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SAP 内养生路面混凝土收缩性能及力学性能研究　

来源：九壹网

第40卷第2期2021年2月

BULLETIN

硅　

酸　

THE

CHINESE

盐　

CERAMIC

通　报

SOCIETY

Vol.40　No.2February,2021

SAP内养生路面混凝土收缩性能及力学性能研究

(1.广西桂龙高速公路有限公司,南宁　530011;2.长安大学,教育部特殊地区公路工程重点实验室,西安　710064;

3.广西崇瑞高速公路有限公司,南宁　530011)

劳家荣1,黄忠财1,郭寅川2,陈　琳3,申爱琴2,杨景玉2

摘要:超吸水性树脂(SAP)作为一种内养生材料,对混凝土力学性能、收缩性能等均具有显著改善作用,在公路混凝土路面中具有十分重要的应用价值。本文通过对混凝土力学性能、收缩变形及内部相对湿度进行研究,并通过SEM对SAP内养生混凝土内部微观形貌、裂缝特征进行分析。结果表明:SAP的加入能显著降低混凝土毛细孔隙内的相对湿度可保持在90%以上;SAP参数(目数及掺量)对混凝土抗弯拉强度的影响较大,其中100~120目(150~120μm)SAP对混凝土抗弯拉强度的提升作用最好;SAP的掺入可以提高水泥水化程度,生成更多的水化产物,改善混凝土内部结构,提升其密实性,并降低混凝土内部微裂纹长度及宽度,从而在一定程度上提高混凝土内部相对湿度,进而提升混凝土的力学强度,并减少其收缩变形。

关键词:超吸水性树脂;内养生混凝土;收缩性能;相对湿度;力学性能;微观形貌中图分类号:U414

文献标志码:A

文章编号:1001-1625(2021)02-0676-07

间的范德华力,抑制混凝土的收缩应变;并能够在混凝土内部湿度下降时及时对混凝土进行水分补偿,使得其28d

ShrinkageandMechanicalPropertiesofInternalCuring

PavementConcretewithSAP

(1.GuangxiGuilongExpresswayCo.,Ltd.,Nanning530011,China;2.KeyLaboratoryforSpecialAreaHighwayEngineeringofMinistry,

Xi’an710064,China;3.GuangxiChongruiExpresswayCo.,Ltd.,Nanning530011,China)

LAOJiarong1,HUANGZhongcai1,GUOYinchuan2,CHENLin3,SHENAiqin2,YANGJingyu2

Abstract:Super-absorbentpolymer(SAP),asakindofinternalcuringmaterial,hasveryimportantvaluewhenappliedtohighwayconcretepavement,anditsignificantlyimprovesthemechanicalpropertiesandshrinkagepropertiesofconcrete.Inthispaper,themechanicalproperties,shrinkagedeformationandinternalrelativehumidityofconcretewerestudied,andthattheadditionofSAPsignificantlyreducestheshrinkagestrainofconcrete,andlimitsthevolumeexpansionofconcretethatgraduallyincreaseswithage.Andittimelycompensatestheconcretemoisturewhentheinternalhumidityoftheconcretedrops,sothattherelativehumiditywithin28dcanbekeptabove90%.SAPparameters(meshandcontent)haveagreaterinfluenceontheflexuraltensilestrengthofconcrete,amongwhich100meshto120mesh(150μmtodegreeofcementhydration,generatesmorehydrationproducts,improvestheinternalstructureofconcrete,increasesthecompactnessofconcrete,andreducesthelengthandwidthofmicro-cracksinsidetheconcrete,soSAPimprovesthemechanicsstrength,shrinkageperformanceanddurabilityofconcretetoacertainextent.property;microstructure

Keywords:super-absorbentpolymer;internalcuringconcrete;shrinkageproperty;relativehumidity;mechanicaltheinternalmicromorphologyandcrackcharacteristicsofSAPcuringconcretewereanalyzedbySEM.Theresultsshow

120μm)SAPhasthebesteffectontheimprovementofflexuraltensilestrength.TheincorporationofSAPincreasesthe

