盐渍土环境下高吸水树脂混凝土抗压强度及氯离子渗透研究

陈 鹏，金祖权，李建强，陈永丰

(青岛理工大学 土木工程学院，山东 青岛 266033)

盐渍土环境下高吸水树脂混凝土抗压强度及氯离子渗透研究

陈 鹏，金祖权，李建强，陈永丰

(青岛理工大学 土木工程学院，山东 青岛 266033)

标准养护和夏季自然养护的内养护混凝土在盐渍土环境中腐蚀不同龄期，测试其抗压强度及氯离子渗透性能。结果表明：无论标准养护还是自然养护，高吸水树脂的掺加均降低了混凝土早期强度，但当高吸水树脂掺量为1kg/m3时可提高混凝土后期强度，且提升幅度对低水胶比混凝土更明显。在盐渍土腐蚀环境中，普通混凝土强度先上升后下降，而内养护混凝土强度先下降后上升。高吸水树脂能够延缓混凝土抗压强度下降的速率，提升混凝土抗氯离子渗透能力。

高吸水树脂；内养护混凝土；抗压强度；盐渍土；氯离子渗透

Abstract: The compressive strength and chloride ion penetration of concrete exposed to saline soil for different corrosion age were tested. The inner curing concrete was prepared with super absorbent polymer (SAP) and cured in standard condition and summer natural environment. Experimental results show that the early strength of inner curing concrete decreases whether in standard curing or in natural curing environment. However, the compressive strength of concrete incorporating with 1kg/m3SAP increases in the later curing age, and the improving influence of SAP on compressive strength of concrete in later age is more remarkable for low water-binder ratio concrete than high water-binder ratio concrete. In saline soil environment, the compressive strength of plain concrete appears a trend of rise first then fall. However, the compressive strength of concrete incorporated with SAP decreases firstly, and then increases with corrosion age. The time of compressive strength decline point of concrete in saline soil was delayed, and the chloride penetration resistance capacity of inner curing concrete is improved due to the addition of SAP.

Keywords: super absorbent polymer (SAP)；internal curing concrete; compressive strength；saline soil；chloride ion penetration

盐渍土地区普遍存在高风速、低湿度、强腐蚀特点，降低混凝土水胶比可有效提升混凝土的抗腐蚀能力。一旦这类混凝土中胶凝材料、尤其是水泥用量增加，混凝土收缩将随之增加，甚至其早期自收缩占到28d总收缩变形的50%以上。加之盐渍土地区的高风、低湿影响，混凝土因自收缩和干燥收缩而导致的开裂问题时有发生。因此通过内养护，即以高吸水树脂来为混凝土内部提供水源来减少高性能混凝土的收缩成为研究的热点[1]。高吸水性树脂(SAP)是一种强亲水性的高分子化合物。由于SAP分子结构中存在大量的羟基、羧基及氨基等强亲水基因,因此，SAP具有极高的吸收水分的能力，有时吸收水的重量可以超过其自身重量的500倍[2-3]。许多研究表明[4-5]，向混凝土中掺加高吸水树脂能够有效抑制高强混凝土的早期自收缩。对于吸水树脂对混凝土抗压强度的影响，Pierard等[6]通过在水灰比为0.35的混凝土中添加胶凝材料总量0.3%和0.6%预吸水树脂后发现：其28d抗压强度分别降低8%和14%。Mechtcherine等[7]在水灰比为0.22的混凝土中分别加入相对于胶凝材料质量的0.3%和0.6%的预吸水树脂，结果表明7d抗压强度分别降低12%和30%，28d抗压强度分别降低4%和20%。Reinhardt等[8]的研究表明，混凝土中掺加高吸水树脂后，抗压强度变化很小。孙婧等[9]通过试验发现，混凝土在掺入高吸水树脂后其各个龄期的抗压强度均有不同程度的提高。显然，吸水树脂对混凝土强度的影响受到胶凝材料类型以及初始W/B的影响。考虑盐渍土地区部分大体积混凝土及基础部分仍采用C25-C30的低强度等级现状，本文研究了不同掺量吸水树脂对高、低水胶比混凝土的强度和耐久性能影响规律，以期为上述地区内养护混凝土设计奠定基础。

