朱長(zhǎng)華，李享濤，王保江，謝永江

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

內(nèi)養(yǎng)護(hù)是混凝土自澆注成型后實(shí)現(xiàn)無(wú)間歇養(yǎng)護(hù)的新技術(shù)，是自20世紀(jì)引氣技術(shù)以來(lái)最重要的混凝土耐久性提升技術(shù)之一.Philleo于1991年最先提出混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)的概念[1].目前國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者對(duì)混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)進(jìn)行了研究，如內(nèi)養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土力學(xué)性能、內(nèi)部濕度、收縮和微結(jié)構(gòu)特征等的影響[2－4]，并取得了一定的成果.現(xiàn)以高吸水聚合物（supper ab－sorbent polymer，SAP）為內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑，通過(guò)研究不同種類、粒徑的SAP吸水特性及其對(duì)混凝土拌和物性能的影響，比選出適用于混凝土的內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)非接觸式收縮法、圓環(huán)限制開(kāi)裂法和水化熱、XRD等手段研究摻SAP混凝土的早期變形、抗裂性和水化程度，并分析SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)的作用機(jī)理.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥（C）為北京金隅P·O 42.5水泥（C1）和基準(zhǔn)水泥（C2），比表面積分別為342，331m2／kg；粉煤灰（FA）為赤峰元寶山Ⅰ級(jí)粉煤灰，0.08μm篩篩余量為11.4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）；細(xì)骨料（S）為河砂，細(xì)度模數(shù)為2.8，含泥量為1.9%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），表觀密度為2 610kg／m3；粗骨料（G）為5～10，10～20mm兩級(jí)配碎石，壓碎值為5.4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），含泥量為0.3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），表觀密度為2.78g／cm3，緊密空隙率為40%；減水劑（PCA）為河北金舵聚羧酸高性能減水劑；內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑（SAP）為某公司生產(chǎn)的丙烯酸系SAP－A，丙烯酸－丙烯酰胺共聚系SAP－B和淀粉接枝改性系SAP－C，其中SAP－B的平均粒徑有250μm（SAP－B1），180 μm（SAP－B2）和120μm（SAP－B3）三種.

1.2 配合比

依據(jù)內(nèi)養(yǎng)護(hù)所需引入水的理論計(jì)算公式[5]和SAP自身吸液特性，經(jīng)前期大量試配試驗(yàn)，以不明顯影響混凝土拌和物性能和降低混凝土強(qiáng)度為原則，設(shè)計(jì)了如表1所示的C40高性能混凝土配合比；以低水灰比的P·Ⅰ水泥凈漿為研究對(duì)象，采用水化熱、XRD等手段表征摻SAP水泥漿體的水化程度，水泥漿體的配合比如表2所示.

表1 混凝土配合比Table1 Mix proportions of concrete

1.3 試驗(yàn)方法

采用尼龍袋法[6]測(cè)試SAP在飽和Ca（OH）2溶液中的吸水倍率.混凝土拌和物性能按GB 50080—2002《普通混凝土拌和物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試；混凝土的早期變形、塑性開(kāi)裂按GB 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試；混凝土（砂漿）硬化后抗裂性按ASTMC1581—04《水泥砂漿或混凝土圓環(huán)限制收縮開(kāi)裂試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試.

表2 水泥凈漿配合比Table2 Mix proportions of cement pastes

2 結(jié)果與討論

2.1 SAP吸水特征及其優(yōu)選

SAP的吸水倍率、吸水速率是表征其性能的重要指標(biāo)，其在不同介質(zhì)中因離子強(qiáng)度、離子種類不同而差異較大.不同種類SAP在飽和Ca（OH）2溶液中的吸水倍率隨浸入時(shí)間的變化如圖1所示.

圖1 不同種類SAP在飽和Ca（OH）2溶液中的吸水倍率Fig.1 Water absorption of different types of SAPs in saturated calcium hydroxide solution

由圖1可以看出，SAP－A，SAP－B浸入飽和 Ca（OH）2溶液15s左右已達(dá)到溶脹平衡，隨后SAP－A的吸水倍率迅速減小，宏觀表現(xiàn)為體積劇烈萎縮、失去凝膠特性.可見(jiàn)，SAP－A因自身特性而與堿性環(huán)境不相容，不適宜用于配制內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土.SAP－B達(dá)到溶脹平衡后其吸水倍率略有降低，這也與其結(jié)構(gòu)中含有少量羧基有關(guān)，但總體上對(duì)吸水后溶膠的狀態(tài)影響很小.SAP－C的吸水倍率相對(duì)最高，需較長(zhǎng)時(shí)間才達(dá)到溶脹平衡.

