【摘要】本文研究了吸水樹脂（SAP）在不同條件下的吸釋水特性，以及在水泥漿體中的釋水特性。通過在低水膠比混凝土中引入吸水樹脂（SAP）作為內(nèi)養(yǎng)護材料，得出其對混凝土早齡期內(nèi)部相對濕度與自收縮的影響規(guī)律以及兩者的關(guān)系。在進行以上研究的基礎(chǔ)上，進而實現(xiàn)了以吸水樹脂（SAP）作為低水膠比混凝土內(nèi)養(yǎng)護材料的設(shè)計與優(yōu)化。

【關(guān)鍵詞】吸水樹脂（SAP）；內(nèi)部相對濕度；自收縮；內(nèi)養(yǎng)護；強度

1、緒論

1.1影響混凝土自收縮的因素分析

自收縮是因混凝土自干燥引起的本身不可避免的現(xiàn)象。一般認為，引起混凝土自收縮的因素主要有水膠比、膠凝材料、礦物摻合料、骨料等。當水膠比很低，混凝土的密實度高、滲透性低，即使在外界水中養(yǎng)護，水汽也很難滲透到混凝土內(nèi)部，混凝土內(nèi)部也會發(fā)生干燥自收縮現(xiàn)象。礦物摻合料的礦物組成、活性和細度與混凝土自收縮大小有密切關(guān)系。不同摻合料對自收縮的影響不同。骨料在混凝土中起骨架作用。自收縮因水泥漿體水化引起，骨料的彈性模量、品種與單位用量等都能引起混凝土自收縮。其他包括外加劑、養(yǎng)護溫度、試件尺寸等因素對混凝土自收縮的影響也是不可忽略的。

1.2 混凝土自收縮的研究現(xiàn)狀

國外對于混凝土自收縮的研究，起步相對較早。目前，國外對混凝土自收縮的機理研究認為主要是毛細孔張力理論，對于各種現(xiàn)象的解釋也主要采用毛細管理論，但各種因素對自收縮的影響程度并沒有一致意見。從國內(nèi)研究進展來看，自收縮的研究工作側(cè)重于混凝土內(nèi)部濕度與自收縮的變化規(guī)律、低水膠比混凝土的長期強度和內(nèi)部裂紋與自收縮的關(guān)系以及早期混凝土自收縮有效測量方法等幾個方面。

1.3 混凝土自收縮的測量方法

對于混凝土自收縮的測量，世界各國都無統(tǒng)一標準可依，根據(jù)實際條件采用不同的方法?；炷猎缙谧允湛s的測量方法主要可歸納如下：

1）傳感器法：LVDT 傳感器、電感應(yīng)式傳感器、振動電圈儀、埋入式應(yīng)變片等；

2）光學測量法：激光測量儀、光學顯微測量儀；

3）千分表法：兩端預埋或側(cè)面粘貼收縮測頭測量；

4）體積法：測量體積變化。

2、原材料及試驗方法

2.1 原材料

1）水泥（C）：采用某水泥廠生產(chǎn)的42.5普通硅酸鹽水泥（OPC），其化學組成和物理性能指標參見表2-1；

2）硅灰（SF）：某鋼鐵公司生產(chǎn)的硅灰，比表面積20000 m2/kg，其礦物組成和物理性能指標參見表2-1；

表2-1 原材料的物理化學性能

3）粗集料（G）：石灰石碎石，粒徑5～20mm。

4）細集料（S）：中砂，粒徑≤5mm，細度模數(shù)2.8，含泥量小于1.0%。

5）吸水樹脂（SAP）：聚丙烯酸鈉吸水樹脂。

6）減水劑（WRA）：萘系高效緩凝減水劑，減水率20%～25%。

2.2 試驗方法

2.2.1 SAP在自然環(huán)境中吸釋水特性的測量方法

1）吸水規(guī)律：先稱取內(nèi)養(yǎng)護材料干燥時重量，然后將內(nèi)養(yǎng)護材料飽水一定時間，取出后擦凈表面附著的水分，再稱取其重量，再計算出其吸水率。

