基于SAP 内养护的混凝土力学及收缩特性研究

■张本航 刘 帅

（1.中交第二航务局有限公司，武汉 430040；2.中交二航局第五工程分公司，武汉 430014）

水泥混凝土自问世以来便迅速成为公路路面的主要形式， 近年来水泥混凝土路面更是在我国公路路面中占比70%以上，随着国家“十四五”规划及交通强国战略的展开， 水泥混凝土路面将在我国交通现代化建设中承担更为重要的责任。 然而水泥混凝土路面由于早期内部水分较少， 再加上暴露在空气中水分蒸发作用较大， 导致混凝土内部用于自身水化用水不足，导致胶凝材料水化不充分，从而影响水泥混凝土的强度发展[1-3]。 另外水泥混凝土内部水分的不足将导致混凝土内部毛细孔隙失水， 从而引起毛细孔负压增大，进而引发混凝土的收缩，从而诱发混凝土开裂。因此混凝土内部水分的补充将是提升混凝土强度及解决混凝土抗裂性不足的根本方法[4-6]。

目前，利用超吸水性树脂（SAP）独特的吸释水特性在混凝土内部引入水分，成为解决上述问题的最有效方法之一[5-7]。SAP 能够通过自身的吸水特性在混凝土拌合期便吸收足够的水分，在混凝土内部形成微型“蓄水池”，随后在养护期内，当混凝土内部水分不足时及时释水分，以此在混凝土内部形成内养护[8-10]。

本研究将通过研究SAP 不同粒径及掺量对混凝土抗压强度、抗弯拉强度及干燥收缩等性能的影响，从而得出SAP 对混凝土力学强度及收缩的作用规律，为SAP 在水泥混凝土工程中的应用提供数据支撑。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

本研究选用P .II 52.5 硅酸盐水泥， 比表面积为330 m2/kg，初凝时间160 min，终凝时间216 min，28 d 抗压强度为68.2 MPa，28 d 抗折强度为9.6 MPa。 粉煤灰选用符合规范标准的I 级粉煤灰，细度为270 m2/kg。 粗集料选用粒径为4.75～9.5 mm和9.5～19 mm 的石灰岩碎石，堆积密度最大时两档料的比例为3∶7，满足规范合成级配要求。 细集料采用细度模数为2.91 的中砂， 其表观密度为2600 kg/m3。 为提升混凝土的施工和易性，选用减水率为26%的聚羧酸高性能减水剂作为外加剂，同时采用用普通市政自来水作为拌合用水。 SAP 选用30～60 目、60～100 目、100～120 目3 种粒径的聚丙烯酸钠型SAP 颗粒，3 种粒径SAP （吸液时间30 min）在水泥浆体中的吸液倍率分别为48、36、29（水泥浆体按照表1 中配置）。

1.2 配合比设计

本研究以W/B=0.31 配置强度等级为C50 的混凝土为基准混凝土， 其7 d、28 d 抗压强度分别为47.75 MPa、58.5 MPa，7 d、28 d 抗弯拉强度分别5.64 MPa、6.52 MPa。

本研究考虑到实际工程应用过程中应以SAP饱和吸水为条件，因此试验过程中均控制SAP 饱和吸水，从而研究SAP 粒径及掺量对混凝土性能的影响。 SAP 吸水量（内养护水量）计算方法参考Powers理论公式，如公式（1）所示。 由公式（1）计算所得理论内养护水量， 并由SAP 吸液倍率计算出SAP 理论掺量，对理论SAP 掺量上下波动0.05%研究SAP掺量对混凝土性能的影响。 因此计算所得混凝土配合比见表1。

表1 混凝土配合比

式中：Wie为内养护水量，B 为胶凝材料质量。

1.3 试验设计

混凝土力学强度试验按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG 3420-2020） 分别成型100 mm×100 mm×100 mm 立方体试件及100 mm×100 mm×400 mm 梁形试件， 每组设置3 个平行试件，分别测试其7 d、28 d 的抗压强度和抗弯拉强度。

利用100 mm×100 mm×400 mm 梁形试件进行了混凝土的干燥收缩试验，通过MIC-YWC-5 位移传感器和MIC-DCV-4 数据接收设备对混凝土28 d收缩情况进行实时监测，采集时间间隔为1 h，试验环境温度控制为（20±2）℃，外界相对湿度（RH）保持在60%±5%。

