SAP對橋梁水泥混凝土性能影響機理研究

收稿日期：2024-01-11

作者簡介：楊玉碧（1983—），女，本科，檢測師，研究方向：道路橋梁工程試驗檢測。

摘要 為進一步探究橋梁水泥混凝土性能的提升策略，文章結合橋梁工程作業的實際情況，以高吸水樹脂（SAP）為主要摻雜材料，在確定混凝土配合比和實驗方法后，探究了不同的SAP摻雜量對混凝土綜合力學性能的影響，確定SAP摻雜量為0.3%且水膠比為0.38時，混凝土綜合力學性能較優。

關鍵詞 SAP；水泥混凝土；影響機理

中圖分類號 U444文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）09-0131-03

0 前言

目前，在高強混凝土實際應用過程中，受到各種外界因素影響的負面問題不容忽視。相關研究表明，當混凝土的水膠比低于0.42時，混凝土中的膠凝材料水化程度將偏低，進而導致混凝土收縮變形問題突出。為有效解決此類問題，研究如何有效應用SAP（高吸水樹脂）進行水泥混凝土的內養護作業需重點考慮。

1 混凝土原材料及配合比設計

結合已有經驗，對原材料進行如下選取：水泥采用普通硅酸鹽水泥P.O42.5；細集料采用水洗河砂，粗集料采用級配為5～31.5 mm的級配碎石，粗細集料指標均滿足試驗要求；減水劑采用減水率為27%的聚羧酸系高性能減水劑；粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰；SAP為實驗室自制的聚丙烯酸－丙烯酰胺高吸水樹脂[1]。

在確定以上材料后，結合該次研究目標，將混凝土的水膠比分別設置為0.32、0.35和0.38，并分別將未吸水的SAP材料摻入混凝土材料中，控制每個水膠比下的SAP材料摻雜比例均具有五個水平，分別為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%和0.5%（對應用量分別為0.47 kg/m3、

0.93 kg/m3、1.40 kg/m3、1.86 kg/m3和2.33 kg/m3），具體的混凝土配合比數據如表1所示：

表1 不同水膠比下的混凝土配合比數據表

（單位：kg/m3，以制備1 m3混凝土計）

水膠比 0.32 0.35 0.38

水用量 150 147 136

水泥用量 465 420 360

膨脹劑用量 37.2 33.6 28.8

砂用量 764 850 832

石用量 1 056 1 083 882

減水劑用量 5.58 5.04 3.60

另外，每個水膠比水平下均增設一個不摻雜SAP的對照組（其余材料用量則與各水平相同，保持不變），用以進行對比分析。

2 實驗方案

混凝土試塊制備完成后，對其進行如下測試：

（1）使用混凝土強度檢測器，分別對各個混凝土塊在3 d、7 d、14 d、21 d和28 d等五個時間點內的強度進行測試。

（2）按照ASTM-457的相關規范要求，使用RapidAir 457孔結構測定儀對其孔隙結構進行測試。

（3）使用壓汞儀對各個混凝土試塊的孔隙率進行測試[2-3]。

3 摻雜SAP對混凝土綜合性能的影響分析

3.1 不同SAP摻雜比例下的混凝土力學性能分析

基于第2節的實驗方案對混凝土的強度進行測試后，將測試結果進行匯總整理，得到不同SAP摻雜比例下的混凝土力學性能分析結果如圖1和圖2所示。

對圖1和圖2的（a）、（b）和（c）進行綜合對比分析后，可得出以下幾點推論：①隨著混凝土齡期的增加，可見曲線之間的距離逐步接近，即混凝土強度的增速開始放緩。②當不斷增加SAP摻入量時，曲線表現為上凸狀，即混凝土的強度僅在某一特定值下取得最大值，而在此基礎上進一步增加SAP摻雜量時，則混凝土的強度又將開始下降。

據此可知，當SAP摻入量小于0.3時，摻入的SAP可使得混凝土內部水環境發生變化，對于混凝土的養護也起到積極作用，這與SAP材料預吸水的物理性質不無關聯。但當SAP摻入量超過0.3%后，過多的SAP材料的預吸水作用將導致混凝土原有的水膠比發生顯著變化，進而對混凝土材料的強度造成不利影響。因此，可以初步確定，SAP摻入量為0.3%有助于保障混凝土力學強度。在此基礎上，進一步分析SAP摻入量為0.3%時不同配合比的強度值，結果顯示，此條件下，以水膠比為0.38時的混凝土試塊強度值為最高，因此可將該水膠比作為優化后的試驗參數，以此進行后續的實驗測試。

