SAP对火山灰混凝土收缩性能的改善作用

张 蕊， 周永祥， 高 超， 夏京亮

(1.中国建筑科学研究院有限公司 中国建筑技术集团有限公司， 北京 100013； 2.中国建筑科学研究院有限公司 建研科技股份有限公司， 北京 100013)

为延长铁路的使用寿命，提高混凝土的耐久性，目前比较普遍的做法是在混凝土中掺加粉煤灰、矿渣粉以及硅灰等来自工业废渣的活性矿物掺和料，例如兰新铁路[1]、京沪铁路[2]及武广铁路[3]等.东非铁路网的开端工程肯尼亚蒙—内铁路在建设过程中，由于当地缺乏粉煤灰、矿渣，研究人员将当地丰富的天然火山灰质材料作为矿物掺和料用于铁路混凝土的制备，试验证明天然火山灰混凝土除了干燥收缩性能，其余性能均表现良好，将同样掺量的粉煤灰与火山灰分别掺入混凝土中，14，90 d时火山灰混凝土的干缩率分别高于粉煤灰混凝土15.3%和11.6%[4-5].另外，铁路混凝土中由于加入了高效减水剂，水胶比较低，导致其自干燥现象严重，自收缩较大.据现场技术人员反映，蒙—内铁路在建设时某些结构部位的混凝土经常产生早期裂缝.因此，亟需探索火山灰混凝土收缩性能的改善措施.

混凝土自收缩与干燥收缩产生的机理相类似，均由混凝土内部相对湿度降低造成.将能够吸收自身质量几十倍甚至上千倍水溶液的超强吸水树脂(SAP)均匀掺入混凝土中，可起到内部蓄水池的作用.SAP内的水分在早期水化阶段不参与水泥水化反应，当混凝土中自由水分含量降至一定程度时，SAP内部存储的水分逐渐被释放，用于弥补混凝土内部相对湿度的降低，从而降低混凝土的收缩.迄今为止，众多学者已就SAP对混凝土收缩性能的改善作用进行了研究论证.朱长华等[6]研究了SAP对大风干旱地区以粉煤灰、矿渣粉作为矿物掺和料的混凝土抗裂性影响，结果表明SAP内养护混凝土的早期收缩可降低至基准组的50%，且在混凝土塑性阶段以及硬化阶段(14 d)均未发现裂缝.孔祥明等[7]研究了预吸水SAP对水胶比为0.29(质量比，文中涉及的水胶比、细度、烧失量等均为质量比或质量分数)的纯水泥混凝土自收缩的抑制作用，研究表明内养护水胶比为0.05的混凝土14d龄期时的自收缩降为20μm/m以下，减缩率达90%以上；内养护水胶比为0.10的混凝土14d内基本没有自收缩，减缩率达100%.阎培渝等[8]研究证明，SAP可以有效降低以粉煤灰、硅灰为矿物掺和料的C70高强自密实混凝土的自收缩，内养护水胶比为0.02，0.04和0.06的混凝土自收缩分别较基准组降低了54.8%，37.1%和26.6%，且延迟了自收缩开始发展的时间.文献[9-10]也证明了SAP内养护对粉煤灰混凝土收缩性能的改善效果.由此可知，目前SAP内养护的作用对象均为以粉煤灰、矿渣粉等作为矿物掺和料配制而成的混凝土，其对火山灰混凝土收缩性能的改善效果未知.

鉴于此，本研究针对实际工程需要，研究了SAP对C40和C60火山灰混凝土早期自收缩、长期干燥收缩，以及水分损失率的影响规律，探讨了SAP内养护技术对火山灰混凝土收缩性能的改善机理.

1 试验

1.1 原材料

水泥为北京金隅产P·O 42.5普通硅酸盐水泥；火山灰为肯尼亚天然火山渣磨细后的粉体，细度11.3%，流动度比91%，烧失量0.21%，7 d活性指数68%，28 d活性指数69%，其化学组成如表1所示；细骨料为细度模数为2.6的天然河砂，含泥量2.4%，含石量20%；粗骨料为5～20mm连续级配的石灰岩碎石，含泥量0.4%，压碎值5.7%；减水剂为山西佳维产聚羧酸减水剂，减水率38%，含固量40%；SAP，粒径为104～150 μm(100～140目)，在(15±2)℃纯水中的饱和吸水率为其自身质量的140倍.

