超吸水聚合物混凝土的力学性能研究

王维红 等

【摘 要】针对混凝土养护时的人工养护费时费力及浪费水资源问题，利用超吸水聚合物的自养护作用，改善混凝土的性能，试验采用正交试验的方法，确定出在标养和干养条件下的最优配合比并与基准混凝土的抗压强度进行对比，试验结果表明，在干养条件下，超吸水聚合物能提高混凝土的抗压强度。

【关键词】超吸水聚合物 混凝土 抗压强度

宁夏属于干旱少雨、严寒缺水地区，在建筑工程的建设过程中，混凝土作为主要的建筑材料使用，在养护时需要大量的水进行养护，浪费了大量的水资源，针对这问题，利用超吸水聚合物（SAP）的吸水性和放水性，在混凝土中掺入SAP使混凝土自养护达到提高强度的目的。超吸水聚合物是一种新型的外加材料，可以调节水泥基胶凝材料凝结和硬化时的水分平衡，用作具有较低水胶比的混凝土和砂浆的内养护材料[1]本文将SAP、粉煤灰、煤矸石复掺到混凝土中，通过正交试验得到最优配合比，再通过与基准组的对比，分析SAP、粉煤灰和煤矸石对混凝土在标养和干养条件下的抗压强度的影响。

1 试验原材料

（1）水泥：宁夏赛马牌PO42.5R级水泥，各项性能指标符合标准中的规定。

（2）粉煤灰：宁夏银川热电厂生产的Ⅰ级粉煤灰，符合国家标准规定。

（3）煤矸石：宁夏石嘴山煤矿，密度2.71g/cm3，比表面积560m2/g。

（4）砂子：宁夏镇北堡产的人工水洗山砂，中砂，细度模数为2.78，表观密度2.73 0g/cm3，堆积密度1.560 g/cm3，含泥量0.81%。

（5）石子：宁夏镇北堡产的天然粗骨料人工碎石，粒径为5～25的连续级配，石子表观密度2680 kg/m3，堆积密度1473 kg/m3，含泥量0.11%，压碎指标8.2%，针片颗粒含量9.5%。

（6）超吸水聚合物：采用北京金元易生态有限公司成产的高吸水树脂，吸水倍率为30倍。

（7）高效减水剂：宁夏银川生产的FDN型萘系减水剂，减水率达25%～30%。

（8）水：自来水。

2 试验方法

根据吴中伟院士的高性能混凝土的设计方法[2]，本试验混凝土设计强度等级为C60，本试验选取水胶比、粉煤灰、煤矸石、砂率、SAP为影响因素，各因素选取3个水平，粉煤灰、煤矸石等量取代部分水泥，SAP掺量分别为胶凝材料总质量的0.3%、0.5%、0.7%，研究SAP自养护作用对混凝土28d 抗压强度的影响。采用L18（37）正交试验，试验水平如表2所示。

混凝土抗压强度试验依据《水工混凝土试验规程》（DL/T5150-2001）的规定进行，采用100mm×100mm×100mm试模成型，在标养和干养两种养护条件下分别养护28d进行试验。

3 试验结果及分析

正交试验结果、混凝土抗压强度极差分析如表3-4所示。

3.1正交试验

由表4可知，在标养条件下，影响混凝土28d抗压强度因素的主次顺序是A>D>B>C>E，即水胶比影响最大，其次分别为砂率、粉煤灰、煤矸石、超吸水聚合物。由图 可知，随着水胶比的增加，混凝土抗压强度呈降低趋势；随着粉煤灰、煤矸石的增加，抗压强度呈现先增加后降低的趋势，随着砂率的增加，抗压强度呈增加的趋势，综合实用性、工作性和经济性的原则确定最优配合比为A1B2C2D2E1即水胶比0.33、粉煤灰掺量15%、煤矸石掺量10%、砂率44%、SAP0.3%。

