SAP内养护混凝土抗冻性影响分析

汪金满，吴多明，王 鑫，石旭东

(1.甘肃省第五建设集团有限责任公司，甘肃 天水 741000；2.天水师范学院 土木工程学院，甘肃 天水 741001)

内养护是通过具有吸水、释水功能的材料，利用其储存的水分对混凝土内部进行供水养护的一种方式[1]。常见的内养护材料有高分子吸水树脂(Super Absorbent Resin，SAP)、膨胀珍珠岩、轻质多孔陶粒等，其中，SAP吸水、释水性能更符合混凝土高性能化发展的需要[2]。目前，关于SAP应用于混凝土并提升其性能的研究较多：项尚[3]就SAP对混凝土耐磨性能的影响进行了分析，表明SAP掺量小于0.2%时对混凝土耐磨性能起提升作用；邵力[4]对SAP提升自密实混凝土的干燥收缩进行了研究，表明SAP在预吸水的情况下对自密实混凝土收缩开裂有很好的抑制作用；夏慧芸等[5]结合目前SAP的研究成果，从类别、生产方法、粒形等方面就SAP对混凝土性能的影响进行了总结与分析，表明SAP对混凝土性能存在一定的提升作用，但需完善其评价体系；李良英等[6]结合SAP对混凝土性能的影响，就SAP的制备进行了研究，并对其参数进行了优化分析，表明通过溶液聚合法和阶梯升温法优化的SAP吸水倍率高达626 g/g；张本航等[7]基于SAP掺量及粒径，就SAP对混凝土力学性能的影响进行了研究，表明SAP对混凝土力学性能的优化作用随着其粒径的减小而增强，且SAP提升混凝土力学性能存在最佳掺量。

然而，关于SAP对混凝土抗冻性以及其最佳掺量的研究缺乏全面性。基于此，本文设计了多种SAP掺量，并提前对其进行了预吸水处理，将其与混凝土各组分进行混合并通过搅拌成型混凝土，养护至一定龄期后进行冻融循环试验。基于相对动弹性模量评价参数(ω)、质量损失率MS、吸水率Rx等指标，对掺SAP混凝土性能进行分析，并探究了SAP最佳掺量、解释了SAP提升混凝土抗冻性能的机理，进而为混凝土在实际工程应用时抗冻性的改善提供数据支撑。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

本文所用水泥型号为P.O 42.5，其性能指标与化学成分见表1～2。根据《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》(JGJ52—2006)对粗细骨料的质量要求，所用粗细骨料满足质量标准。SAP由兰州市某商混站提供，细度为150～200目。试验用水采用实验室自来水。

表1 P.O 42.5普通硅酸盐水泥各项性能指标

表2 P.O 42.5普通硅酸盐水泥化学成分 %

1.2 配合比设计

为了探究SAP最佳掺量，设计SAP掺量为0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%，进而成型混凝土进行冻融循环试验，配合比设计见表3。

表3 混凝土配合比设计

1.3 试验方法

1.3.1 冻融循环

试验根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)进行。依据表3混凝土配合比设计，成型试验用试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。试件成型24 h后拆模并进行标准养护，养护至24 d后取出试件擦干表面水分，然后将试件浸泡于水中4 d。待试件浸泡完成后，利用HDK-9快速冻融循环试验机并参考规范进行冻融循环试验。每隔25次冻融循环，对试件进行超声波波速与质量测试。先通过式(1)计算试件相对动弹性模量Er，再由式(2)计算试件相对动弹性模量评价参数ω。并根据式(3)计算试件质量损失率MS。当试件相对动弹性模量评价参数ω小于0，质量损失率MS大于5%时，试件损坏。

(1)

式中：Er为试件相对动弹性模量；Vt2为第t次试验循环时试件超声波波速；V02为试件初始超声波波速。

(2)

(3)

式中：MS为试件质量损失率；m0为试件初始质量；mt为第t次试验循环时试件质量。

1.3.2 吸水率

依据表3成型边长为100 mm的立方体试件，待试件养护至28 d时擦干表面水分，并利用烘箱进行干燥处理48 h。试件干燥完成并冷却至室温后测其质量，然后将试件浸泡于水中，并放入冰箱中，在-18 ℃的温度下冰冻48 h，冰冻完成后再次测试件质量。由所测试件质量数据，根据式(4)计算试件吸水率，即

