SAP对桥梁水泥混凝土性能影响机理研究

收稿日期：2024-01-11

作者简介：杨玉碧（1983—），女，本科，检测师，研究方向：道路桥梁工程试验检测。

摘要 为进一步探究桥梁水泥混凝土性能的提升策略，文章结合桥梁工程作业的实际情况，以高吸水树脂（SAP）为主要掺杂材料，在确定混凝土配合比和实验方法后，探究了不同的SAP掺杂量对混凝土综合力学性能的影响，确定SAP掺杂量为0.3%且水胶比为0.38时，混凝土综合力学性能较优。

关键词 SAP；水泥混凝土；影响机理

中图分类号 U444文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）09-0131-03

0 前言

目前，在高强混凝土实际应用过程中，受到各種外界因素影响的负面问题不容忽视。相关研究表明，当混凝土的水胶比低于0.42时，混凝土中的胶凝材料水化程度将偏低，进而导致混凝土收缩变形问题突出。为有效解决此类问题，研究如何有效应用SAP（高吸水树脂）进行水泥混凝土的内养护作业需重点考虑。

1 混凝土原材料及配合比设计

结合已有经验，对原材料进行如下选取：水泥采用普通硅酸盐水泥P.O42.5；细集料采用水洗河砂，粗集料采用级配为5～31.5 mm的级配碎石，粗细集料指标均满足试验要求；减水剂采用减水率为27%的聚羧酸系高性能减水剂；粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰；SAP为实验室自制的聚丙烯酸－丙烯酰胺高吸水树脂[1]。

在确定以上材料后，结合该次研究目标，将混凝土的水胶比分别设置为0.32、0.35和0.38，并分别将未吸水的SAP材料掺入混凝土材料中，控制每个水胶比下的SAP材料掺杂比例均具有五个水平，分别为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%和0.5%（对应用量分别为0.47 kg/m3、

0.93 kg/m3、1.40 kg/m3、1.86 kg/m3和2.33 kg/m3），具体的混凝土配合比数据如表1所示：

表1 不同水胶比下的混凝土配合比数据表

（单位：kg/m3，以制备1 m3混凝土计）

水胶比 0.32 0.35 0.38

水用量 150 147 136

水泥用量 465 420 360

膨胀剂用量 37.2 33.6 28.8

砂用量 764 850 832

石用量 1 056 1 083 882

减水剂用量 5.58 5.04 3.60

另外，每个水胶比水平下均增设一个不掺杂SAP的对照组（其余材料用量则与各水平相同，保持不变），用以进行对比分析。

2 实验方案

混凝土试块制备完成后，对其进行如下测试：

（1）使用混凝土强度检测器，分别对各个混凝土块在3 d、7 d、14 d、21 d和28 d等五个时间点内的强度进行测试。

（2）按照ASTM-457的相关规范要求，使用RapidAir 457孔结构测定仪对其孔隙结构进行测试。

（3）使用压汞仪对各个混凝土试块的孔隙率进行测试[2-3]。

3 掺杂SAP对混凝土综合性能的影响分析

3.1 不同SAP掺杂比例下的混凝土力学性能分析

基于第2节的实验方案对混凝土的强度进行测试后，将测试结果进行汇总整理，得到不同SAP掺杂比例下的混凝土力学性能分析结果如图1和图2所示。

对图1和图2的（a）、（b）和（c）进行综合对比分析后，可得出以下几点推论：①随着混凝土龄期的增加，可见曲线之间的距离逐步接近，即混凝土强度的增速开始放缓。②当不断增加SAP掺入量时，曲线表现为上凸状，即混凝土的强度仅在某一特定值下取得最大值，而在此基础上进一步增加SAP掺杂量时，则混凝土的强度又将开始下降。

据此可知，当SAP掺入量小于0.3时，掺入的SAP可使得混凝土内部水环境发生变化，对于混凝土的养护也起到积极作用，这与SAP材料预吸水的物理性质不无关联。但当SAP掺入量超过0.3%后，过多的SAP材料的预吸水作用将导致混凝土原有的水胶比发生显著变化，进而对混凝土材料的强度造成不利影响。因此，可以初步确定，SAP掺入量为0.3%有助于保障混凝土力学强度。在此基础上，进一步分析SAP掺入量为0.3%时不同配合比的强度值，结果显示，此条件下，以水胶比为0.38时的混凝土试块强度值为最高，因此可将该水胶比作为优化后的试验参数，以此进行后续的实验测试。