0　引　言

近年来,随着我国交通强国战略的实施,对道路基础设施的建设力度逐年加大,水泥混凝土路面得到大

收稿日期:2020-10-19;修订日期:2020-12-03

作者简介:劳家荣(1974—),男,高工。主要从事路基路面工程方面的研究。E-mail:geloushaoyu@126.com

规模应用,然而建设初期由于混凝土内部水泥水化及水分蒸发耗水可诱发早期收缩,导致混凝土极易早期开裂,严重影响水泥混凝土路面的使用寿命及服役性能。超吸水性树脂(Super-AbsorbentPolymers,简称SAP)含有强吸水性基团,具有独特的吸水-储水-释水特性,能够通过水合作用吸收水分,并具有稳定的保水能力,在离子浓度、温度变化时释放所储水分,补充外界所需水分。将其应用于水泥混凝土中,当混凝土内部水分不足时能够及时释水,补充因水化及蒸发所导致的水分丧失,增强内部相对湿度,进行二次水化,降低混凝土收缩性以及混凝土开裂风险。

研究发现SAP由于自身独特的低交联度三维空间网络结构[1],能够吸收自身重量几十倍甚至上千倍的水[2-3],并可通过溶胀作用将自由水固定在聚合物网络内部,具有较强的保水性[4-5]。饱水SAP掺入混凝土后可在混凝土内部浆体湿度下降、孔溶液离子浓度或pH值增加时及时释水,补偿混凝土内部水分的缺失使毛细自由水形成的弯液面曲率不至过快增大[6-8]。逄鲁峰[9]研究认为,SAP掺入砂浆后,由于SAP的蓄水保水作用,能有效地提高水化后期砂浆内部湿度,致使毛细管壁压力明显减小,砂浆的收缩也显著降低。且适当的SAP掺量及额外引水量能够能显著提高混凝土的强度,最大提高幅度可达15%。Dudziak等[10]通过分析不同SAP掺量及额外引用水对混凝土的影响,表明SAP可以降低混凝土的自收缩,且随着SAP和额外引用水的增加,降低效果越明显。孔祥明等[11]分析SAP内养生混凝土干燥养护条件下的自收缩情况,结果表明,在干燥养护条件下掺入SAP的混凝土自收缩明显降低,且SAP掺量的高低对自收缩的影响程度存在差异。钟佩华[12]研究认为SAP能抑制水泥混凝土的自收缩,随着SAP掺量的增加,其自收缩逐渐降低。将混凝土中SAP的掺量从0.3%(质量分数,下同)增加至0.4%时,其自收缩降低15.7%。Lyu等[13]研究发现,掺入水泥浆后,C40路面混凝土的湿度饱和期延长;在28d内,增加的内养生水分可以显著减轻C40路面混凝土的总收缩应变。陈德鹏等[14]也得到了SAP可以抑制混凝土开裂,降低混凝土收缩性的结论。

本文在以往研究成果的基础上,结合公路水泥混凝土路面的结构特性,采用SAP内养生材料,通过对混凝土力学性能、收缩变形及内部相对湿度进行研究,并通过SEM对SAP内养生混凝土内部微观形貌、裂缝特征进行分析,揭示SAP内养生材料对路面水泥混凝土的作用机理及影响规律,为SAP内养生混凝土的应用建设提供理论及技术依据。

目前国内外学者针对SAP在混凝土中的吸释水性能及其对混凝土的性能影响效果展开了一定的研究。

1　实　验

1.1　原材料

(1)水泥:采用“海螺牌”P·O42.5普通硅酸盐水泥。(2)矿物掺合料:I级粉煤灰。

(3)粗细骨料:粗骨料为花岗岩碎石,最大粒径为19mm,主要包括4.75~9.5mm与9.5~19mm两部分。细骨料为河砂,中砂,细度模数为2.71,含泥量为0.6%,表观密度为2.625g/cm3。

(4)减水剂:采用JB-ZSC型聚羧酸高性能减水剂,减水率为26%,含气量为3.1%,推荐使用掺量为胶凝材料质量分数的0.8%~1.2%。

(5)水:自来水,氯离子含量为10mg/L,pH=7.5。

(6)SAP:采用粒径为20~40目(830~380μm)、40~80目(380~180μm)、100~120目(150~120μm)的原材料各项性能指标均符合技术规范要求。