1 原材料与试验方法

1.1试验原材料

水泥：P.I型52.5水泥，其化学组成见表1；细骨料：青岛大沽河砂场的河砂，经检测为中砂，非活性集料，集配良好。粗骨料：5～20 mm碎石。水：实验室自来水；减水剂：JM-PCA(Ⅰ)型聚羧酸高效减水剂，其减水率为30%左右。高吸水树脂(SAP)：H700型高吸水树脂，主要性能指标如表2所示。

表1 P.I型52.5水泥化学成分 %Tab. 1 Chemical composition of P.I 52.5 cement %

表2 H700型高吸水树脂性能指标Tab. 2 Performance indicators of H700 type SAP

1.2混凝土配合比

考虑高、低水胶比对内养护混凝土性能影响，设计两类混凝土W/B分别为0.33和0.52，吸水树脂掺量分别为0～2kg/m3。树脂通过预吸水处理，其吸水比例为树脂∶水=1∶30。考虑到吸水树脂将通过养护过程中水分释放来促进混凝土养护，故混凝土用水量为初始总用水量减去吸水树脂吸水量，混凝土配合比如表3所示，表中的配合比为初始总配合比，L系列为C50强度混凝土，SAP掺量分别为0、1、1.5及2 kg/m3；C系列为C30强度混凝土，SAP掺量分别为0、1和2 kg/m3。

表3 混凝土配合比 (kg·m-3)Tab. 3 Mix proportion of concrete (kg·m-3)

2.3试验方法

搅拌混凝土时，先让高吸水树脂预吸水15分钟，吸水比例为1∶30。将水泥、砂以及石子加入混凝土搅拌机中，干搅1 min，然后加入预吸水高吸水树脂，搅拌1 min，之后加入自来水，搅拌3 min左右，24 h后进行拆模。混凝土试块养护为标准养护和自然养护。标准养护是在标准养护实验室内养护，温度为20±2℃，相对湿度在95%以上。自然养护为先在标准养护室养护3 d，然后取出置于室内环境自然养护到7 d、28 d和90 d，此时为夏季，室内温度为20±3℃，湿度为70%左右。混凝土抗压强度测试方法参照GB/T50107—2010《混凝土强度检测评定标准》。为研究吸水树脂混凝土的耐久性能，将养护28 d吸水树脂混凝土5个面刷涂环氧树脂，留出一个面作为腐蚀面以保证氯离子的一维传输，然后将混凝土全埋于盐渍土中。本试验所用盐渍土是从东营腐蚀最严重的地区现场取土，带回实验室进行试验，盐渍土中离子种类及含量如表4所示。混凝土在盐渍土中腐蚀120 d后取出，洗去表面的盐渍土，对试块逐层进行磨粉，然后用化学滴定法测试混凝土氯离子浓度。

表4 盐渍土离子种类及含量Tab. 4 Type and content of ion in saline soil

2 试验结果及讨论

2.1标准养护条件下混凝土抗压强度

标准养护条件下不同类型混凝土3 d、7 d、28 d以及90 d抗压强度如图1所示。

图1 标准养护条件不同SAP掺量的混凝土抗压强度Fig. 1 Compressive strength of concrete of different SAP amount in standard curing condition

从图1可以看出，在标准养护条件下，无论W/B=0.33还是0.52，混凝土在加入高吸水树脂后早期强度均有所降低。对于W/B=0.33混凝土而言，当吸水树脂掺量为1 kg/m3时，相比未掺加高吸水树脂的混凝土，其3 d强度略有降低，7 d和28 d强度略高，而90 d强度则提高了10%左右。当树脂掺量为1.5和2 kg/m3时，不仅其早期强度低于基准混凝土，而且后期强度下降幅度更高。这表明在总水灰比一定的前提下，当高吸水树脂掺量为每立方混凝土1kg时，对早期强度产生不利影响，但能明显提高后期强度，当高吸水树脂掺量过高时，会明显降低混凝土3 d和90 d强度，28 d强度变化不明显。

