混凝土各齡期抗彎拉強(qiáng)度

2.4 SAP對混凝土微觀形貌的影響

利用 SEM 測試觀察J組和S4組28 d齡期混凝土的微觀形貌，并比較兩組試樣內(nèi)部漿體密實(shí)度和裂縫特征的差別，進(jìn)而揭示SAP對其性能的提升機(jī)理。J組和S4組混凝土內(nèi)部的漿體密實(shí)程度、裂縫特征SEM照片如圖6所示。分析圖6可知：

(2)J組和S4組混凝土內(nèi)部均存在一定數(shù)量的裂縫，但SAP內(nèi)養(yǎng)生材料的摻入顯著降低了混凝土內(nèi)部微裂縫的長度和寬度。這是由于隨著混凝土內(nèi)部濕度的下降、離子濃度和pH值的增加，SAP吸收的內(nèi)養(yǎng)生水分可以及時得到釋放，起到很好的濕度補(bǔ)償作用，使水泥持續(xù)進(jìn)行水化，降低因水分散失嚴(yán)重而產(chǎn)生微裂縫的風(fēng)險，從而提高了混凝土的阻裂性能。

圖6 混凝土28 d齡期的微觀形貌

3 結(jié) 論

(1)SAP的摻入可通過增加的內(nèi)養(yǎng)生水分，可大幅降低混凝土的收縮應(yīng)變，改善混凝土的收縮性能，同時SAP目數(shù)越大、摻量越大，其對混凝土收縮抑制效果越明顯。

(2)SAP吸釋水作用，可及時對混凝土進(jìn)行水分補(bǔ)償，有效延長其濕度飽和期，使得其28 d內(nèi)的相對濕度可保持在90%以上，SAP目數(shù)及摻量均對混凝土內(nèi)部相對濕度有較大影響，SAP目數(shù)越大、摻量越大，其釋水效果越穩(wěn)定，且在混凝土內(nèi)部分散越均勻，養(yǎng)生范圍越廣，從而對混凝土的濕度補(bǔ)償效果越好。

(3)SAP目數(shù)及摻量均對混凝土抗彎拉強(qiáng)度的影響較大，其中100～120目SAP對混凝土抗彎拉強(qiáng)度的提升作用最好，目數(shù)較大的SAP濕度補(bǔ)償內(nèi)養(yǎng)生效果較好，水化填充作用較強(qiáng)，混凝土內(nèi)部殘留的孔隙較少，從而可以在一定程度上提升混凝土力學(xué)強(qiáng)度，另外SAP存在最佳摻量范圍，隨著SAP摻量的增加，混凝土的抗彎拉強(qiáng)度呈先升高后降低的趨勢。

(4)SAP的摻入可以提高水泥水化程度，生成更多的水化產(chǎn)物，改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提升其密實(shí)性，并降低混凝土內(nèi)部微裂紋長度及寬度，從而在一定程度上提高混凝土的內(nèi)部相對濕度，進(jìn)而提升混凝土的力學(xué)強(qiáng)度，并減少其收縮變形。