摻SAP－B或SAP－C混凝土的拌和物性能見(jiàn)表3.由表3可見(jiàn)，SAP－C因在堿性環(huán)境下的吸水倍率高，所配制的混凝土無(wú)初始工作性，即使大幅度增加減水劑摻量和引入水以獲得與基準(zhǔn)混凝土相近的初始工作性，但30min后其坍落度仍為0，這說(shuō)明SAPC的吸水平衡時(shí)間較長(zhǎng)，在混凝土出機(jī)后仍繼續(xù)吸收自由水，使其坍落度損失顯著加快.當(dāng)吸蓄相同量的引入水時(shí)，可降低SAP－C摻量，避免其過(guò)分影響混凝土的工作性.Bentz等[7]通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬認(rèn)為在不考慮毛細(xì)孔隙滲透時(shí)，硬化水泥漿體中水分向周圍擴(kuò)散的有效距離為100～200μm.顯然，若SAP摻量太小，會(huì)導(dǎo)致引入水過(guò)于局部集中，不利于混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù).SAP－B由于達(dá)到溶脹平衡后其吸水倍率變化較小，摻入混凝土后，只要在摻量提高的同時(shí)增加引入水量，就不會(huì)對(duì)混凝土的初始坍落度和0.5h坍落度產(chǎn)生明顯影響.綜上可知，SAP－B具有與堿性環(huán)境相容性好、吸水速率快和吸水倍率適宜的特點(diǎn)，適用于配制內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土.

表3 混凝土拌和物性能Table3 Mixture properties of fresh concrete

2.2 力學(xué)性能

未摻和摻SAP混凝土的抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表4.從表4可以看出，混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著SAP摻量的增加而降低，這主要是摻加SAP后，為保證坍落度相近，引入了額外水所致.

表4 混凝土力學(xué)性能Table4 Mechanical property of concrete

2.3 早期變形與抗裂性能

2.3.1 早期變形

采用非接觸式收縮儀進(jìn)行了混凝土早期變形試驗(yàn)（見(jiàn)圖2），不同粒徑的SAP－B對(duì)混凝土早期變形的影響如圖3所示.從圖3可以看出，混凝土早期變形可分為3個(gè)階段：塑性沉降階段（Ⅰ，0～1h）、塑性收縮階段（Ⅱ，1～9h）和硬化收縮階段（Ⅲ，＞9h）.在Ⅰ，Ⅲ階段，SAP－B對(duì)混凝土變形的影響較小，在Ⅱ階段，SAP－B可顯著減小混凝土的塑性收縮，而且隨著其粒徑的增大，改善效果也越來(lái)越大，最大可降低至基準(zhǔn)混凝土的50%左右.SAP減小混凝土的塑性收縮是由于其吸蓄的水能夠持續(xù)補(bǔ)償表面因蒸發(fā)、水化反應(yīng)所消耗的水分，減小毛細(xì)孔溶液負(fù)壓.由圖3還可見(jiàn)，在早齡期，SAP的粒徑越大，其減小塑性收縮的效果就越顯著.在混凝土硬化過(guò)程中，SAP會(huì)持續(xù)緩釋水分，逐步萎縮并最終形成“空穴”[8]，若其顆粒較大，則對(duì)混凝土強(qiáng)度和耐久性不利，因此，SAP粒徑應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇.

2.3.2 抗裂性能

采用2種試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)研究了內(nèi)養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土塑性開(kāi)裂性能的影響，結(jié)果如表5所示.從表5可以看出，內(nèi)養(yǎng)護(hù)能顯著降低混凝土的塑性開(kāi)裂程度，且按照GB 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》的試驗(yàn)值比按照CCES 01：2004《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》的試驗(yàn)值大，這可能是由于前者采用7條平行裂縫誘導(dǎo)器，更容易使混凝土產(chǎn)生塑性裂縫.

表5 混凝土的塑性開(kāi)裂性能Table5 Plastic cracking resistance of fresh concrete

采用圓環(huán)法研究了內(nèi)養(yǎng)護(hù)對(duì)硬化混凝土開(kāi)裂性能的影響.由于采用圓環(huán)法試驗(yàn)時(shí)混凝土試件出現(xiàn)裂縫的時(shí)間較為漫長(zhǎng)，而且離散性和不確定性較大，為了加速出現(xiàn)裂縫，縮短試驗(yàn)周期，將表1中粗骨料除去，適當(dāng)調(diào)整減水劑摻量，以配制狀態(tài)良好的砂漿替代混凝土.SAP－B摻量對(duì)硬化砂漿抗裂性的影響見(jiàn)圖4.