(4)

式中：Rx为试件吸水率；m1为干燥处理完成后试件质量；m2为试件冰冻结束后质量。

1.3.3 孔结构

根据表3成型边长为100 mm的S0、S3组立方体试件，待试件标准养护至28 d后取出，并制作成100 mm×100 mm×10 mm的样品，清洗干净样品表面，干燥后利用混凝土气孔结构分析仪进行孔结构分析试验。

2 试验结果与分析

2.1 冻融循环

不同掺量SAP内养护混凝土试件相对动弹性模量评价参数ω以及质量损失率MS随冻融循环次数变化规如图1所示。

由图1可知：不同掺量SAP内养护混凝土试件相对动弹性模量评价参数ω、质量损失率MS随冻融循环次数的增大表现出的变化规律相似；ω均随冻融循环次数呈持续降低规律，MS随冻融循环次数呈持续增大；但在相同冻融循环次数下不同试件ω值大小不同，并且不同试件冻融循环次数不同。

(a) 相对动弹性模量评价参数

(b)质量损失率MS图1 试件ω与MS变化规律

当ω≤0或MS≥5%时，表明试件在冻融循环环境下达到了破坏。当SAP掺量为0.0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%时，混凝土试件冻融循环次数分别为350、375、400、425、400、375次。可知，掺SAP内养护混凝土抗冻性好于普通混凝土，且当SAP掺量为0.6%时混凝土抗冻性最好。

2.2 吸水率

为进一步探究SAP内养护对混凝土抗冻性的影响，并分析其机理，对不同掺量SAP内养护混凝土试件进行了吸水率(Rx)试验，结果如图2所示。吸水率的大小反映了混凝土抗冻性能的好坏，当冰冻48 h后吸水率较大时表明混凝土抗冻性较差；吸水率较小时，表明混凝土抗冻性较好。

由图2可以看出：SAP掺量为0.0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%时S0、S1、S2、S3、S4、S5组混凝土试件Rx分别为6.58%、6.05%、5.49%、5.01%、5.45%、6.03%；掺SAP对混凝土进行内养护可降低其吸水率Rx，且当SAP掺量为0.6%时混凝土吸水率Rx最小。此外，吸水率Rx的大小间接反映了混凝土孔隙结构的好坏，当混凝土吸水率Rx较大时表明混凝土孔隙结构较差；吸水率Rx较小时则相反。因此，掺加SAP内养护可改善混凝土孔隙结构，降低孔隙率，且当SAP掺量为0.6%时效果最显著。

图2 吸水率

吸水率Rx试验结果与以相对动弹性模量评价参数ω和质量损失率MS为指标的冻融循环试验结果均表明，SAP内养护提升了混凝土抗冻性能，且SAP最佳掺量为0.6%。

2.3 孔结构

为分析SAP内养护对混凝土抗冻性改善机理，对S0、S3组试件进行孔结构分析试验，试验结果中不同直径气泡数如图3所示。

(a) S0组

(b) S3组图3 不同直径气泡数

由图3可以看出：标准养护28 d后S0组混凝土气泡总数为32个，小于100 μm的气泡总数为8个；S3组混凝土气泡总数为38个，小于100 μm的气泡数为21个。可知，掺加0.6%的SAP内养护混凝土内部微气泡较多，大气泡较少。混凝土内部气泡分布与大小影响着其抗冻性能的好坏，当混凝土内部小于100 μm的气泡含量较多时，其抗冻性较好，较少时则相反。主要因为微型气泡能有效阻断孔隙连通性，并且可以降低孔隙内部破坏应力。

3 结论

1) 将混凝土利用SAP进行内养护后，其抗冻性能得到了明显的改善。

2) 改善混凝土抗冻性能时的SAP最佳掺量为0.6%。

3) 掺加SAP对混凝土进行内养护后，混凝土冰冻48 h时的吸水率降低，且当SAP掺量为0.6%时降低效果最显著。

4) 掺加0.6%的SAP对混凝土进行内养护后增加了微型气泡个数，进而改善了混凝土抗冻性能。