SAP,其主要化学成分及在水胶比W/B=0.37(B为胶凝材料的质量)的水泥浆液中吸水泥浆倍率见表1。

表1　SAP的技术标准Table1　SAPtechnicalstandards

Ingredient

Lowcross-linkingtypesodiumpolyacrylate

Water

Crosslinkingagent0.5~1.0

20~40mesh46.75

Ratioofsuctioncementslurry(gwater/gsap)

40~80mesh34.36

100~120mesh

29.57

Massfraction/%8~10

1.2　配合比设计

为研究不同SAP掺量、参数对高强混凝土收缩性能、湿度补偿作用和抗弯拉强度的影响,本文以前期试

验确定的C30内养生路面混凝土和C30普通路面混凝土为例,对其进行深入研究。具体设计的内养生路面混凝土配合比如表2所示。

表2　内养生路面混凝土配合比设计

Table2　Mixratiodesignofinternalcuringconcretepavement

NumberS1S2S3S4S5J

SAPmesh20~40100~120100~120100~12040~80—

Water+internalcuringwater160+18.57160+18.57160+16.01160+18.57160+21.13

160

SAPcontent0.3980.5370.5410.6280.7140

Cement

Flyash

Sand

10~20mmcoarse

aggregate

5~10mmfineaggregate

/(kg·m-3)

Waterreducer

368657457901982.81

1.3　测试方法

1.3.1　收缩变形测试方法

收缩应变采用深圳莫尼特公司生产的MIC-YWC-5型位移计配套MIC-DCV-4型电压数据采集器进行测

试,试件为100mm×100mm×400mm的棱柱体,如图1所示。数据监控持续时间为28d,采集间隔试时间为1h。由于该测试系统测试出的位移数据均以电压U的形式输出,故需根据厂家提供的相应转换公式及各通道灵敏度值A,将U转化为位移值(微应变,Nμε)再进行分析,转换公式如式(1)所示。

Nμε=(Ut-U0)/1000/A/400×106

(1)

式中:Ut为th后的电压,mV;U0为初始电压,mV。考虑SAP主要在7d龄期内对水泥混凝土起到减少收测试。

缩、微裂纹抑制作用,因此试件在标准养生室中养生24h后,对其进行脱模,取出后立即对其收缩性能进行

Fig.1　Concreteshrinkagedeformationtest

图1　水泥混凝土收缩变形测试

Fig.2　Concreterelativehumiditytest

图2　混凝土相对湿度测试

1.3.2　相对湿度测试方法

湿度测试采用深圳莫尼特公司生产的MIC-TD-TM型温湿度一体化传感器,持续监控水泥混凝土内部毛

细孔湿度的变化情况,其配套的MIC-DVD-4型数字数据采集器具有自动记数及远程操控等功能。试件尺寸为100mm×100mm×100mm,数据监控持续时间为28d,数据采集间隔试时间为1h,传感器在水泥混泥土浇注入模后便垂直嵌入试件内部中心处,并用橡皮泥将试件表面处密封,如图2所示。试件在标准养生室中1.3.3　抗弯拉强度测试方法1.3.4　SEM测试方法养生24h,脱模后即开始测试。

混凝土抗弯拉强度测试方法依据GB/T50081—2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行混凝土

抗弯拉数据测定,试件尺寸为100mm×100mm×400mm。

采用JEOLJSM-6390A扫描电子显微镜(SEM)对28d龄期的J组和S4组混凝土的微观形貌进行观测,

研究其密实程度、微裂缝特征。扫描电镜的图像分辨率为3.5nm,灵敏度A值达0.1,放大倍率为20~

8000000倍。　

试样制备过程如下:将养护28d的两组试件切片,剪裁成大小为1cm3左右的立方体试样,每个试件制

60℃的烘箱中烘至恒重;采用离子喷溅仪对试样进行喷金处理,用导电胶将试样固定在支架上,在不同的放大倍数下,采用扫描电子显微镜对其进行测试。试样喷金及测试现场如图3所示。

取两个试样;使用200~2000目(75~6.5μm)的砂纸对其进行打磨抛光,用无水乙醇浸泡终止水化后放入

Fig.3　Samplegoldinjectionandobservation

图3　试样喷金及观测

2　结果与讨论

2.1　SAP参数对混凝土收缩性能的影响

图4为混凝土收缩变形随龄期的变化。由图4可知:

