超吸水聚合物混凝土的力學性能研究

王維紅 等

【摘 要】針對混凝土養護時的人工養護費時費力及浪費水資源問題，利用超吸水聚合物的自養護作用，改善混凝土的性能，試驗采用正交試驗的方法，確定出在標養和干養條件下的最優配合比并與基準混凝土的抗壓強度進行對比，試驗結果表明，在干養條件下，超吸水聚合物能提高混凝土的抗壓強度。

【關鍵詞】超吸水聚合物 混凝土 抗壓強度

寧夏屬于干旱少雨、嚴寒缺水地區，在建筑工程的建設過程中，混凝土作為主要的建筑材料使用，在養護時需要大量的水進行養護，浪費了大量的水資源，針對這問題，利用超吸水聚合物（SAP）的吸水性和放水性，在混凝土中摻入SAP使混凝土自養護達到提高強度的目的。超吸水聚合物是一種新型的外加材料，可以調節水泥基膠凝材料凝結和硬化時的水分平衡，用作具有較低水膠比的混凝土和砂漿的內養護材料[1]本文將SAP、粉煤灰、煤矸石復摻到混凝土中，通過正交試驗得到最優配合比，再通過與基準組的對比，分析SAP、粉煤灰和煤矸石對混凝土在標養和干養條件下的抗壓強度的影響。

1 試驗原材料

（1）水泥：寧夏賽馬牌PO42.5R級水泥，各項性能指標符合標準中的規定。

（2）粉煤灰：寧夏銀川熱電廠生產的Ⅰ級粉煤灰，符合國家標準規定。

（3）煤矸石：寧夏石嘴山煤礦，密度2.71g/cm3，比表面積560m2/g。

（4）砂子：寧夏鎮北堡產的人工水洗山砂，中砂，細度模數為2.78，表觀密度2.73 0g/cm3，堆積密度1.560 g/cm3，含泥量0.81%。

（5）石子：寧夏鎮北堡產的天然粗骨料人工碎石，粒徑為5～25的連續級配，石子表觀密度2680 kg/m3，堆積密度1473 kg/m3，含泥量0.11%，壓碎指標8.2%，針片顆粒含量9.5%。

（6）超吸水聚合物：采用北京金元易生態有限公司成產的高吸水樹脂，吸水倍率為30倍。

（7）高效減水劑：寧夏銀川生產的FDN型萘系減水劑，減水率達25%～30%。

（8）水：自來水。

2 試驗方法

根據吳中偉院士的高性能混凝土的設計方法[2]，本試驗混凝土設計強度等級為C60，本試驗選取水膠比、粉煤灰、煤矸石、砂率、SAP為影響因素，各因素選取3個水平，粉煤灰、煤矸石等量取代部分水泥，SAP摻量分別為膠凝材料總質量的0.3%、0.5%、0.7%，研究SAP自養護作用對混凝土28d 抗壓強度的影響。采用L18（37）正交試驗，試驗水平如表2所示。

混凝土抗壓強度試驗依據《水工混凝土試驗規程》（DL/T5150-2001）的規定進行，采用100mm×100mm×100mm試模成型，在標養和干養兩種養護條件下分別養護28d進行試驗。

3 試驗結果及分析

正交試驗結果、混凝土抗壓強度極差分析如表3-4所示。

3.1正交試驗

由表4可知，在標養條件下，影響混凝土28d抗壓強度因素的主次順序是A>D>B>C>E，即水膠比影響最大，其次分別為砂率、粉煤灰、煤矸石、超吸水聚合物。由圖 可知，隨著水膠比的增加，混凝土抗壓強度呈降低趨勢；隨著粉煤灰、煤矸石的增加，抗壓強度呈現先增加后降低的趨勢，隨著砂率的增加，抗壓強度呈增加的趨勢，綜合實用性、工作性和經濟性的原則確定最優配合比為A1B2C2D2E1即水膠比0.33、粉煤灰摻量15%、煤矸石摻量10%、砂率44%、SAP0.3%。

