SAP内养生路面混凝土收缩性能及力学性能研究

劳家荣，黄忠财，郭寅川，陈 琳，申爱琴，杨景玉

(1.广西桂龙高速公路有限公司，南宁 530011;2.长安大学，教育部特殊地区公路工程重点实验室，西安 710064;3.广西崇瑞高速公路有限公司，南宁 530011)

0 引 言

近年来,随着我国交通强国战略的实施,对道路基础设施的建设力度逐年加大，水泥混凝土路面得到大规模应用，然而建设初期由于混凝土内部水泥水化及水分蒸发耗水可诱发早期收缩，导致混凝土极易早期开裂，严重影响水泥混凝土路面的使用寿命及服役性能。超吸水性树脂(Super-Absorbent Polymers，简称 SAP)含有强吸水性基团，具有独特的吸水-储水-释水特性，能够通过水合作用吸收水分，并具有稳定的保水能力，在离子浓度、温度变化时释放所储水分，补充外界所需水分。将其应用于水泥混凝土中，当混凝土内部水分不足时能够及时释水，补充因水化及蒸发所导致的水分丧失，增强内部相对湿度，进行二次水化，降低混凝土收缩性以及混凝土开裂风险。

目前国内外学者针对SAP在混凝土中的吸释水性能及其对混凝土的性能影响效果展开了一定的研究。研究发现SAP由于自身独特的低交联度三维空间网络结构[1]，能够吸收自身重量几十倍甚至上千倍的水[2-3]，并可通过溶胀作用将自由水固定在聚合物网络内部，具有较强的保水性[4-5]。饱水SAP掺入混凝土后可在混凝土内部浆体湿度下降、孔溶液离子浓度或pH值增加时及时释水，补偿混凝土内部水分的缺失使毛细自由水形成的弯液面曲率不至过快增大[6-8]。逄鲁峰[9]研究认为，SAP掺入砂浆后，由于SAP的蓄水保水作用，能有效地提高水化后期砂浆内部湿度，致使毛细管壁压力明显减小，砂浆的收缩也显著降低。且适当的SAP掺量及额外引水量能够能显著提高混凝土的强度，最大提高幅度可达15%。Dudziak等[10]通过分析不同SAP掺量及额外引用水对混凝土的影响，表明SAP可以降低混凝土的自收缩，且随着SAP和额外引用水的增加，降低效果越明显。孔祥明等[11]分析SAP内养生混凝土干燥养护条件下的自收缩情况，结果表明，在干燥养护条件下掺入SAP的混凝土自收缩明显降低，且SAP掺量的高低对自收缩的影响程度存在差异。钟佩华[12]研究认为SAP能抑制水泥混凝土的自收缩，随着SAP掺量的增加，其自收缩逐渐降低。将混凝土中SAP的掺量从0.3%(质量分数，下同)增加至0.4%时，其自收缩降低15.7%。Lyu等[13]研究发现，掺入水泥浆后，C40路面混凝土的湿度饱和期延长；在28 d内，增加的内养生水分可以显著减轻C40路面混凝土的总收缩应变。陈德鹏等[14]也得到了SAP可以抑制混凝土开裂，降低混凝土收缩性的结论。

本文在以往研究成果的基础上，结合公路水泥混凝土路面的结构特性，采用SAP内养生材料，通过对混凝土力学性能、收缩变形及内部相对湿度进行研究，并通过SEM对SAP内养生混凝土内部微观形貌、裂缝特征进行分析，揭示SAP内养生材料对路面水泥混凝土的作用机理及影响规律，为SAP内养生混凝土的应用建设提供理论及技术依据。

1 实 验

1.1 原材料

(1)水泥：采用“海螺牌”P·O 42.5普通硅酸盐水泥。

(2)矿物掺合料：I级粉煤灰。

(3)粗细骨料：粗骨料为花岗岩碎石，最大粒径为19 mm，主要包括4.75～9.5 mm与9.5～19 mm两部分。细骨料为河砂，中砂，细度模数为2.71，含泥量为0.6%，表观密度为2.625 g/cm3。

(4)减水剂：采用JB-ZSC型聚羧酸高性能减水剂，减水率为26%，含气量为3.1%，推荐使用掺量为胶凝材料质量分数的0.8%～1.2%。

(5)水：自来水，氯离子含量为10 mg/L，pH=7.5。

(6)SAP：采用粒径为20～40目(830～380 μm)、40～80目(380～180 μm)、100～120目(150～120 μm)的SAP，其主要化学成分及在水胶比W/B=0.37(B为胶凝材料的质量)的水泥浆液中吸水泥浆倍率见表1。

原材料各项性能指标均符合技术规范要求。

表1 SAP 的技术标准

1.2 配合比设计

为研究不同SAP掺量、参数对高强混凝土收缩性能、湿度补偿作用和抗弯拉强度的影响，本文以前期试验确定的C30内养生路面混凝土和C30普通路面混凝土为例，对其进行深入研究。具体设计的内养生路面混凝土配合比如表2所示。