(1)与基准组相比,内养生组混凝土的28d收缩应变值均低于基准组。说明SAP的加入对混凝土的收(2)通过对比S1、S2和S4组,发现SAP目数对混凝土收缩性能的影响较小,三组试件的收缩值较为接

缩性能有明显改善作用。说明SAP可以起到良好的补偿干缩作用,混凝土内部相对湿度下降时,及时补充水分,减轻毛细孔壁间的范德华力作用,从而抑制混凝土的干燥收缩变形,控制收缩变形总量。

近。其中,100~120目SAP对混凝土的收缩性能改善效果最好,其次是20~40目SAP,40~80目SAP的改善效果最差。这可能是因为SAP目数越大,同掺量情况下,掺入的SAP越多,吸收的内养生水分越多,对混凝土的内养生效果更好。

(3)通过对比S3、S4和S5组,发现SAP掺量对混凝土收缩性能的影响较大,且随着掺量的增加,混凝土

的抗收缩性能逐渐增强。说明SAP的掺量越大,SAP吸收的内养生水分越多,水泥水化越充分,混凝土的内养生效果越好,抗收缩性能越好。

Fig.4　Concreteshrinkagedeformationvarieswithages

图4　混凝土收缩变形随龄期的变化

Fig.5　Changesofrelativehumidityinconcretevarieswithages

图5　混凝土内部相对湿度随龄期的变化

2.2　SAP参数对混凝土内部相对湿度的影响

图5为混凝土内部相对湿度随龄期的变化。分析图5可知:

28d内的相对湿度可保持在90%以上。但出现S2组(掺40~80目)的湿度补偿效果低于基准组的现象,其40~80目SAP早期释水较快,内养生作用较强,水泥水化作用消耗了大部分水分;随着水化作用的快速进行,因为得不到内养生水分的及时补充,出现混凝土内部相对湿度低于基准组的现象;后期随着混凝土内水分的消耗,基准组内部的水分基本消耗完,但内养生组内SAP残留的内养生水分再次释放,混凝土内部的湿度得到补偿。

(2)通过对比S1、S2和S4组,SAP目数对混凝土内部湿度的影响较大。其中,100~120目SAP对混凝

(1)与基准组相比,SAP对混凝土内部相对湿度的提升效果较为明显,显著延长混凝土的湿度饱和期,

前期(8d前)、后期(22d后)对应混凝土内部相对湿度的提升效果优于基准组。这可能是因为:

土的湿度补偿效果最好,其次是20~40目SAP,40~80目SAP的效果最差。这可能是因为SAP目数越大,同掺量情况下,掺入的SAP颗粒越多,吸收的内养生水分越多,均匀分布在混凝土内部的SAP对其内养生作用效果越好、越均匀。

(3)通过对比S3、S4和S5组,发现SAP掺量对混凝土内部湿度的影响较大,且随着掺量的增加,混凝土

的湿度补偿效果越好。说明,SAP的掺量越大,SAP吸收的内养生水分越多,水泥水化越充分,混凝土的内养生效果越好,湿度补偿效果越好。

2.3　SAP参数对混凝土抗弯拉强度的影响

虽然SAP可以提升混凝土的收缩性能,改善其湿度补偿效果,但SAP释水后残留的孔隙对混凝土的强度造成一定的影响。因此,本文在6组混凝土试件的抗压强度满足规范规定的基础上,探讨SAP对其抗弯拉强度的影响,试验结果如表3所示。由表3可知:

(1)通过对比J、S1、S2和S4组,发现SAP目数对混凝土抗弯拉强度的影响较大,且随着SAP目数的增

加,混凝土的抗弯拉强度呈先降低后升高的趋势。其中,100~120目SAP对混凝土的抗弯拉强度的提升效果最好,且优于基准组;其次是20~40目SAP,40~80目SAP的效果最差。这可能是因为当SAP目数较小时,其吸水后会导致体积膨胀,且会较早释放完所储水分,内养生效果较差,水化填充作用减弱,混凝土内部残留的大孔较多,使其强度降低。