在干養條件下，影響混凝土28d抗壓強度因素的主次順序是D>A>E>B>C，即砂率影響最大，其次分別為水膠比、超吸水聚合物、粉煤灰、煤矸石。由試驗結果可知，隨著水膠比、煤矸石、砂率、超吸水聚合物的增加，混凝土抗壓強度呈先增后降的趨勢；隨著粉煤灰的增加，抗壓強度呈現降低的趨勢，即確定組偶有配合比為 A2B1C2D2E2即水膠比0.35、粉煤灰摻量15%、煤矸石摻量10%、砂率44%、SAP0.5%。

綜合分析，水膠比對混凝土強度的影響，在標養和干養條件下影響比較大，在干養條件下A2和A1的強度下降幅度較小，SAP對混凝土強度的影響，在干養條件下影響較大，在標養條件下影響較小，綜合考慮兩種最優方案，綜合實用性、工作性和經濟性的原則確定最優配合比為A1B2C2D2E2即水膠比0.33、粉煤灰摻量15%、煤矸石摻量10%、砂率44%、SAP0.5%。

3.2最優組對比試驗與分析

將優選組與基準配比進行對比試驗，并安排一組配比與優選組相同但不外摻SAP的高性能混凝土，以考察SAP及摻合料對高性能混凝土產生的影響。試驗安排及結果如表5所示，強度對比圖如圖3所示。

由表5可知：（1）在標養條件下①C和J相比，表明復摻粉煤灰和煤矸石等量取代水泥對混凝土28d抗壓強度有所降低，降幅為7.6%，這是因為粉煤灰和煤矸石主要是提高混凝土的后期強度，而早期強度有所下降，粉煤灰和煤矸石的摻加表現出了良好的經濟效果。②Z和J相比，表明復摻粉煤灰、煤矸石和SAP對混凝土28d抗壓強度有所降低，降幅為15.3%，③C和Z相比，復摻粉煤灰、煤矸石和SAP的混凝土抗壓強度明顯降低，降幅達8.3%，說明在標準養護條件下SAP對混凝土的強度非常不利。（2）在干養條件下：①C和J相比，表明復摻粉煤灰和煤矸石等量取代水泥對混凝土28d抗壓強度有所降低，降幅為7.9%②Z和J相比，表明復摻粉煤灰、煤矸石和SAP對混凝土28d抗壓強度有所降低，降幅為5.5%，③C和Z相比，表明SAP對混凝土的抗壓強度有提高作用，增幅達2.7%。（3）Z組混凝土的28d抗壓強度在干養環境比在標養環境中的提高7.5%，說明在干養環境中SAP可使混凝土強度提高，對混凝土強度是有利的。（4）機理分析：在混凝土中加入SAP，由于SAP具有良好的吸水性和保水性，可以很好的調節混凝土內部水分分布。一方面，在混凝土內部因水化反應的發生而缺少水分時，SAP可以釋放之前吸收的水分可使混凝土繼續水化，混凝土內部水化產物增多，孔隙率降低，密實度不斷提高，強度得以提高[3]另一方面，當混凝土在水中養護時，SAP處于吸水飽和狀態，而SAP吸水后體積會產生膨脹，這樣會破壞混凝土的固有結構，同時，吸水后膠凝狀態的SAP減少了骨料間的摩擦力，使混凝土強度降低。

4 結語

（1）通過正交試驗，確定混凝土的最優配合比為A1B2C2D2E2，即水膠比0.33、粉煤灰摻量15%、煤矸石摻量10%、砂率44%、SAP0.5%

（2）復摻粉煤灰、煤矸石的混凝土在標養條件和在干養條件下養護時的28d強度較基準混凝土的都是降低的

（3）SAP加入混凝土中在干燥環境中養護時可有效提高混凝土的抗壓強度，節約養護用水及工程費用。

參考文獻：

[1]VIKTOR MECHTCHERING，LUKASZ DUDZIAK，ARNDEIKE BRUDERN，et al.高吸水聚合物（SAP）：新型多功能混凝土外加劑[J].商品混凝土，2012（5）：32-35.

[2] 吳忠偉，廉慧珍.高性能混凝土[M].北京：鐵道出版社，1999：120-182.

[3]唐瑞，孟云芳，馬超，鄒媛媛.鋼纖維超吸水聚合物混凝土抗沖耐磨性能試驗研究[J].寧夏工程技術，2013（1）：35-40.

作者簡介：王維紅（1989-），女，碩士研究生，助教，研究方向：主要從事水工結構材料研究。