汪金滿，吳多明，王 鑫，石旭東

(1.甘肅省第五建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，甘肅 天水 741000；2.天水師范學(xué)院 土木工程學(xué)院，甘肅 天水 741001)

內(nèi)養(yǎng)護(hù)是通過具有吸水、釋水功能的材料，利用其儲(chǔ)存的水分對(duì)混凝土內(nèi)部進(jìn)行供水養(yǎng)護(hù)的一種方式[1]。常見的內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料有高分子吸水樹脂(Super Absorbent Resin，SAP)、膨脹珍珠巖、輕質(zhì)多孔陶粒等，其中，SAP吸水、釋水性能更符合混凝土高性能化發(fā)展的需要[2]。目前，關(guān)于SAP應(yīng)用于混凝土并提升其性能的研究較多：項(xiàng)尚[3]就SAP對(duì)混凝土耐磨性能的影響進(jìn)行了分析，表明SAP摻量小于0.2%時(shí)對(duì)混凝土耐磨性能起提升作用；邵力[4]對(duì)SAP提升自密實(shí)混凝土的干燥收縮進(jìn)行了研究，表明SAP在預(yù)吸水的情況下對(duì)自密實(shí)混凝土收縮開裂有很好的抑制作用；夏慧蕓等[5]結(jié)合目前SAP的研究成果，從類別、生產(chǎn)方法、粒形等方面就SAP對(duì)混凝土性能的影響進(jìn)行了總結(jié)與分析，表明SAP對(duì)混凝土性能存在一定的提升作用，但需完善其評(píng)價(jià)體系；李良英等[6]結(jié)合SAP對(duì)混凝土性能的影響，就SAP的制備進(jìn)行了研究，并對(duì)其參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析，表明通過溶液聚合法和階梯升溫法優(yōu)化的SAP吸水倍率高達(dá)626 g/g；張本航等[7]基于SAP摻量及粒徑，就SAP對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響進(jìn)行了研究，表明SAP對(duì)混凝土力學(xué)性能的優(yōu)化作用隨著其粒徑的減小而增強(qiáng)，且SAP提升混凝土力學(xué)性能存在最佳摻量。

然而，關(guān)于SAP對(duì)混凝土抗凍性以及其最佳摻量的研究缺乏全面性。基于此，本文設(shè)計(jì)了多種SAP摻量，并提前對(duì)其進(jìn)行了預(yù)吸水處理，將其與混凝土各組分進(jìn)行混合并通過攪拌成型混凝土，養(yǎng)護(hù)至一定齡期后進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。基于相對(duì)動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)(ω)、質(zhì)量損失率MS、吸水率Rx等指標(biāo)，對(duì)摻SAP混凝土性能進(jìn)行分析，并探究了SAP最佳摻量、解釋了SAP提升混凝土抗凍性能的機(jī)理，進(jìn)而為混凝土在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)抗凍性的改善提供數(shù)據(jù)支撐。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

本文所用水泥型號(hào)為P.O 42.5，其性能指標(biāo)與化學(xué)成分見表1～2。根據(jù)《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ52—2006)對(duì)粗細(xì)骨料的質(zhì)量要求，所用粗細(xì)骨料滿足質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。SAP由蘭州市某商混站提供，細(xì)度為150～200目。試驗(yàn)用水采用實(shí)驗(yàn)室自來水。

表1 P.O 42.5普通硅酸鹽水泥各項(xiàng)性能指標(biāo)

表2 P.O 42.5普通硅酸鹽水泥化學(xué)成分 %

1.2 配合比設(shè)計(jì)

為了探究SAP最佳摻量，設(shè)計(jì)SAP摻量為0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%，進(jìn)而成型混凝土進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，配合比設(shè)計(jì)見表3。

表3 混凝土配合比設(shè)計(jì)

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 凍融循環(huán)

試驗(yàn)根據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)進(jìn)行。依據(jù)表3混凝土配合比設(shè)計(jì)，成型試驗(yàn)用試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。試件成型24 h后拆模并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)至24 d后取出試件擦干表面水分，然后將試件浸泡于水中4 d。待試件浸泡完成后，利用HDK-9快速凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī)并參考規(guī)范進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。每隔25次凍融循環(huán)，對(duì)試件進(jìn)行超聲波波速與質(zhì)量測(cè)試。先通過式(1)計(jì)算試件相對(duì)動(dòng)彈性模量Er，再由式(2)計(jì)算試件相對(duì)動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)ω。并根據(jù)式(3)計(jì)算試件質(zhì)量損失率MS。當(dāng)試件相對(duì)動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)ω小于0，質(zhì)量損失率MS大于5%時(shí)，試件損壞。

(1)

式中：Er為試件相對(duì)動(dòng)彈性模量；Vt2為第t次試驗(yàn)循環(huán)時(shí)試件超聲波波速；V02為試件初始超聲波波速。

(2)

(3)

式中：MS為試件質(zhì)量損失率；m0為試件初始質(zhì)量；mt為第t次試驗(yàn)循環(huán)時(shí)試件質(zhì)量。

1.3.2 吸水率

依據(jù)表3成型邊長(zhǎng)為100 mm的立方體試件，待試件養(yǎng)護(hù)至28 d時(shí)擦干表面水分，并利用烘箱進(jìn)行干燥處理48 h。試件干燥完成并冷卻至室溫后測(cè)其質(zhì)量，然后將試件浸泡于水中，并放入冰箱中，在-18 ℃的溫度下冰凍48 h，冰凍完成后再次測(cè)試件質(zhì)量。由所測(cè)試件質(zhì)量數(shù)據(jù)，根據(jù)式(4)計(jì)算試件吸水率，即