3.2 不同SAP摻雜量對混凝土孔隙結構的影響

基于上節實驗結果，設置水膠比為0.38，以此對不同SAP摻雜量下的混凝土孔隙結構進行分析。經儀器自動檢測后，得到檢測結果如表2所示。

根據表2，當增加SAP摻入量后，混凝土內部的孔隙類型也相應出現變化，主要表現為超過100 μm的孔徑結構的占比顯著增加，這將導致混凝土內部孔隙變大，進而影響混凝土強度。而SAP對混凝土的內養護作用對強度起積極作用，所以混凝土強度隨SAP摻入量變化曲線呈上凸狀，存在一個最優摻入量，此最優化摻入量為SAP積極作用與消極作用的平衡點。

在此基礎上，對表2中的數據做進一步分析。結果顯示，每當SAP材料摻雜量提升0.1%，則混凝土材料的平均孔徑也將增加10.13 μm。但相對而言，當SAP摻雜量在0.3%和0.4%時，材料的孔徑特征才發生突變，前者和后者在大于100 μm孔徑分布上的占比分別為33%和45%。因此初步推斷，在一般情況下，SAP摻雜量在0.3%左右較為合理。

3.3 不同SAP摻雜量下的混凝土孔隙率分析

在該環節實驗中，仍設置水膠比為0.38，使用壓汞法對不同SAP摻雜量下的混凝土孔隙率進行分析，再將分析結果與對應的平均孔徑與強度進行綜合分析，得到疊加分析結果如表3所示：

表3 不同SAP摻雜量下的混凝土孔隙率疊加分析結果

SAP含量/% 孔隙率/% 平均孔徑/μm 強度/MPa

0.0 20.2 20.7 23.1

0.1 21.4 21.1 24.3

0.2 22.1 21.4 25.1

0.3 23.8 23.2 25.8

0.4 25.5 26.1 24.2

0.5 26.7 25.8 20.6

根據表3，當水膠比固定不變時，混凝土孔隙率與SAP摻雜量之間基本呈正相關。與對照組相比，SAP每增加0.1%，則混凝土孔隙率平均增加1.23%。結合平均孔徑變化知，摻雜SAP材料過多對于混凝土的強度存在一定的不利之處。但從3.1節中的強度實驗結果可知，摻雜SAP材料對于混凝土內部水環境的改善作用較為顯著，對于膠凝材料的水化過程同樣有所改善，以此提升強度。綜合以上兩方面分析結果可知，SAP材料對混凝土力學性能的影響是多元化的，不同SAP材料摻雜量也會影響其正面效果或負面效果的實際作用，因此有必要進一步探究如何發揮正面效果并規避負面效果。

基于上述研究目標，以混凝土的28 d強度為測試指標，分析不同SAP材料摻雜量如何影響其正面效果與負面效果的發揮，得到實驗結果如圖3所示。

根據圖3中的數據變化情況，在配合比中，當SAP摻入量為0.3%時表現最佳。相對于沒有SAP摻入的對照組，混凝土強度增加了2.84%，孔隙率增加了16.74%，平均孔徑也增加了33.07%。盡管強度僅有2.84%的增加，但孔隙率和平均孔徑的增幅較大，表明SAP對混凝土強度的積極作用被消極作用所抵消。隨著SAP摻入量增至0.4%，混凝土強度增加了1.13%，但這個增幅相較于0.3%時的增加量減少了1.71%。而當SAP摻入量為0.5%時，混凝土強度與對照組相比減少了2.7%，同時孔隙率增加了26.76%，平均孔徑增加了56.50%。在這種情況下，SAP的負面影響超過了其正面作用，導致混凝土強度下降而非提升。因此，可以得出結論：當SAP摻入量達到0.43%時，其正面和負面影響完全相抵消，混凝土的強度不會發生變化；低于此臨界值時，SAP的正面效應更為突出，反之亦然。

圖3 不同SAP摻雜量對其正面/負面效果的影響分析

4 結束語

整體來看，在該次研究工作中，針對橋梁工程中水泥混凝土摻入SAP（高吸水樹脂）的實際情況，對SAP不同摻雜量如何影響混凝土力學性能，以及摻雜SAP對混凝土性能的影響原因等兩方面，均進行了較為詳細的研究，以期為后續的橋梁工程混凝土優化設計工作提供參考借鑒。

參考文獻

[1]王險峰， 陳少聰， 劉建， 等. 摻入礦物和吸水樹脂的輕骨料混凝土自愈性能[J]. 深圳大學學報（理工版）， 2023（5）： 564-570.

[2]汪首元， 閆金萍， 李昊， 等. 摻加高吸水樹脂（SAP）的混凝土孔結構及其耐久性[J]. 公路， 2023（5）： 295-300.

[3]楊進， 邱金胤， 蘇英， 等. 高吸水樹脂在水泥基復合材料中的功能應用研究進展[J]. 當代化工研究， 2022（24）： 128-130.