表1 天然火山灰化学组成

1.2 混凝土配合比

混凝土的配合比设计如表2所示.其中水胶比为0.41，0.31的C40-0和C60-0为基准混凝土，SAP掺量以SPA质量占胶凝材料质量的百分比计.通过调整减水剂的用量，基准混凝土组的初始坍落度控制在200～220mm.

根据已有研究可知，在混凝土直接掺入SAP会迅速吸收其中原有的拌和水，严重影响混凝土的工作性.为保证SAP内养护火山灰混凝土的工作性与基准混凝土的工作性水平一致，需先确定SAP在混凝土中的吸水倍率.试验表明，当SAP在火山灰混凝土中的吸水倍率为30倍时，其对火山灰混凝土的工作性影响不大.SAP内养护火山灰混凝土采用的拌和工艺为：首先将SAP，骨料和胶凝材料干拌2min，然后倒入基础拌和水搅拌2min，最后倒入额外水与减水剂的混合液搅拌2min.这里需要说明的是，加入基础拌和水2min后再将额外水与减水剂混合后加入的拌和工艺有2个优点：(1)SAP吸收基础拌和水后已基本达到饱和状态，避免了其吸收减水剂的可能性；(2)额外水将减水剂进行一定程度的稀释，可促进减水剂在混凝土中的分散.因此采用该拌和工艺制备的混凝土，其工作性较传统拌和工艺下的好.

文中的3种水胶比概念定义如下：有效水胶比(mW/mB)E是指混凝土拌和水量与胶凝材料质量的比值；内养护水胶比(mW/mB)I是指SAP额外引入的内养护水量与胶凝材料质量的比值；总水胶比(mW/mB)T是指混凝土拌和水和SAP额外引入内养护水的总量与胶凝材料质量的比值.本文通过SAP额外引入内养护水，根据Power模型[11]计算出C40和C60火山灰混凝土所需的理论内养护水胶比分别为0.01和0.06.根据前期力学试验结果——当C40火山灰混凝土的内养护水胶比为0.01，0.02和0.03，C60火山灰混凝土的内养护水胶比为0.02，0.04和0.06时，两者抗压强度的降低幅度均在20%以内.因此选用该设计内养护水胶比进行试验.

表2 混凝土配合比

1.3 试验方法

(1)自收缩试验 按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的非接触法进行.另外，试模上表面采用塑料薄膜密封处理.

(2)干燥收缩试验 干燥收缩表征处于干燥环境中混凝土因水分蒸发产生的收缩值.按照GB/T50082—2009中的接触法进行.

(3)水分损失试验 水分损失率表征干燥环境下火山灰混凝土中水分散失的多少.内养护火山灰混凝土的水分损失率可反映干燥环境下内养护水的养护效果.试模内浇筑混凝土后首先用塑料薄膜密封成型面，防止从上表面蒸发失水；然后带模养护1d 后拆模，并将试件表面清除干净，以防止表面有松散混凝土块；最后将试件置于恒温恒湿室((20±2)℃左右，相对湿度为(60±5)%)，称量各试件的初始质量mC0，且将拆模时间记为初始龄期0d，接着称量各试件在1，3，6，10，17，28 d龄期时的质量mCt.火山灰混凝土水分损失率RW计算公式如下：

(1)

2 结果与分析

2.1 SAP对火山灰混凝土自收缩的影响

图1为火山灰混凝土的自收缩曲线.

图1 火山灰混凝土的自收缩曲线Fig.1 Autogenous shrinkage curves of pozzolanic concretes

由图1(b)可以看出：(1)基准混凝土C60-0的自收缩呈现2个阶段，即快速收缩阶段(AB段)和缓慢收缩阶段(CD段).这是因为C60的水胶比较低，混凝土中可用于水化的水分较少，自干燥现象比较严重，产生的自收缩大，水化热产生的温度膨胀变形以及AFt晶体的膨胀不足以补偿自干燥产生的自收缩，所以在72 h内其自收缩始终处于不断增加的状态.(2)C60火山灰混凝土在SAP内养护下出现了短暂膨胀阶段(BC段)，C60-S2，C60-S4和C60-S6的快速收缩阶段时间均为0～8h，短暂膨胀阶段的时间分别为8～17h，8～17h和8～18h，由此看出SAP内养护略微延长了混凝土的膨胀持续时间；3组SAP内养护C60火山灰混凝土膨胀阶段的膨胀值分别为25，33，65μm/m，这说明随着SAP掺量的增加，C60火山灰混凝土膨胀值越来越大.

