基于壓汞試驗的SAP混凝土孔結構特征

郭耀華， 丁紅巖,2,3， 張浦陽,2， 張 磊(.天津大學 建筑工程學院， 天津 300072；2.天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室， 天津 300072；3.天津大學 濱海土木工程結構與安全教育部重點實驗室， 天津 300072)

高吸水性樹脂也被稱為超強吸水性聚合物(SAP)，是一種多功能高分子材料.在土木工程領域，可將SAP作為一種新型的混凝土外加劑來改善混凝土的性能.SAP作為低水灰比混凝土的內養護材料[1-2]，能夠有效地減小混凝土水化過程中的收縮及開裂[3-4]；SAP還可以作為引氣劑，以提高混凝土的抗凍融性能[5-6].既有研究[7-8]表明，SAP可提高混凝土的抗滲、抗氯離子和硫酸鹽侵蝕性能.關于SAP對于混凝土強度的影響，研究結果存在較大差異.文獻[9-10]表明，SAP的摻加會使混凝土的早期和后期強度有所降低，但是文獻[11-13]表明，SAP的摻加會提高混凝土的后期強度，其原因是高吸水性樹脂釋放出的水可使水泥充分水化.

SAP在混凝土攪拌過程中會迅速吸收水分形成水腔，并在混凝土水化過程中會逐步釋放出來，而SAP釋放水分后會在混凝土中留下相應的氣孔結構，進而影響混凝土的各項性能.由此可見，對摻加SAP的混凝土孔隙特征進行研究具有重要意義.本文基于壓汞試驗，采用干拌方法拌制SAP混凝土，對不同配合比和不同SAP摻量的混凝土進行分批試驗，測定各組試樣的孔隙特征參數，以分析SAP對混凝土孔隙特征及抗壓強度的影響.

1 試驗

SAP混凝土孔隙特征參數可采用壓汞法獲取.試驗選用的SAP粒徑為297μm(50目，H50)，150μm(100目，H100)，其性能指標見表1.混凝土的配合比見表2，其中水泥為42.5硅酸鹽水泥，砂為粒徑0.25～0.50mm的中砂，石子為5～6mm連續級配碎石，水為自來水.額外引水量根據文獻[14]確定，試樣編號見表3.由于SAP的吸水性極強，容易團聚，很難攪拌，因此，本文采用干拌方法進行攪拌.先將SAP與水泥、砂、石一同放入攪拌機，干攪1min，使其均勻，再用噴灑的方式將水分3次均勻、緩慢加入攪拌機攪拌.

表1 SAP的性能指標Table 1 Performance of SAP for testing

表2 混凝土的配合比Table 2 Mix proportion of Portland cement concrete

表3 試樣編號Table 3 Experimental scheme of micro-pore structure concrete

2 比孔容積和孔隙率的測定

2.1 比孔容積

壓汞試驗中的比孔容積(mL/g)是指在一定外力作用下進入試樣中的液態汞質量與試樣質量的比值[15-16].圖1為試樣比孔容積與SAP摻量的關系.由圖1可以看出，SAP的摻加對試樣比孔容積影響明顯.隨著SAP摻量的增加，試樣比孔容積整體上呈現增大趨勢，且配合比P1的比孔容積明顯大于配合比P2的比孔容積，P1-50的比孔容積大于P1-100的比孔容積，P2-100的比孔容積大于P2-50的比孔容積.圖2為試樣28d抗壓強度與比孔容積的關系.從圖2可以看出，隨著比孔容積的增大，試樣的抗壓強度整體上呈現下降趨勢.

圖1 比孔容積與SAP摻量的關系Fig.1 Relationship between specific pore volume and SAP content

圖2 試樣28d抗壓強度與比孔容積的關系Fig.2 Relationship between specific pore volume and 28d compressive strength

2.2 孔隙率

圖3為試樣孔隙率與SAP摻量的關系.從圖3可以看出，隨著SAP摻量的增加，試樣的孔隙率整體上呈現增大趨勢，其中配合比P1的孔隙率明顯大于配合比P2的孔隙率.在配合比P1中，P1-50的孔隙率大于P1-100的孔隙率；在配合比P2中，P2-100的孔隙率大于P2-50的孔隙率，這說明在不同的配合比中SAP粒徑對孔隙率的影響不盡相同.圖4為試樣抗壓強度與孔隙率的關系.從圖4可以看出，試樣的抗壓強度隨著孔隙率的增加整體上呈現下降趨勢，說明抗壓強度對孔隙率的變化比較敏感.