3.2 不同SAP掺杂量对混凝土孔隙结构的影响

基于上节实验结果，设置水胶比为0.38，以此对不同SAP掺杂量下的混凝土孔隙结构进行分析。经仪器自动检测后，得到检测结果如表2所示。

根据表2，当增加SAP掺入量后，混凝土内部的孔隙类型也相应出现变化，主要表现为超过100 μm的孔径结构的占比显著增加，这将导致混凝土内部孔隙变大，进而影响混凝土强度。而SAP对混凝土的内养护作用对强度起积极作用，所以混凝土强度随SAP掺入量变化曲线呈上凸状，存在一个最优掺入量，此最优化掺入量为SAP积极作用与消极作用的平衡点。

在此基础上，对表2中的数据做进一步分析。结果显示，每当SAP材料掺杂量提升0.1%，则混凝土材料的平均孔径也将增加10.13 μm。但相对而言，当SAP掺杂量在0.3%和0.4%时，材料的孔径特征才发生突变，前者和后者在大于100 μm孔径分布上的占比分别为33%和45%。因此初步推断，在一般情况下，SAP掺杂量在0.3%左右较为合理。

3.3 不同SAP掺杂量下的混凝土孔隙率分析

在该环节实验中，仍设置水胶比为0.38，使用压汞法对不同SAP掺杂量下的混凝土孔隙率进行分析，再将分析结果与对应的平均孔径与强度进行综合分析，得到叠加分析结果如表3所示：

表3 不同SAP掺杂量下的混凝土孔隙率叠加分析结果

SAP含量/% 孔隙率/% 平均孔径/μm 强度/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

根据表3，当水胶比固定不变时，混凝土孔隙率与SAP掺杂量之间基本呈正相关。与对照组相比，SAP每增加0.1%，则混凝土孔隙率平均增加1.23%。结合平均孔径变化知，掺杂SAP材料过多对于混凝土的强度存在一定的不利之处。但从3.1节中的强度实验结果可知，掺杂SAP材料对于混凝土内部水环境的改善作用较为显著，对于胶凝材料的水化过程同样有所改善，以此提升强度。综合以上两方面分析结果可知，SAP材料对混凝土力学性能的影响是多元化的，不同SAP材料掺杂量也会影响其正面效果或负面效果的实际作用，因此有必要进一步探究如何发挥正面效果并规避负面效果。

基于上述研究目标，以混凝土的28 d强度为测试指标，分析不同SAP材料掺杂量如何影响其正面效果与负面效果的发挥，得到实验结果如图3所示。

根据图3中的数据变化情况，在配合比中，当SAP掺入量为0.3%时表现最佳。相对于没有SAP掺入的对照组，混凝土强度增加了2.84%，孔隙率增加了16.74%，平均孔径也增加了33.07%。尽管强度仅有2.84%的增加，但孔隙率和平均孔徑的增幅较大，表明SAP对混凝土强度的积极作用被消极作用所抵消。随着SAP掺入量增至0.4%，混凝土强度增加了1.13%，但这个增幅相较于0.3%时的增加量减少了1.71%。而当SAP掺入量为0.5%时，混凝土强度与对照组相比减少了2.7%，同时孔隙率增加了26.76%，平均孔径增加了56.50%。在这种情况下，SAP的负面影响超过了其正面作用，导致混凝土强度下降而非提升。因此，可以得出结论：当SAP掺入量达到0.43%时，其正面和负面影响完全相抵消，混凝土的强度不会发生变化；低于此临界值时，SAP的正面效应更为突出，反之亦然。

图3 不同SAP掺杂量对其正面/负面效果的影响分析

4 结束语

整体来看，在该次研究工作中，针对桥梁工程中水泥混凝土掺入SAP（高吸水树脂）的实际情况，对SAP不同掺杂量如何影响混凝土力学性能，以及掺杂SAP对混凝土性能的影响原因等两方面，均进行了较为详细的研究，以期为后续的桥梁工程混凝土优化设计工作提供参考借鉴。

参考文献

[1]王险峰， 陈少聪， 刘建， 等. 掺入矿物和吸水树脂的轻骨料混凝土自愈性能[J]. 深圳大学学报（理工版）， 2023（5）： 564-570.

[2]汪首元， 闫金萍， 李昊， 等. 掺加高吸水树脂（SAP）的混凝土孔结构及其耐久性[J]. 公路， 2023（5）： 295-300.

[3]杨进， 邱金胤， 苏英， 等. 高吸水树脂在水泥基复合材料中的功能应用研究进展[J]. 当代化工研究， 2022（24）： 128-130.