图1表明：SAP内养护降低了C40和C60火山灰混凝土各龄期的自收缩值，尤其降低了快速收缩阶段的自收缩值，降低幅度随SAP掺量的增加而增大；C40-S3各龄期的自收缩值均在0 μm/m左右，甚至在龄期为6～46h时，自收缩值为负值，在此时间段混凝土试件宏观表现为膨胀状态；C60-S6的收缩值在20h左右时也出现了负值，即出现膨胀现象，不过持续时间较短，很快被自收缩补偿.SAP内养护能够降低混凝土自收缩的原因如下：一方面，随着胶凝材料的水化，混凝土内部出现自干燥现象，SAP在内部相对湿度梯度作用下释放水分，延缓了混凝土自干燥的产生；另一方面，SAP引入内养护水后均匀分布在混凝土中，内养护水增大了混凝土单位用水量，C40-S1，C40-S2和C40-S3中额外增加的内养护水量分别为3.93，7.86，11.79kg/m3，C60-S2，C60-S4和C60-S6中额外增加的内养护水量分别为10.4，20.8，31.2kg/m3.已知混凝土的热膨胀主要由水泥石和骨料的热膨胀组成，常温下硬化水泥浆体28 d的热膨胀系数在15×10-6～25×10-6℃-1，水泥石中除了凝胶颗粒外还含有大量的水，水分在混凝土组成材料中的膨胀能力最大，热膨胀系数约为210×10-6℃-1，比水泥石的热膨胀系数高1个数量级，所以额外水的引入大大增加了混凝土的热膨胀系数，危鼎等[12]的研究也证明了这一观点，热膨胀系数的增大加剧了热膨胀变形，对自收缩的补偿作用更加显著.自收缩的降低以及热变形的增大使混凝土提前进入了短暂膨胀阶段，并且增大了此阶段的膨胀值.另外，根据逄鲁峰等[13]的观察，SAP引入的内养护水大大增加了此阶段钙矾石的生成量，从而也增加了此阶段的膨胀值.C点后，混凝土开始降温，温度收缩以及胶凝材料水化产生的自收缩使混凝土再次宏观表现为收缩增加，不过增加速度很缓慢.此阶段产生的自收缩值较小，SAP中养护水的减缩作用体现得不明显，又因此时两种混凝土的热膨胀系数都达到了稳定阶段，热膨胀系数相差不大，产生的温度收缩差别也很小，所以CD段内养护混凝土与基准混凝土的自收缩曲线都非常平缓，增加的自收缩值基本相同.

图2为SAP内养护对C40和C60火山灰混凝土72h龄期自收缩减缩率的拟合曲线.由图2可见：SAP内养护对火山灰混凝土的自收缩变形有显著的改善作用，SAP内养护对混凝土自收缩的降低幅度基本与火山灰混凝土内养护水胶比成正比；对于C40火山灰混凝土，内养护水胶比为0.03时，其72h的自收缩已经降低为14μm/m，减缩率达到了95%；对于C60火山灰混凝土，内养护水胶比为0.06时，火山灰混凝土的自收缩为45μm/m，减缩率也达到90%以上；当内养护水胶比为0.02时，C40和C60火山灰混凝土的自收缩减缩率分别为64.4%和38.0%，由此说明SAP内养护技术对不同强度等级火山灰混凝土的减缩效果不同.强度等级越高的混凝土，其收缩变形越大，更需要通过内养护来减小收缩，且不同强度等级混凝土达到相同减缩率时，强度等级越高的混凝土所需的内养护水胶比越大.