圖4 SAP－B摻量對(duì)硬化砂漿抗裂性的影響Fig.4 Effect of SAP－B dosages on cracking resistance of mortar

從圖4可以看出，摻SAP－B可延長(zhǎng)砂漿的開(kāi)裂時(shí)間，而且隨SAP－B摻量的增加，砂漿開(kāi)裂時(shí)間延長(zhǎng)越來(lái)越顯著；當(dāng)SAP－B摻量為0.3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，砂漿在44d齡期時(shí)仍未開(kāi)裂，鋼環(huán)感生應(yīng)變一直處于極低的水平，這說(shuō)明內(nèi)養(yǎng)護(hù)可提高混凝土（砂漿）硬化后的抗裂性.但需注意的是，隨著SAP－B摻量的增加，試件開(kāi)裂時(shí)鋼環(huán)感生應(yīng)變減小，說(shuō)明試件的抗拉強(qiáng)度有所降低，因此，SAP－B摻量的確定應(yīng)從混凝土的體積穩(wěn)定性、力學(xué)性能等多方面綜合考慮.

2.4 水化程度

2.4.1 水化熱分析

圖5，6分別為SAP－B摻量、粒徑對(duì)水泥漿體水化的影響.由圖5可見(jiàn)，在5d齡期后，基準(zhǔn)水泥漿體的水化放熱速率幾乎降至0，而摻SAP－B水泥漿體至14d齡期時(shí)，其水化放熱速率仍維持在一定水平；摻SAP－B水泥漿體的水化熱在2d齡期前與基準(zhǔn)水泥漿體相當(dāng)，之后二者的差距逐漸擴(kuò)大.在14d齡期時(shí)，摻SAP－B水泥漿體的水化熱明顯高于基準(zhǔn)水泥漿體，且隨SAP－B摻量的增加而增大.由圖6可見(jiàn)，水泥漿體的水化熱隨SAP－B粒徑的增大而增大，但相互之間的差異較小.

2.4.2 XRD分析

不同SAP－B摻量下水泥漿體的XRD圖譜見(jiàn)圖7.從圖7可見(jiàn)，P·Ⅰ水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2的特征衍射峰強(qiáng)度隨SAP－B摻量的提高而增強(qiáng)，說(shuō)明內(nèi)養(yǎng)護(hù)促進(jìn)了水泥的水化程度，這與水化熱分析結(jié)果相吻合.

圖7 水泥漿體28d齡期的XRD圖譜Fig.7 XRD pattern of cement pastes at the age of 28d

2.5 SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用機(jī)理分析

水泥、SAP與水（拌和水與引入水的總和）混合后成為含多種離子（Ca2＋，OH－，SO2－4，K＋，Na＋等）的漿體，SAP依靠自身的親水基團(tuán)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過(guò)水合、電離和滲透作用迅速吸蓄一部分水形成溶脹顆粒而均勻分布于水泥漿體中.在水泥漿體凝結(jié)、硬化過(guò)程中，因SAP引入水能持續(xù)補(bǔ)償水化反應(yīng)、蒸發(fā)所消耗的水分，減小毛細(xì)孔溶液負(fù)壓，延緩混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度的降低速率，從而減小了塑性收縮、自收縮開(kāi)裂的可能性.SAP的持續(xù)補(bǔ)水，可提高水泥水化程度，彌補(bǔ)SAP萎縮對(duì)水泥石強(qiáng)度的不利作用.由此可見(jiàn)，SAP的內(nèi)養(yǎng)護(hù)有利于提供額外水源使水泥漿體的毛細(xì)孔保持飽水狀態(tài)，從而使自收縮應(yīng)力減小到最小程度，同時(shí)最大程度促進(jìn)水泥水化，細(xì)化水泥石的孔結(jié)構(gòu).

3 結(jié)論

（1）在一般施工工藝條件下，配制混凝土用SAP應(yīng)具有在堿性環(huán)境下相容性好、吸水速率快和吸水倍率適宜等優(yōu)點(diǎn).

（2）摻加SAP－B可減小混凝土的早期變形，提高混凝土抵抗塑性收縮、自收縮開(kāi)裂的能力；隨著SAP－B摻量的提高，混凝土抗裂性的改善效果越來(lái)越明顯，但混凝土強(qiáng)度會(huì)有所降低，應(yīng)引起重視.

（3）摻加SAP－B可提高水泥水化程度，隨著其摻量的增加，水泥水化程度明顯提高，而其粒徑變化對(duì)水泥后期水化程度的影響相對(duì)較小.

（4）SAP摻量及粒徑的選擇應(yīng)從SAP自身吸水特性、混凝土配合比及混凝土性能設(shè)計(jì)等多方面綜合考慮，在本文試驗(yàn)條件下SAP－B的摻量為0.1%～0.2%，粒徑為180～250μm.

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