对于W/B=0.52混凝土而言，C30SP1混凝土早期强度(3 d和7 d)明显低于C30强度，28 d和90 d强度高于C30强度，但C30SP2混凝土早期和后期强度均低于C30混凝土强度，其后期强度较C30混凝土降低较少。分析吸水树脂掺量对高、低水胶比混凝土的影响。显然，吸水树脂对低水灰比混凝土早期强度影响不大，而对后期强度，尤其是90d强度影响较大；对高水灰比混凝土早期强度影响较大，对后期强度影响不大。

2.2自然养护条件下混凝土抗压强度

自然养护条件下，混凝土在7 d、28 d和90 d抗压强度如图2所示。

图2 自然养护条件不同SAP掺量的混凝土抗压强度Fig. 2 Compressive strength of concrete of different SAP amount in natural curing condition

从图2中可以看出，在自然养护下，L50SP1、L50SP2和L50SP3混凝土7 d和28 d强度均低于L50混凝土，且随着吸水树脂含量的增加，强度降低越明显。L50SP1混凝土90 d强度明显高于L50混凝土，但L50SP2和L50SP3混凝土强度则低于L50混凝土。因此，在自然养护下，掺加高吸水树脂的混凝土随高吸水树脂掺量的增加，强度逐渐降低，当树脂掺量合理时，强度明显高于未掺加高吸水树脂的混凝土。分析高吸水树脂对高水胶比混凝土的影响，C30SP1和C30SP2混凝土7 d强度均比C30混凝土高，随着养护时间的增加，C30SP1混凝土28 d和90 d强度仍然比C30混凝土强度高，但C30SP2混凝土强度则与C30相差不大。对比图2(a)和图2(b)，自然养护条件下，高吸水树脂降低了低水灰比混凝土早期强度，后期强度增加；对高水灰比混凝土强度影响效果不明显。

2.3吸水树脂混凝土在盐渍土腐蚀下的强度演变

将标准养护下28 d的混凝土试件取出，放在室温环境下晾干24 h，然后将试件全埋入盐渍土环境中，测试其30 d、60 d和120 d抗压强度演变，结果如3所示。

图3 盐渍土中腐蚀混凝土的抗压强度演变Fig. 3 Evolution of corrosion concrete in saline soil

从图3可以看出，未掺加树脂的L50混凝土强度先提高后降低，而掺加高吸水树脂的混凝土均呈现先降低后提高的趋势。其原因在于：在盐渍土环境中存在高浓度的SO42-，SO42-与水泥水化产物发生反应生产钙矾石和石膏，填充了混凝土中的孔隙，使得混凝土更加密实，导致混凝土强度升高，随着腐蚀龄期的增加，膨胀性腐蚀产物导致混凝土开裂，强度下降。而掺加高吸水树脂的混凝土强度先降低后提高，其原因在于：吸水树脂具有吸水不吸盐的特点，且在盐渍土中的高盐分导致了吸水树脂中的水分加速向外迁移，混凝土中形成较多的空洞，从而导致初期强度下降。但随着腐蚀龄期的增加，水泥水化程度提高，SO42-与水泥水化产物发生化学反应，从而使得强度提高。W/B=0.52混凝土在盐渍土环境下强度演变规律与W/B=0.33混凝土类似。

为验证高吸水树脂是否具有吸水不吸盐的特点以及在高盐环境下水分加速向外迁移，将1g高吸水树脂预吸水2 h，然后分别放入到空气、海水、5%NaCl+5%Na2SO4溶液中，分别测试10、30、60、180、360、720以及1 440 min高吸水树脂质量变化，结果如图4所示。

图4 高吸水树脂在不同环境中的失水演变Fig. 4 Water loss evolution of SAP in different environment

从图4中可以看出，高吸水树脂失水符合Logistic函数，在海水中失水最快，3 h后就达到平衡，最后几乎完全失水；在5%NaCl+5%Na2SO4中，3 h后达到失水平衡，最后能保持30倍左右的吸水倍率，而在空气中失水最慢。这表明高吸水树脂具有吸水不吸盐的特点，而且在高盐环境下水分加速向外迁移，在海水中失水最快，最后几乎完全失水。

