SAP對(duì)橋梁水泥混凝土性能影響機(jī)理研究

收稿日期：2024-01-11

作者簡(jiǎn)介：楊玉碧（1983—），女，本科，檢測(cè)師，研究方向：道路橋梁工程試驗(yàn)檢測(cè)。

摘要 為進(jìn)一步探究橋梁水泥混凝土性能的提升策略，文章結(jié)合橋梁工程作業(yè)的實(shí)際情況，以高吸水樹脂（SAP）為主要摻雜材料，在確定混凝土配合比和實(shí)驗(yàn)方法后，探究了不同的SAP摻雜量對(duì)混凝土綜合力學(xué)性能的影響，確定SAP摻雜量為0.3%且水膠比為0.38時(shí)，混凝土綜合力學(xué)性能較優(yōu)。

關(guān)鍵詞 SAP；水泥混凝土；影響機(jī)理

中圖分類號(hào) U444文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）09-0131-03

0 前言

目前，在高強(qiáng)混凝土實(shí)際應(yīng)用過程中，受到各種外界因素影響的負(fù)面問題不容忽視。相關(guān)研究表明，當(dāng)混凝土的水膠比低于0.42時(shí)，混凝土中的膠凝材料水化程度將偏低，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土收縮變形問題突出。為有效解決此類問題，研究如何有效應(yīng)用SAP（高吸水樹脂）進(jìn)行水泥混凝土的內(nèi)養(yǎng)護(hù)作業(yè)需重點(diǎn)考慮。

1 混凝土原材料及配合比設(shè)計(jì)

結(jié)合已有經(jīng)驗(yàn)，對(duì)原材料進(jìn)行如下選?。核嗖捎闷胀ü杷猁}水泥P.O42.5；細(xì)集料采用水洗河砂，粗集料采用級(jí)配為5～31.5 mm的級(jí)配碎石，粗細(xì)集料指標(biāo)均滿足試驗(yàn)要求；減水劑采用減水率為27%的聚羧酸系高性能減水劑；粉煤灰為Ⅱ級(jí)粉煤灰；SAP為實(shí)驗(yàn)室自制的聚丙烯酸－丙烯酰胺高吸水樹脂[1]。

在確定以上材料后，結(jié)合該次研究目標(biāo)，將混凝土的水膠比分別設(shè)置為0.32、0.35和0.38，并分別將未吸水的SAP材料摻入混凝土材料中，控制每個(gè)水膠比下的SAP材料摻雜比例均具有五個(gè)水平，分別為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%和0.5%（對(duì)應(yīng)用量分別為0.47 kg/m3、

0.93 kg/m3、1.40 kg/m3、1.86 kg/m3和2.33 kg/m3），具體的混凝土配合比數(shù)據(jù)如表1所示：

表1 不同水膠比下的混凝土配合比數(shù)據(jù)表

（單位：kg/m3，以制備1 m3混凝土計(jì)）

水膠比 0.32 0.35 0.38

水用量 150 147 136

水泥用量 465 420 360

膨脹劑用量 37.2 33.6 28.8

砂用量 764 850 832

石用量 1 056 1 083 882

減水劑用量 5.58 5.04 3.60

另外，每個(gè)水膠比水平下均增設(shè)一個(gè)不摻雜SAP的對(duì)照組（其余材料用量則與各水平相同，保持不變），用以進(jìn)行對(duì)比分析。

2 實(shí)驗(yàn)方案

混凝土試塊制備完成后，對(duì)其進(jìn)行如下測(cè)試：

（1）使用混凝土強(qiáng)度檢測(cè)器，分別對(duì)各個(gè)混凝土塊在3 d、7 d、14 d、21 d和28 d等五個(gè)時(shí)間點(diǎn)內(nèi)的強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。

（2）按照ASTM-457的相關(guān)規(guī)范要求，使用RapidAir 457孔結(jié)構(gòu)測(cè)定儀對(duì)其孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試。