(4)

式中：Rx為試件吸水率；m1為干燥處理完成后試件質(zhì)量；m2為試件冰凍結(jié)束后質(zhì)量。

1.3.3 孔結(jié)構(gòu)

根據(jù)表3成型邊長(zhǎng)為100 mm的S0、S3組立方體試件，待試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d后取出，并制作成100 mm×100 mm×10 mm的樣品，清洗干凈樣品表面，干燥后利用混凝土氣孔結(jié)構(gòu)分析儀進(jìn)行孔結(jié)構(gòu)分析試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 凍融循環(huán)

不同摻量SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土試件相對(duì)動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)ω以及質(zhì)量損失率MS隨凍融循環(huán)次數(shù)變化規(guī)如圖1所示。

由圖1可知：不同摻量SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土試件相對(duì)動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)ω、質(zhì)量損失率MS隨凍融循環(huán)次數(shù)的增大表現(xiàn)出的變化規(guī)律相似；ω均隨凍融循環(huán)次數(shù)呈持續(xù)降低規(guī)律，MS隨凍融循環(huán)次數(shù)呈持續(xù)增大；但在相同凍融循環(huán)次數(shù)下不同試件ω值大小不同，并且不同試件凍融循環(huán)次數(shù)不同。

(a) 相對(duì)動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)

(b)質(zhì)量損失率MS圖1 試件ω與MS變化規(guī)律

當(dāng)ω≤0或MS≥5%時(shí)，表明試件在凍融循環(huán)環(huán)境下達(dá)到了破壞。當(dāng)SAP摻量為0.0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%時(shí)，混凝土試件凍融循環(huán)次數(shù)分別為350、375、400、425、400、375次?？芍?，摻SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土抗凍性好于普通混凝土，且當(dāng)SAP摻量為0.6%時(shí)混凝土抗凍性最好。

2.2 吸水率

為進(jìn)一步探究SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土抗凍性的影響，并分析其機(jī)理，對(duì)不同摻量SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土試件進(jìn)行了吸水率(Rx)試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。吸水率的大小反映了混凝土抗凍性能的好壞，當(dāng)冰凍48 h后吸水率較大時(shí)表明混凝土抗凍性較差；吸水率較小時(shí)，表明混凝土抗凍性較好。

由圖2可以看出：SAP摻量為0.0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%時(shí)S0、S1、S2、S3、S4、S5組混凝土試件Rx分別為6.58%、6.05%、5.49%、5.01%、5.45%、6.03%；摻SAP對(duì)混凝土進(jìn)行內(nèi)養(yǎng)護(hù)可降低其吸水率Rx，且當(dāng)SAP摻量為0.6%時(shí)混凝土吸水率Rx最小。此外，吸水率Rx的大小間接反映了混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的好壞，當(dāng)混凝土吸水率Rx較大時(shí)表明混凝土孔隙結(jié)構(gòu)較差；吸水率Rx較小時(shí)則相反。因此，摻加SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)可改善混凝土孔隙結(jié)構(gòu)，降低孔隙率，且當(dāng)SAP摻量為0.6%時(shí)效果最顯著。

圖2 吸水率

吸水率Rx試驗(yàn)結(jié)果與以相對(duì)動(dòng)彈性模量評(píng)價(jià)參數(shù)ω和質(zhì)量損失率MS為指標(biāo)的凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果均表明，SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)提升了混凝土抗凍性能，且SAP最佳摻量為0.6%。

2.3 孔結(jié)構(gòu)

為分析SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土抗凍性改善機(jī)理，對(duì)S0、S3組試件進(jìn)行孔結(jié)構(gòu)分析試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果中不同直徑氣泡數(shù)如圖3所示。

(a) S0組

(b) S3組圖3 不同直徑氣泡數(shù)

由圖3可以看出：標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后S0組混凝土氣泡總數(shù)為32個(gè)，小于100 μm的氣泡總數(shù)為8個(gè)；S3組混凝土氣泡總數(shù)為38個(gè)，小于100 μm的氣泡數(shù)為21個(gè)?？芍瑩郊?.6%的SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土內(nèi)部微氣泡較多，大氣泡較少?；炷羶?nèi)部氣泡分布與大小影響著其抗凍性能的好壞，當(dāng)混凝土內(nèi)部小于100 μm的氣泡含量較多時(shí)，其抗凍性較好，較少時(shí)則相反。主要因?yàn)槲⑿蜌馀菽苡行ё钄嗫紫哆B通性，并且可以降低孔隙內(nèi)部破壞應(yīng)力。

3 結(jié)論

1) 將混凝土利用SAP進(jìn)行內(nèi)養(yǎng)護(hù)后，其抗凍性能得到了明顯的改善。

2) 改善混凝土抗凍性能時(shí)的SAP最佳摻量為0.6%。

3) 摻加SAP對(duì)混凝土進(jìn)行內(nèi)養(yǎng)護(hù)后，混凝土冰凍48 h時(shí)的吸水率降低，且當(dāng)SAP摻量為0.6%時(shí)降低效果最顯著。

4) 摻加0.6%的SAP對(duì)混凝土進(jìn)行內(nèi)養(yǎng)護(hù)后增加了微型氣泡個(gè)數(shù)，進(jìn)而改善了混凝土抗凍性能。