在干养条件下，影响混凝土28d抗压强度因素的主次顺序是D>A>E>B>C，即砂率影响最大，其次分别为水胶比、超吸水聚合物、粉煤灰、煤矸石。由试验结果可知，随着水胶比、煤矸石、砂率、超吸水聚合物的增加，混凝土抗压强度呈先增后降的趋势；随着粉煤灰的增加，抗压强度呈现降低的趋势，即确定组偶有配合比为 A2B1C2D2E2即水胶比0.35、粉煤灰掺量15%、煤矸石掺量10%、砂率44%、SAP0.5%。

综合分析，水胶比对混凝土强度的影响，在标养和干养条件下影响比较大，在干养条件下A2和A1的强度下降幅度较小，SAP对混凝土强度的影响，在干养条件下影响较大，在标养条件下影响较小，综合考虑两种最优方案，综合实用性、工作性和经济性的原则确定最优配合比为A1B2C2D2E2即水胶比0.33、粉煤灰掺量15%、煤矸石掺量10%、砂率44%、SAP0.5%。

3.2最优组对比试验与分析

将优选组与基准配比进行对比试验，并安排一组配比与优选组相同但不外掺SAP的高性能混凝土，以考察SAP及掺合料对高性能混凝土产生的影响。试验安排及结果如表5所示，强度对比图如图3所示。

由表5可知：（1）在标养条件下①C和J相比，表明复掺粉煤灰和煤矸石等量取代水泥对混凝土28d抗压强度有所降低，降幅为7.6%，这是因为粉煤灰和煤矸石主要是提高混凝土的后期强度，而早期强度有所下降，粉煤灰和煤矸石的掺加表现出了良好的经济效果。②Z和J相比，表明复掺粉煤灰、煤矸石和SAP对混凝土28d抗压强度有所降低，降幅为15.3%，③C和Z相比，复掺粉煤灰、煤矸石和SAP的混凝土抗压强度明显降低，降幅达8.3%，说明在标准养护条件下SAP对混凝土的强度非常不利。（2）在干养条件下：①C和J相比，表明复掺粉煤灰和煤矸石等量取代水泥对混凝土28d抗压强度有所降低，降幅为7.9%②Z和J相比，表明复掺粉煤灰、煤矸石和SAP对混凝土28d抗压强度有所降低，降幅为5.5%，③C和Z相比，表明SAP对混凝土的抗压强度有提高作用，增幅达2.7%。（3）Z组混凝土的28d抗压强度在干养环境比在标养环境中的提高7.5%，说明在干养环境中SAP可使混凝土强度提高，对混凝土强度是有利的。（4）机理分析：在混凝土中加入SAP，由于SAP具有良好的吸水性和保水性，可以很好的调节混凝土内部水分分布。一方面，在混凝土内部因水化反应的发生而缺少水分时，SAP可以释放之前吸收的水分可使混凝土继续水化，混凝土内部水化产物增多，孔隙率降低，密实度不断提高，强度得以提高[3]另一方面，当混凝土在水中养护时，SAP处于吸水饱和状态，而SAP吸水后体积会产生膨胀，这样会破坏混凝土的固有结构，同时，吸水后胶凝状态的SAP减少了骨料间的摩擦力，使混凝土强度降低。

4 结语

（1）通过正交试验，确定混凝土的最优配合比为A1B2C2D2E2，即水胶比0.33、粉煤灰掺量15%、煤矸石掺量10%、砂率44%、SAP0.5%

（2）复掺粉煤灰、煤矸石的混凝土在标养条件和在干养条件下养护时的28d强度较基准混凝土的都是降低的

（3）SAP加入混凝土中在干燥环境中养护时可有效提高混凝土的抗压强度，节约养护用水及工程费用。

参考文献：

[1]VIKTOR MECHTCHERING，LUKASZ DUDZIAK，ARNDEIKE BRUDERN，et al.高吸水聚合物（SAP）：新型多功能混凝土外加剂[J].商品混凝土，2012（5）：32-35.

[2] 吴忠伟，廉慧珍.高性能混凝土[M].北京：铁道出版社，1999：120-182.

[3]唐瑞，孟云芳，马超，邹媛媛.钢纤维超吸水聚合物混凝土抗冲耐磨性能试验研究[J].宁夏工程技术，2013（1）：35-40.

作者简介：王维红（1989-），女，硕士研究生，助教，研究方向：主要从事水工结构材料研究。