（3）使用壓汞儀對(duì)各個(gè)混凝土試塊的孔隙率進(jìn)行測(cè)試[2-3]。

3 摻雜SAP對(duì)混凝土綜合性能的影響分析

3.1 不同SAP摻雜比例下的混凝土力學(xué)性能分析

基于第2節(jié)的實(shí)驗(yàn)方案對(duì)混凝土的強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試后，將測(cè)試結(jié)果進(jìn)行匯總整理，得到不同SAP摻雜比例下的混凝土力學(xué)性能分析結(jié)果如圖1和圖2所示。

對(duì)圖1和圖2的（a）、（b）和（c）進(jìn)行綜合對(duì)比分析后，可得出以下幾點(diǎn)推論：①隨著混凝土齡期的增加，可見曲線之間的距離逐步接近，即混凝土強(qiáng)度的增速開始放緩。②當(dāng)不斷增加SAP摻入量時(shí)，曲線表現(xiàn)為上凸?fàn)?，即混凝土的?qiáng)度僅在某一特定值下取得最大值，而在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加SAP摻雜量時(shí)，則混凝土的強(qiáng)度又將開始下降。

據(jù)此可知，當(dāng)SAP摻入量小于0.3時(shí)，摻入的SAP可使得混凝土內(nèi)部水環(huán)境發(fā)生變化，對(duì)于混凝土的養(yǎng)護(hù)也起到積極作用，這與SAP材料預(yù)吸水的物理性質(zhì)不無關(guān)聯(lián)。但當(dāng)SAP摻入量超過0.3%后，過多的SAP材料的預(yù)吸水作用將導(dǎo)致混凝土原有的水膠比發(fā)生顯著變化，進(jìn)而對(duì)混凝土材料的強(qiáng)度造成不利影響。因此，可以初步確定，SAP摻入量為0.3%有助于保障混凝土力學(xué)強(qiáng)度。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析SAP摻入量為0.3%時(shí)不同配合比的強(qiáng)度值，結(jié)果顯示，此條件下，以水膠比為0.38時(shí)的混凝土試塊強(qiáng)度值為最高，因此可將該水膠比作為優(yōu)化后的試驗(yàn)參數(shù)，以此進(jìn)行后續(xù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

3.2 不同SAP摻雜量對(duì)混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的影響

基于上節(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，設(shè)置水膠比為0.38，以此對(duì)不同SAP摻雜量下的混凝土孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。經(jīng)儀器自動(dòng)檢測(cè)后，得到檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2，當(dāng)增加SAP摻入量后，混凝土內(nèi)部的孔隙類型也相應(yīng)出現(xiàn)變化，主要表現(xiàn)為超過100 μm的孔徑結(jié)構(gòu)的占比顯著增加，這將導(dǎo)致混凝土內(nèi)部孔隙變大，進(jìn)而影響混凝土強(qiáng)度。而SAP對(duì)混凝土的內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用對(duì)強(qiáng)度起積極作用，所以混凝土強(qiáng)度隨SAP摻入量變化曲線呈上凸?fàn)?，存在一個(gè)最優(yōu)摻入量，此最優(yōu)化摻入量為SAP積極作用與消極作用的平衡點(diǎn)。

在此基礎(chǔ)上，對(duì)表2中的數(shù)據(jù)做進(jìn)一步分析。結(jié)果顯示，每當(dāng)SAP材料摻雜量提升0.1%，則混凝土材料的平均孔徑也將增加10.13 μm。但相對(duì)而言，當(dāng)SAP摻雜量在0.3%和0.4%時(shí)，材料的孔徑特征才發(fā)生突變，前者和后者在大于100 μm孔徑分布上的占比分別為33%和45%。因此初步推斷，在一般情況下，SAP摻雜量在0.3%左右較為合理。