(2)通过对比J、S3、S4和S5组,发现SAP的加入均使得混凝土抗弯拉强度得到提升,且随着掺量的增

加,混凝土的抗弯拉强度呈先升高后降低的趋势。这可能是因为,随着SAP掺量的增加,吸收的内养生水分越多,水泥水化越充分,混凝土密实度越高,其抗弯拉强度也得到提升;但当SAP掺量超过一定值时,虽然其吸收的内养生水分较多,但其释水后残留在混凝土内部的孔隙也增多,使得混凝土的抗弯拉强度降低。

表3　混凝土各龄期抗弯拉强度

Table3　Flexuralstrengthofconcreteatallages

NumberS1S2S3S4S5J

7dflexuralstrength/MPa

4.264.594.424.044.933.52

28dflexuralstrength/MPa

5.024.904.695.255.364.60

2.4　SAP对混凝土微观形貌的影响

利用SEM测试观察J组和S4组28d龄期混凝土的微观形貌,并比较两组试样内部浆体密实度和裂缝特征的差别,进而揭示SAP对其性能的提升机理。J组和S4组混凝土内部的浆体密实程度、裂缝特征SEM照片如图6所示。分析图6可知:

(1)在S4组混凝土内可见大量致密的水化产物,层状的Ca(OH)2(图中标为CH)、簇状C-S-H凝胶及

针状的钙矾石(AFt)相互紧密重叠、堆积,形成致密的网状结构。而J组混凝土内部的水化产物较为疏松,内部存在的孔洞较多,尚未形成致密的结构。可见SAP内养生材料的掺入,一方面显著促进了水泥的水化,并大幅提高其水化程度;另一方面生成的大量水化产物对混凝土内部的孔隙进行较好地填充,从而增强混凝

土结构密实度和整体性,阻断了外界侵蚀性物质侵入的通道,提高了混凝土的力学性能及阻裂性能。此外,

-由于内养生混凝土内部生成了大量的水化产物,CO2、H+和SO2侵入到混凝土内部相同深度处,需要消耗4

更多侵蚀性物质,也需要更长的时间,从而延缓了侵蚀性物质侵入的速率,提高了混凝土的耐久性能。

微裂缝的长度和宽度。这是由于随着混凝土内部湿度的下降、离子浓度和pH值的增加,SAP吸收的内养生缝的风险,从而提高了混凝土的阻裂性能。

(2)J组和S4组混凝土内部均存在一定数量的裂缝,但SAP内养生材料的掺入显著降低了混凝土内部

水分可以及时得到释放,起到很好的湿度补偿作用,使水泥持续进行水化,降低因水分散失严重而产生微裂

Fig.6　Microstructureofconcreteat28dofage

图6　混凝土28d龄期的微观形貌

3　结　论

时SAP目数越大、掺量越大,其对混凝土收缩抑制效果越明显。

(1)SAP的掺入可通过增加的内养生水分,可大幅降低混凝土的收缩应变,改善混凝土的收缩性能,同(2)SAP吸释水作用,可及时对混凝土进行水分补偿,有效延长其湿度饱和期,使得其28d内的相对湿(3)SAP目数及掺量均对混凝土抗弯拉强度的影响较大,其中100~120目SAP对混凝土抗弯拉强度的

度可保持在90%以上,SAP目数及掺量均对混凝土内部相对湿度有较大影响,SAP目数越大、掺量越大,其释水效果越稳定,且在混凝土内部分散越均匀,养生范围越广,从而对混凝土的湿度补偿效果越好。

提升作用最好,目数较大的SAP湿度补偿内养生效果较好,水化填充作用较强,混凝土内部残留的孔隙较少,从而可以在一定程度上提升混凝土力学强度,另外SAP存在最佳掺量范围,随着SAP掺量的增加,混凝土的抗弯拉强度呈先升高后降低的趋势。

(4)SAP的掺入可以提高水泥水化程度,生成更多的水化产物,改善混凝土内部结构,提升其密实性,并

降低混凝土内部微裂纹长度及宽度,从而在一定程度上提高混凝土的内部相对湿度,进而提升混凝土的力学强度,并减少其收缩变形。

参

考

文

献

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