表2 内养生路面混凝土配合比设计

1.3 测试方法

1.3.1 收缩变形测试方法

收缩应变采用深圳莫尼特公司生产的MIC-YWC-5型位移计配套MIC-DCV-4型电压数据采集器进行测试，试件为100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体，如图1所示。数据监控持续时间为28 d，采集间隔试时间为1 h。由于该测试系统测试出的位移数据均以电压U的形式输出，故需根据厂家提供的相应转换公式及各通道灵敏度值A，将U转化为位移值(微应变，Nμε)再进行分析，转换公式如式(1)所示。

Nμε=(Ut-U0)/1 000/A/400×106

(1)

式中：Ut为th后的电压，mV;U0为初始电压，mV。考虑SAP主要在7 d龄期内对水泥混凝土起到减少收缩、微裂纹抑制作用，因此试件在标准养生室中养生24 h后，对其进行脱模，取出后立即对其收缩性能进行测试。

图1 水泥混凝土收缩变形测试

图2 混凝土相对湿度测试

1.3.2 相对湿度测试方法

湿度测试采用深圳莫尼特公司生产的MIC-TD-TM型温湿度一体化传感器，持续监控水泥混凝土内部毛细孔湿度的变化情况，其配套的MIC-DVD-4型数字数据采集器具有自动记数及远程操控等功能。试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，数据监控持续时间为28 d，数据采集间隔试时间为1 h，传感器在水泥混泥土浇注入模后便垂直嵌入试件内部中心处，并用橡皮泥将试件表面处密封，如图2所示。试件在标准养生室中养生24 h，脱模后即开始测试。

1.3.3 抗弯拉强度测试方法

混凝土抗弯拉强度测试方法依据GB/T 50081—2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行混凝土抗弯拉数据测定，试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm。

1.3.4 SEM测试方法

采用JEOL JSM-6390A扫描电子显微镜(SEM)对28 d龄期的J组和S4组混凝土的微观形貌进行观测，研究其密实程度、微裂缝特征。扫描电镜的图像分辨率为 3.5 nm，灵敏度A值达 0.1，放大倍率为20～8 000 000倍。

试样制备过程如下：将养护28 d的两组试件切片，剪裁成大小为1 cm3左右的立方体试样，每个试件制取两个试样；使用200～2 000目(75～6.5 μm)的砂纸对其进行打磨抛光，用无水乙醇浸泡终止水化后放入60 ℃的烘箱中烘至恒重；采用离子喷溅仪对试样进行喷金处理，用导电胶将试样固定在支架上，在不同的放大倍数下，采用扫描电子显微镜对其进行测试。试样喷金及测试现场如图3所示。

图3 试样喷金及观测

2 结果与讨论

2.1 SAP参数对混凝土收缩性能的影响

图4为混凝土收缩变形随龄期的变化。由图4可知：

(1)与基准组相比，内养生组混凝土的28 d收缩应变值均低于基准组。说明SAP的加入对混凝土的收缩性能有明显改善作用。说明SAP可以起到良好的补偿干缩作用，混凝土内部相对湿度下降时，及时补充水分，减轻毛细孔壁间的范德华力作用，从而抑制混凝土的干燥收缩变形，控制收缩变形总量。

(2)通过对比S1、S2和S4组，发现SAP目数对混凝土收缩性能的影响较小，三组试件的收缩值较为接近。其中，100～120目SAP对混凝土的收缩性能改善效果最好，其次是20～40目SAP，40～80目SAP的改善效果最差。这可能是因为SAP目数越大，同掺量情况下，掺入的SAP越多，吸收的内养生水分越多，对混凝土的内养生效果更好。

(3)通过对比S3、S4和S5组，发现SAP掺量对混凝土收缩性能的影响较大，且随着掺量的增加，混凝土的抗收缩性能逐渐增强。说明SAP的掺量越大，SAP吸收的内养生水分越多，水泥水化越充分，混凝土的内养生效果越好，抗收缩性能越好。

图4 混凝土收缩变形随龄期的变化

图5 混凝土内部相对湿度随龄期的变化

2.2 SAP参数对混凝土内部相对湿度的影响

图5为混凝土内部相对湿度随龄期的变化。分析图5可知：

(1)与基准组相比，SAP对混凝土内部相对湿度的提升效果较为明显，显著延长混凝土的湿度饱和期，28 d内的相对湿度可保持在90%以上。但出现S2组(掺40～80目)的湿度补偿效果低于基准组的现象，其前期(8 d前)、后期(22 d后)对应混凝土内部相对湿度的提升效果优于基准组。这可能是因为：40～80目SAP早期释水较快，内养生作用较强，水泥水化作用消耗了大部分水分；随着水化作用的快速进行，因为得不到内养生水分的及时补充，出现混凝土内部相对湿度低于基准组的现象；后期随着混凝土内水分的消耗，基准组内部的水分基本消耗完，但内养生组内SAP残留的内养生水分再次释放，混凝土内部的湿度得到补偿。