2 结果与分析

2.1 力学强度

由图1 可知，总体而言SAP 的掺加对混凝土抗压及抗弯拉强度影响不大。 对于抗压强度及抗弯拉强度而言， 较大粒径SAP 的掺入对混凝土影响较小，甚至对混凝土强度产生不利影响，随着SAP 粒径的减小， 混凝土的强度将会得到一些提升，100～120 目SAP 对混凝土强度的提高作用最大，7 d、28 d抗压强度最大可分别提高12%、10.4%，7 d、28 d 抗弯拉强度最大可分别提高7.6%、6.4%。 另一方面，SAP 参数对混凝土力学强度的提升效果存在最佳粒径，一般来说，随着SAP 掺量的增大，混凝土抗压强度及抗弯拉强度均表现出先增大后减小的趋势，当SAP 掺量较小或者较大时，混凝土的抗压强度及抗弯拉强度均有可能小于对照组混凝土。 在Powers理论掺量系下，30～60 目、60～100 目、100～120 目SAP 组混凝土28 d 抗压强度分别较无SAP 组提升2.7%、8.6%、10.4%，28 d 抗弯拉强度分别较无SAP组提升-2.8%、0.8%、6.4%。

图1 SAP 粒径及掺量对混凝土抗压强度的影响

由此可见，较大粒径的SAP 对混凝土的强度可能会产生轻微不利影响， 但仍能满足规范要求，较小粒径SAP 对混凝土力学强度有一定的提升作用。同时，SAP 对混凝土强度的提升作用存在最佳掺量，在最佳掺量下SAP 对混凝土强度的提升效果最好。 分析其原因可能在于，在合适的SAP 粒径及掺量条件下，SAP 自身特殊的吸释水特性可以在混凝土内部水分缺少时及时补水，从而使得胶凝材料充分水化，使得混凝土内部更加致密，提升混凝土界面过渡区的力学强度，从而在一定程度上提升混凝土的抗压及抗弯拉强度。

2.2 干燥收缩

经计算， 混凝土的干燥收缩变形监测结果见图2（对于SAP 掺量对混凝土干燥收缩的影响，仅选择最佳粒径组进行分析）。

图2 混凝土干燥收缩变形

由图2 可知，SAP 的掺入显著减少了混凝土养护全龄期内的干燥收缩，28 d 龄期时对混凝土干缩变形值的减少率均在27%以上。 分析1#、3#、6# 及9# 组可知，随着SAP 粒径的减小，混凝土的干燥收缩变形值越小，SAP 对混凝土干燥收缩的抑制效果越好。 在Powers 理论掺量下，30～60 目、60～100 目、100 ～120 目SAP 在28 d 龄期时可分别降低27.22%、41.96%、62.4%的干燥收缩变形值。 分析8#、9#、10# 组可知， 对于同一粒径SAP， 随着SAP掺量的增加，混凝土的干燥收缩变形之基本呈现先增大后减小的趋势，因此SAP 对混凝土干燥收缩的抑制效果也存在最佳掺量，100 ～120 目SAP 在0.14%、0.19%、0.24%这种掺量下，混凝土28 d 干燥收缩变形值分别降低了47.3%、62.4%、38.7%。 在最佳掺量下，SAP 大幅度减小混凝土的干燥收缩变形值，使混凝土的干燥收缩发展更平缓。

分析其原因在于，一方面SAP 在混凝土内部及时释水， 补充混凝土内部毛细孔内的水分散失，抑制毛细孔压力的增大，因此可以对混凝土的干燥收缩起到良好的养护效果。然而较大粒径SAP 在混凝土中分散性不如较小SAP，因此较小粒径SAP 养护范围更广，因此取得更好的内养护效果，对混凝土的干燥收缩抑制效果更好。 另一方面，对于同一粒径SAP，当SAP 掺量较小时，同样会造成SAP 内养护范围不足，混凝土内部部分区域未得到水分的补充， 因此， 养护效果较差， 而当SAP 掺量较大时，SAP 颗粒又容易结团， 从而使得SAP 颗粒变大，因此养护效果也会变差。

综上所述，SAP 掺入混凝土可以起到显著的干燥收缩抑制效果， 当SAP 粒径较小且掺量合适时，SAP 对混凝土干燥收缩的抑制能力最强。

3 结论

本研究通过研究不同粒径及掺量的饱和吸液状态SAP 对混凝土抗压强度及抗弯拉强度的影响，得到如下结论：（1）SAP 粒径越小，对混凝土的力学强度提升作用越好，100～120 目SAP 最大可提升混凝土10.4%的28 d 抗压强度及6.4%的28 d 抗弯拉强度。 （2）SAP 对混凝凝土的力学强度提升作用存在最佳掺量，掺量较小或较大都将混凝土的力学强度产生不利影响，较小粒径SAP 仅在最佳掺量下才能起到提升混凝土力学强度的作用。 （3）SAP 的掺入显著减少了混凝土养护全龄期内的干燥收缩，随着SAP 粒径的减小，SAP 对混凝土干燥收缩的抑制效果越好，100～120 目SAP 在28 d 龄期时可降低62.4%的干燥收缩变形值。 SAP 对混凝土干燥收缩的抑制效果也存在最佳掺量， 在最佳掺量下，SAP大幅度减小混凝土的干燥收缩变形值，使混凝土的干燥收缩发展更平缓。