2）釋水規(guī)律：將已吸水內(nèi)養(yǎng)護材料盛于容器中在不同溫度環(huán)境下放置，稱量放置不同時間后內(nèi)養(yǎng)護材料的重量，再計算出其含水率。

2.2.2 SAP在水泥漿體中釋水特性的測量方法

用引入內(nèi)養(yǎng)護材料前后水泥漿體的濕度變化規(guī)律表征內(nèi)養(yǎng)護材料在水泥漿體中的釋水特性，測量方法見圖2-1。

圖2-1 濕度測量示意圖

試件尺寸為150×150×150mm，成型時在試件頂部插入直徑為30mm的塑料管，預留內(nèi)部濕度測試孔，塑料管插入深度為75mm。成型后將管口用凡士林密封，防止內(nèi)外水分交換。混凝土脫模后立即用熔融石蠟將表面密封。采用WSX-Ⅱ型內(nèi)部濕度測試儀測定混凝土內(nèi)部濕度，精確到1%。測量時，將探頭插入測試孔內(nèi)，用凡士林將探頭與測試孔之間的間隙密封，待濕度平衡后讀取數(shù)。

2.2.3 自收縮的測量方法

試件成型時首先在模具內(nèi)墊上一層塑料薄膜，試件兩端預埋銅探頭，成型1d后拆模，然后先用熔融石蠟對試件進行密封處理，再套上塑料薄膜包裹嚴實，養(yǎng)護條件為20±3℃。砂漿試件尺寸為20×20×280mm，用比長儀測量其收縮；混凝土試件尺寸為100×100×515mm，采用混凝土收縮測試儀測量其收縮，二者均精確到0.01mm，自收縮測試齡期與混凝土內(nèi)部濕度測試齡期一一對應(yīng)。

3、結(jié)果與討論

3.1 溫度對SAP吸釋水特性的影響

分別考察SAP在20℃、50℃、100℃下的吸釋水特性，實驗結(jié)果如圖3-1、3-2。

由圖3-1可見，SAP在不同溫度下的吸水能力很強，相對在20℃和50℃環(huán)境下，其在100℃環(huán)境下的吸水能力尤為突出，吸水速率也很快。由圖3-2可見，SAP的釋水規(guī)律受溫度的影響較大。環(huán)境溫度越高，釋水速率越快。

3.2 SAP在水泥砂漿漿體中的釋水特性

考察內(nèi)養(yǎng)護材料在水泥砂漿中的釋水規(guī)律，基本配比見表3-1：

、

由圖3-3可見，在相同齡期內(nèi)，摻入SAP的砂漿普遍比未摻入SAP的砂漿濕度要大，在前期和后期，摻入SAP的砂漿濕度基本都比未摻入SAP的砂漿濕度要高。SAP具有自身數(shù)十倍乃至數(shù)百上千倍的吸水能力和電解質(zhì)效應(yīng)。溶漲的SAP會在環(huán)境pH值或離子濃度變大的情況下釋放出水分。因此，SAP可以使水化水泥體系在較長時間內(nèi)保持較高的內(nèi)部相對濕度，以保證水泥的水化持續(xù)進行，抑制早期干燥，達到控制自收縮的目的。

3.3 SAP對水泥砂漿性能的影響

SAP對水泥砂漿自收縮與強度的影響見下圖。

由以上兩圖可見，SAP對于改善砂漿的收縮有著明顯的作用。同時，摻入SAP后，水泥砂漿的力學性能并沒有受到太多的影響。

3.4 SAP作為內(nèi)養(yǎng)護材料的設(shè)計與優(yōu)化

3.4.1 SAP作為低水膠比混凝土內(nèi)養(yǎng)護材料的優(yōu)選

綜合前面實驗結(jié)果，我們可以發(fā)現(xiàn)，摻入SAP后，砂漿試塊中的濕度比對比試塊的濕度要高，下降速率也慢一些，在早齡期時，砂漿試塊的自收縮要明顯好于對比試塊，有效的抑制了自收縮的發(fā)展，其強度與對比試塊強度基本一致，沒有出現(xiàn)較大變化。