(2)通过对比S1、S2和S4组，SAP目数对混凝土内部湿度的影响较大。其中，100～120目SAP对混凝土的湿度补偿效果最好，其次是20～40目SAP，40～80目SAP的效果最差。这可能是因为SAP目数越大，同掺量情况下，掺入的SAP颗粒越多，吸收的内养生水分越多，均匀分布在混凝土内部的SAP对其内养生作用效果越好、越均匀。

(3)通过对比S3、S4和S5组，发现SAP掺量对混凝土内部湿度的影响较大，且随着掺量的增加，混凝土的湿度补偿效果越好。说明，SAP的掺量越大，SAP吸收的内养生水分越多，水泥水化越充分，混凝土的内养生效果越好，湿度补偿效果越好。

2.3 SAP参数对混凝土抗弯拉强度的影响

虽然SAP可以提升混凝土的收缩性能，改善其湿度补偿效果，但SAP释水后残留的孔隙对混凝土的强度造成一定的影响。因此，本文在6组混凝土试件的抗压强度满足规范规定的基础上，探讨SAP对其抗弯拉强度的影响，试验结果如表3所示。由表3可知：

(1)通过对比J、S1、S2和S4组，发现SAP目数对混凝土抗弯拉强度的影响较大，且随着SAP目数的增加，混凝土的抗弯拉强度呈先降低后升高的趋势。其中，100～120目SAP对混凝土的抗弯拉强度的提升效果最好，且优于基准组；其次是20～40目SAP，40～80目SAP的效果最差。这可能是因为当SAP目数较小时，其吸水后会导致体积膨胀，且会较早释放完所储水分，内养生效果较差，水化填充作用减弱，混凝土内部残留的大孔较多，使其强度降低。

(2)通过对比J、S3、S4和S5组，发现SAP的加入均使得混凝土抗弯拉强度得到提升，且随着掺量的增加，混凝土的抗弯拉强度呈先升高后降低的趋势。这可能是因为，随着SAP掺量的增加，吸收的内养生水分越多，水泥水化越充分，混凝土密实度越高，其抗弯拉强度也得到提升；但当SAP掺量超过一定值时，虽然其吸收的内养生水分较多，但其释水后残留在混凝土内部的孔隙也增多，使得混凝土的抗弯拉强度降低。

表3 混凝土各龄期抗弯拉强度

2.4 SAP对混凝土微观形貌的影响

利用 SEM 测试观察J组和S4组28 d龄期混凝土的微观形貌，并比较两组试样内部浆体密实度和裂缝特征的差别，进而揭示SAP对其性能的提升机理。J组和S4组混凝土内部的浆体密实程度、裂缝特征SEM照片如图6所示。分析图6可知：

(2)J组和S4组混凝土内部均存在一定数量的裂缝，但SAP内养生材料的掺入显著降低了混凝土内部微裂缝的长度和宽度。这是由于随着混凝土内部湿度的下降、离子浓度和pH值的增加，SAP吸收的内养生水分可以及时得到释放，起到很好的湿度补偿作用，使水泥持续进行水化，降低因水分散失严重而产生微裂缝的风险，从而提高了混凝土的阻裂性能。

图6 混凝土28 d龄期的微观形貌

3 结 论

(1)SAP的掺入可通过增加的内养生水分，可大幅降低混凝土的收缩应变，改善混凝土的收缩性能，同时SAP目数越大、掺量越大，其对混凝土收缩抑制效果越明显。

(2)SAP吸释水作用，可及时对混凝土进行水分补偿，有效延长其湿度饱和期，使得其28 d内的相对湿度可保持在90%以上，SAP目数及掺量均对混凝土内部相对湿度有较大影响，SAP目数越大、掺量越大，其释水效果越稳定，且在混凝土内部分散越均匀，养生范围越广，从而对混凝土的湿度补偿效果越好。

(3)SAP目数及掺量均对混凝土抗弯拉强度的影响较大，其中100～120目SAP对混凝土抗弯拉强度的提升作用最好，目数较大的SAP湿度补偿内养生效果较好，水化填充作用较强，混凝土内部残留的孔隙较少，从而可以在一定程度上提升混凝土力学强度，另外SAP存在最佳掺量范围，随着SAP掺量的增加，混凝土的抗弯拉强度呈先升高后降低的趋势。

(4)SAP的掺入可以提高水泥水化程度，生成更多的水化产物，改善混凝土内部结构，提升其密实性，并降低混凝土内部微裂纹长度及宽度，从而在一定程度上提高混凝土的内部相对湿度，进而提升混凝土的力学强度，并减少其收缩变形。