3.3 不同SAP摻雜量下的混凝土孔隙率分析

在該環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)中，仍設(shè)置水膠比為0.38，使用壓汞法對(duì)不同SAP摻雜量下的混凝土孔隙率進(jìn)行分析，再將分析結(jié)果與對(duì)應(yīng)的平均孔徑與強(qiáng)度進(jìn)行綜合分析，得到疊加分析結(jié)果如表3所示：

表3 不同SAP摻雜量下的混凝土孔隙率疊加分析結(jié)果

SAP含量/% 孔隙率/% 平均孔徑/μm 強(qiáng)度/MPa

0.0 20.2 20.7 23.1

0.1 21.4 21.1 24.3

0.2 22.1 21.4 25.1

0.3 23.8 23.2 25.8

0.4 25.5 26.1 24.2

0.5 26.7 25.8 20.6

根據(jù)表3，當(dāng)水膠比固定不變時(shí)，混凝土孔隙率與SAP摻雜量之間基本呈正相關(guān)。與對(duì)照組相比，SAP每增加0.1%，則混凝土孔隙率平均增加1.23%。結(jié)合平均孔徑變化知，摻雜SAP材料過多對(duì)于混凝土的強(qiáng)度存在一定的不利之處。但從3.1節(jié)中的強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，摻雜SAP材料對(duì)于混凝土內(nèi)部水環(huán)境的改善作用較為顯著，對(duì)于膠凝材料的水化過程同樣有所改善，以此提升強(qiáng)度。綜合以上兩方面分析結(jié)果可知，SAP材料對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響是多元化的，不同SAP材料摻雜量也會(huì)影響其正面效果或負(fù)面效果的實(shí)際作用，因此有必要進(jìn)一步探究如何發(fā)揮正面效果并規(guī)避負(fù)面效果。

基于上述研究目標(biāo)，以混凝土的28 d強(qiáng)度為測(cè)試指標(biāo)，分析不同SAP材料摻雜量如何影響其正面效果與負(fù)面效果的發(fā)揮，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)圖3中的數(shù)據(jù)變化情況，在配合比中，當(dāng)SAP摻入量為0.3%時(shí)表現(xiàn)最佳。相對(duì)于沒有SAP摻入的對(duì)照組，混凝土強(qiáng)度增加了2.84%，孔隙率增加了16.74%，平均孔徑也增加了33.07%。盡管強(qiáng)度僅有2.84%的增加，但孔隙率和平均孔徑的增幅較大，表明SAP對(duì)混凝土強(qiáng)度的積極作用被消極作用所抵消。隨著SAP摻入量增至0.4%，混凝土強(qiáng)度增加了1.13%，但這個(gè)增幅相較于0.3%時(shí)的增加量減少了1.71%。而當(dāng)SAP摻入量為0.5%時(shí)，混凝土強(qiáng)度與對(duì)照組相比減少了2.7%，同時(shí)孔隙率增加了26.76%，平均孔徑增加了56.50%。在這種情況下，SAP的負(fù)面影響超過了其正面作用，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度下降而非提升。因此，可以得出結(jié)論：當(dāng)SAP摻入量達(dá)到0.43%時(shí)，其正面和負(fù)面影響完全相抵消，混凝土的強(qiáng)度不會(huì)發(fā)生變化；低于此臨界值時(shí)，SAP的正面效應(yīng)更為突出，反之亦然。

圖3 不同SAP摻雜量對(duì)其正面/負(fù)面效果的影響分析

4 結(jié)束語

整體來看，在該次研究工作中，針對(duì)橋梁工程中水泥混凝土摻入SAP（高吸水樹脂）的實(shí)際情況，對(duì)SAP不同摻雜量如何影響混凝土力學(xué)性能，以及摻雜SAP對(duì)混凝土性能的影響原因等兩方面，均進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究，以期為后續(xù)的橋梁工程混凝土優(yōu)化設(shè)計(jì)工作提供參考借鑒。

參考文獻(xiàn)

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