SAP作為水泥基材料的內(nèi)養(yǎng)護材料，在水泥基材料拌制過程中加入，水泥制品可在不需要外部人工養(yǎng)護的情況下，可以增大砂漿內(nèi)部濕度，有效抑制自收縮的發(fā)展，獲得較好的強度等性能，從而達到自養(yǎng)護的目的。還可以使水泥混凝土的養(yǎng)護工序大為簡化，降低后期的人工養(yǎng)護成本，而且有望有效地解決混凝土早期自收縮嚴重和難養(yǎng)護的問題。

3.4.2 SAP作為內(nèi)養(yǎng)護材料對低水膠比混凝土性能的影響及分析

3.4.2.1 SAP對低水膠比混凝土性能的影響

由圖3-6可見，摻入了占膠凝材料總重量0.3%的SAP的混凝土試塊強度未出現(xiàn)明顯變化；由圖3-7可見，摻入SAP的混凝土試塊在早齡期收縮比對比混凝土試塊收縮要?。挥蓤D3-8可見，摻入SAP的混凝土試塊在早齡期內(nèi)部濕度要比對比混凝土試塊濕度要高。這說明，SAP的摻入，提高了混凝土的內(nèi)部濕度，減小了自收縮，起到了內(nèi)養(yǎng)護的作用。

3.4.2.2 SAP改善低水膠比混凝土收縮性能的原因分析

低水膠比混凝土中對收縮起主要作用的成分是水泥石。隨著水泥水化的進行，混凝土中的水量逐漸減少，相對濕度逐步降低。由于毛細管中存在著靜水張力，小毛細管和膠孔中的水分蒸發(fā)或孔中的水出現(xiàn)凹液面后，就會在毛細管的孔壁上產(chǎn)生毛細管應(yīng)力。毛細管應(yīng)力逐漸增加，使水泥石承受負壓作用，最終導致混凝土的收縮。減少低水膠比混凝土的收縮最直接的方法就是保持混凝土中的相對濕度，使水泥水化有充足的水分。在低水膠比混凝土中采用SAP部分替代普通粗集料的方法可以減少混凝土的收縮，這是因為在混凝土凝結(jié)硬化過程、養(yǎng)護和使用過程中，由于內(nèi)養(yǎng)護材料中孔的尺度遠大于水泥石中毛細孔的尺度，內(nèi)養(yǎng)護材料所吸收的水分，隨著混凝土表面水分的蒸發(fā)，會從內(nèi)養(yǎng)護材料向水泥石遷移，返還部分的水分給水泥漿體，以供水泥顆粒進一步的水化。因此，預濕的內(nèi)養(yǎng)護材料作為在混凝土內(nèi)部的水分儲備，在一段時間內(nèi)能自動補給水泥水化用水，起到了內(nèi)養(yǎng)護的效果，對低水膠比混凝土早期收縮起到一定的補償作用。

結(jié)論：

SAP作為內(nèi)養(yǎng)護材料時，其吸水速率受溫度影響很大，但飽和含水量相差不大。當向水泥漿體中引入適量的SAP后，由于SAP具有高吸水能力，在水泥漿體中摻入的量最小，能夠有效的抑制水泥漿體的早期自收縮現(xiàn)象，引起的強度損失也相對很小。因此，通過本實驗研究認為，在低水膠比混凝土中摻入占膠凝材料總重量的0.3%的SAP時，低水膠比混凝土的自收縮與強度損失均最小，達到了最佳的內(nèi)養(yǎng)護效果。

參考文獻：

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