2.4高吸水树脂混凝土抗氯离子渗透能力

测试吸水树脂混凝土腐蚀120 d的水溶氯离子浓度，其结果如图5所示。

图5 树脂混凝土中氯离子浓度分布Fig. 5 Distribution of chloridion of SAP concrete

从图5可以看出，L50SP1混凝土氯离子浓度最低，L50次之，而L50SP2和L50SP3混凝土浓度均高于L50，且L50SP1混凝土氯离子浓度最早达到平衡。这表明，对于低水灰比混凝土，当每立方混凝土高吸水树脂掺量为1kg时，混凝土抵抗氯离子侵蚀能力最强，随着高吸水树脂掺量的增加，混凝土抵抗氯离子侵蚀能力逐渐下降。对于W/B=0.53混凝土而言，C30SP2混凝土氯离子浓度最低，且最早达到稳定，C30SP2混凝土次之，C30混凝土浓度最高。这表明，对于高水灰比混凝土，随着树脂掺量的增加，混凝土抵抗氯离子侵蚀能力逐渐增强。

应用Fick第二定律对两系列混凝土氯离子浓度进行拟合，得到混凝土表观氯离子扩散系数，如表5所示。

表5 盐渍土腐蚀环境中氯离子扩散系数Tab. 5 The diffusion coefficient of chloridion in saline soil

从表5可以看出，W/C=0.33系列混凝土中，掺加1 kg/m3吸水树脂的L50SP1混凝土氯离子扩散系数最低，是L50混凝土的40%左右。L50SP2和L50SP3混凝土氯离子扩散系数相差不大。对于W/B=0.52混凝土而言，随着高吸水树脂掺量的增加，氯离子扩散系数逐渐降低，掺加1.5 kg/m3吸水树脂的C30SP2混凝土氯离子扩散系数下降了60%左右，这与混凝土强度演变规律不一致。其原因在于：混凝土中高吸水树脂掺量增加，树脂预吸水增加，导致水泥水化比较缓慢，随着龄期的增加，水泥水化程度逐渐增高，最终C30SP2水化程度最高，混凝土更加密实，因而氯离子扩散系数最低。

3 结 语

1)在标准养护下，对低水灰比的混凝土，高吸水树脂对早期强度产生不利影响，但当高吸水树脂掺量合理时，能较大幅度提高混凝土后期强度。对于高水灰比混凝土，高吸水树脂掺量对混凝土早期强度产生较大不利影响，对后期强度影响较小。

2)在自然养护环境下，对低水灰比混凝土，高吸水树脂对混凝土7 d和28 d强度产生不利影响，但能增加混凝土90 d强度；对高水灰比混凝土，高吸水树脂能够提升混凝土早期强度，但对后期强度影响较小。

3)掺加高吸水树脂的混凝土在盐渍土环境中腐蚀，其强度先下降后增加，延迟了盐渍土中混凝土强度降低的初始时间；自由氯离子浓度和总氯离子浓度均明显低于未掺加高吸水树脂的混凝土，且氯离子扩散系数降低大约55%，提高了混凝土抗氯离子侵蚀性能。

4)综合考虑混凝土强度及抗盐渍土腐蚀，当混凝土中高吸水树脂掺量为1kg/m3时，混凝土综合性能最好。

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Compressive strength and chloride penetration of SAP concrete in saline soil environment

CHEN Peng, JIN Zuquan, LI Jianqiang, CHEN Yongfeng

(School of Civil Engineering, Qingdao University of Technology, Qingdao 266033, China)

1005-9865(2017)02-0050-06

TU528

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.02.008

2016-04-05

国家自然科学基金资助项目(51378269，51420105015)；铁道部科研计划资助项目(2014G004-F)

陈 鹏(1991-)，男，山东德州人，硕士研究生，主要从事混凝土耐久性研究。E-mail: 1026971880@qq.com

金祖权。E-mail: jinzuquan@126.com