图2 火山灰混凝土自收缩减缩率与内养护水胶比关系Fig.2 Relationship between autogenous shrinkage reducing ratio of pozzolanic concrete and internal curing water-binder ratio

2.2 SAP对火山灰混凝土干燥收缩的影响

图3为火山灰混凝土的干燥收缩曲线.由图3看出：基准混凝土C40-0和C60-0的干燥收缩前期发展较快，随着龄期的延长增长速度变缓；SAP内养护混凝土的干燥收缩曲线发展规律与基准组类似；在相同的干燥环境中，SAP内养护混凝土的干燥收缩值均大于基准组，28 d龄期时C40-0的干燥收缩值为163.83μm/m，C40-S1，C40-S2和C40-S3的干燥收缩值分别为186.17，187.23，198.30μm/m，较基准组分别增加了13.6%，14.3%和21.0%；C60-0的干燥收缩值为146.04μm/m，C60-S2，C60-S4和C60-S6的干燥收缩值分别为153.50，165.36，175.77μm/m，较基准组分别增加了5.1%，13.2%和20.4%.由此看出，SAP引入的内养护水越多，火山灰混凝土干燥收缩增加幅度越大.不过相对于火山灰混凝土自收缩的降低幅度，SAP内养护对其干燥收缩的增加值可以忽略.

图3 火山灰混凝土的干燥收缩曲线Fig.3 Drying shrinkage curves of pozzolanic concretes

2.3 SAP对火山灰混凝土水分损失率的影响

图4为火山灰混凝土的水分损失率随龄期的变化曲线.

由图4可见:(1)C40和C60火山灰混凝土的水分损失率均随龄期的延长逐渐增大并趋于稳定，而且SAP内养护混凝土的水分损失率随时间的变化曲线与基准组类似，但是水分损失率大小有所差异，主要差异出现在3d龄期之后.0～3d时，所有混凝土的水分损失率基本相同；3d之后，SAP内养护混凝土的水分损失率开始大于基准组.(2)对于给定龄期，SAP引入的内养护水越多，水分损失率越大，即散失的水越多.由此可见，在干燥环境下，引入的内养护水并非都能起到了内养护效果，表层的水分蒸发仍旧不可避免，而且因内养护水的引入，蒸发损失的水分更多.

图4 火山灰混凝土的水分损失率Fig.4 Water loss rate of pozzolanic concretes

由图3，4可以看出，混凝土试件的水分损失率随龄期的发展规律与干燥收缩随龄期的发展趋势类似，且干燥收缩测量前混凝土已经损失了部分水分.将混凝土试件各龄期的水分损失率对干燥收缩数据进行拟合，结果如图5所示.

图5 火山灰混凝土的水分损失率与干燥收缩的关系曲线Fig.5 Relationship between water loss rate and drying shrinkage of pozzolanic concretes

由图5可见，火山灰混凝土的水分损失率与干燥收缩的关系拟合曲线与水分损失率轴线存在1个交点，即干燥收缩开始产生的起点，由此说明并非一产生水分损失就立即产生干燥收缩，只有当水分损失率达到某一临界值时才开始产生收缩.临界值之前损失的水分为大孔中自由水，并没有引起收缩；临界值之后，毛细孔中的水分才开始蒸发失去，产生毛细孔负压，从而引起干燥收缩.由图5还可见，SPA内养护混凝土的临界水分损失率大于基准混凝土，对于C40火山灰混凝土，C40-0的临界水分损失率为0.19%，C40-S1，C40-S2和C40-S3的临界水分损失率接近，约为0.28%；对于C60火山灰混凝土，C60-0的临界水分损失率为0.20%，C60-S2，C60-S4和C60-S6的临界水分损失率分别为0.25%，0.31%和0.34%.内养护混凝土额外产生的损失水分应该来自SAP中自由水，并未产生干燥收缩.

3 结论

(1)SAP内养护技术显著降低了C40和C60火山灰混凝土的自收缩，减小了火山灰混凝土的早期开裂风险.SAP内养护对火山灰混凝土自收缩的减缩率与内养护水胶比呈正比，并且可以根据自收缩减缩率与内养护水胶比的拟合曲线，由内养护水胶比预测火山灰混凝土早期自收缩减缩率.SAP内养护对于不同强度等级火山灰混凝土的减缩效果不同，当达到相同减缩率时，强度等级越高的混凝土所需的内养护水胶比越大.

(2)SAP内养护技术增大了火山灰混凝土的干燥收缩和水分损失率，且增大幅度随着内养护引入水量的增加而增大，这主要与内养护引入了更多的可蒸发水有关.SAP内养护对干燥收缩的增加幅度较小，相对于自收缩的降低幅度基本可以忽略不计.根据干燥环境中火山灰混凝土的水分损失率与干燥收缩的拟合关系得出了火山灰混凝土产生干燥收缩时的临界水分损失率.