圖3 試樣孔隙率與SAP摻量的關系Fig.3 Relationship between porosity and SAP content

圖4 試樣抗壓強度與孔隙率的關系Fig.4 Relationship between porosity and compressive strength

3 孔徑分布的測定

3.1 最可幾孔徑

試樣的孔徑分布可通過壓汞試驗的微分曲線進行表征，其中微分曲線峰值為最可幾孔徑，表示試樣中此孔徑的孔隙數量最大.圖5為試樣最可幾孔徑與SAP摻量的關系.從圖5可以看出，SAP對試樣最可幾孔徑影響明顯.隨著SAP摻量的增加，試樣最可幾孔徑整體上呈現增大趨勢.配合比P1的最可幾孔徑明顯大于配合比P2的最可幾孔徑，說明配合比對最可幾孔徑影響明顯.在配合比P1中，P1-50的最可幾孔徑大于P1-100的最可幾孔徑；在配合比P2中，P2-100的最可幾孔徑大于P2-50的最可幾孔徑，這說明在不同的配合比中SAP粒徑對最可幾孔徑的影響不盡相同.圖6為試樣抗壓強度與最可幾孔徑的關系.從圖6可以看出，隨著最可幾孔徑的增大，試樣的抗壓強度整體上呈現減小趨勢.

圖5 試樣最可幾孔徑與SAP摻量的關系Fig.5 Relationship between the most probable pore size and SAP content

圖6 試樣抗壓強度與最可幾孔徑的關系Fig.6 Relationship between the most probable pore size and the compressive strength

3.2 孔隙的分級

為了進一步分析SAP對混凝土中不同孔徑孔隙率的影響，將孔隙按照孔徑的大小分為5個等級：5～10nm，10～100nm，100～1000nm，1000～10000nm， 10000～360000nm.對各試樣中不同孔徑的孔隙率進行統計分析，結果如圖7所示.

圖7 試樣不同孔徑的孔隙率Fig.7 Porosity at different pore size levels

由圖7可見，5～10nm的孔隙率較小，此類孔徑的孔隙主要為水泥凝膠體間的縫隙，對混凝土的各項性能影響不大；10～100nm的孔隙率最大，且隨著SAP摻量的增加，其孔隙率整體上呈現增大趨勢，此類孔級的孔隙為毛細孔，對混凝土后期性能有較大影響；100～1000nm的孔隙率也較大，而且隨著SAP摻量的增加而增大.由圖7還可見，SAP摻量對配合比P1中1000～10000nm的孔隙率影響不大，而對配合比P2中1000～10000nm的孔隙率影響較大，且隨著SAP摻量的增加而增大.

由于5～10nm，10000～360000nm的孔隙所占比例很小，因此，本文將這類孔隙進一步劃分為3個等級：<0.1μm，0.1～1.0μm，>1.0μm.圖8為試樣抗壓強度與孔隙率的關系.從圖8可以看出，隨著孔隙率的增大，試樣抗壓強度整體上呈現減小趨勢，其中<0.1μm，0.1～1.0μm的孔隙率與抗壓強度之間的相關系數較大，分別為0.8437，0.9004，而>1.0μm 的孔隙率與抗壓強度之間的相關系數較小，僅為0.1043，說明抗壓強度與<1.0μm的孔隙的相關性更大.

圖8 試樣抗壓強度與孔隙率的關系Fig.8 Relationship between compressive strength and porosity at different pore size levels

4 結論

(1)試樣的比孔容積、孔隙率、最可幾孔徑與SAP摻量正相關，隨著SAP摻量的增加，試樣的比孔容積、孔隙率和最可孔徑呈增大趨勢.

(2)摻加SAP后，試樣的抗壓強度與比孔容積、孔隙率、最可幾孔徑負相關，隨著比孔容積、孔隙率、最可幾孔徑的增加，試樣的抗壓強度呈減小趨勢.

(3)隨著SAP摻量的增加，<0.1μm，0.1～1.0μm 的孔隙率整體上呈現增大的趨勢，而> 1.0μm 的孔隙率與SAP摻量無明顯的相關性；試樣抗壓強度隨著<0.1μm，0.1～1.0μm孔隙率的增大整體上呈現減小趨勢.

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