混凝土内养护剂性能及工程应用研究.pdf

总663期2023年第33期（11月 下）0 引言高吸水性树脂（Super Absorb Polymer，SAP）为功能性高分子材料，其适度交联度的网络分子结构具备大量亲水基团，难溶于水及有机溶剂，吸水性及保水性良好，受压后不易脱水。当前，公路水泥混凝土路面大多采用直接喷洒养护剂、铺覆塑料膜、苫盖草袋洒水等养护方式，此类工艺既耗费人工，养护效果也不尽理想。在水灰比较低的情况下，外界水分较难进入混凝土结构内部，无法有效缓解混凝土路面塑性收缩，引发裂缝，并降低结构耐久性。为从根本上解决混凝土路面塑性收缩及开裂问题，应从混凝土内部提供水源实施内养护。在混凝土中掺加SAP内养护剂后，前期会吸收并储存部分水分，并于养护后期缓慢释放，促进混凝土材料水化，增强结构的致密性，有效缓解混凝土塑性收缩。基于以上分析，本文对不同SAP内养护剂掺量下混凝土路用性能进行试验，为该材料在公路混凝土路面应用提供参考。1 试验设计1.1 原材料混凝土SAP内养护剂性能试验所用原材料主要有水泥、集料、粉煤灰、硅灰等。1）水泥：采用唐山产标准稠度用水量28%、初凝和终凝时间为192 min和279 min、3 d和28 d抗折强度为4.8 MPa和8.5 MPa、3 d和28 d抗压强度为28.1 MPa和56.5 MPa的P.O42.5水泥。2）中砂：使用含泥量不大于2%、细度模数2.33.0、泥块含量不高于0.5%、表观密度2 660 kg/m3、堆积密度1 620 kg/m3的涞水中砂，性能指标完全符合普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准（JGJ 522016）。3）粗集料：由粒径510、1020 mm二级碎石按照11混合而成，含泥量不高于0.5%，针片状含量为3%，压碎值为5.3%，表观密度为2 720 kg/m3，性能均符合检验标准。4）粉煤灰与硅灰：选用北京产级粉煤灰，按照用于水泥和混凝土中的粉煤灰（GB/T 15962017）进行性能检测，其细度为6.3%，需水量比95%，密度2.5 g/cm3，烧失量2.12%，含水率0.3%。硅灰需水量比114%，比表面积18 360 m2/kg，SiO2含量91.0%。5）内养护剂：采用聚丙烯酸盐超强吸水树脂，其对自来水和饱和Ca（OH）2溶液的吸收量存在较大差异（见表 1）。将饱和内养护剂置入 60 烘箱内持续养护6 h，其吸水率仅降低 10%12%，表明该类型的内养护剂热稳定性能优良。表1 SAP内养护剂吸收率的比较时间/min对自来水的吸收量/（g/g）对Ca（OH）2溶液的吸收量/（g/g）1012533201633660185401 440189541.2 配合比设计为分析混凝土内养护剂掺加量对混凝土收缩性能及强度的影响，选择C30和C40混凝土，并按照高强混凝土应用技术规程（JGJ T2812012）及普通混凝土配合比设计规程（JGJ552011）进行试验，确定每方混凝土所需原材料用量。具体见表2。收稿日期：2023-02-20作者简介：旷永梅（1987），女，工程师，从事公路桥梁建设管理相关工作。混凝土内养护剂性能及工程应用研究旷永梅（江西省交通投资集团有限责任公司宜春管理中心，江西 宜春 336000）摘要：为探索内养护剂在改进和优化水泥混凝土材料路用性能方面的具体效果，以聚丙烯酸盐超强吸水树脂为内养护剂，按照其不同掺量拟定8种混凝土配合比试件，分别进行自由变形、限制变形、塑性开裂及力学性能试验；在此基础上，对内养护剂在水泥混凝土路面施工中的应用及养护效果和养护成本进行分析。分析结果表明，掺加内养护剂能大幅简化水泥混凝土路面养护程序，节省养护用水量，还能从根本上解决混凝土路面塑性收缩及开裂问题，提升混凝土路面路用性能。关键词：混凝土；内养护剂；路用性能；工程应用中图分类号：U414文献标识码：A4交通世界TRANSPOWORLD1.3 试验方法1.3.1 自由变形为进行掺加内养护剂混凝土材料的自由变形试验，将 1层三元乙丙软塑料内衬于100400 mm 的 PVC 管中，并在管底粘贴玻璃片，待水泥砂浆拌制好后倒入PVC管内，通过锡箔纸和保鲜膜密封管段顶部，放置在温度（202）、湿度（605）%的恒温室内养护。养护7 d并达到初凝状态后以所测试件高度为初始值，继续养护至一定龄期，再次检测试件高度，则不同龄期试件变形度按照式（1）1确定：t=ht-h0h0 100%（1）式（1）中：t为试件变形度；ht为一定龄期的试件高度；h0为初凝状态试件高度初始值。1.3.2 限制变形为检测混凝土材料限制变形，应按照 混凝土膨胀剂（GB/T34392017）标准进行测试。为简化试验过程，增强试验结果的针对性，将标准中水中养护7 d延长为水中养护14 d，此后将试件置入恒温恒湿环境下继续养护相应时间，即得到相应龄期限制膨胀率2。1.3.3 塑性开裂及力学性能根据 水泥砂浆抗裂性能试验方法（JCT 9512015）进行内养护剂混凝土塑性开裂性能试验。力学性能根据普通混凝土力学性能试验方法标准（GB/T500812012）进行测试；耐久性根据 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准（GB/T50082009）测试。1.3.4 微观性能以表2设计的混凝土配合比为参照，制备掺加内养护剂的水泥净浆，浇筑于玻璃瓶内，塞紧瓶盖后放置在恒温恒湿环境中密封养护14 d。此后，将固结的水泥净浆分为3份，取其中一份破碎成粒径约5 mm的球形颗粒，置于40 的烘箱中干燥处理4 d后制备压汞试验试样；将第二份水泥净浆固结块破碎成粒径10 mm的颗粒，并在 40 烘箱中干燥 4 d，制备扫描电镜测试试样；将第三份研磨至一定细度，过0.08 mm方孔筛后置于40 烘箱中干燥24 d，作为X射线衍射试验试样。2 试验结果2.1 力学性能根据对混凝土材料力学性能的试验，与不掺加内养护剂的T30-0和T40-0配合比相比，掺加内养护剂的试件抗压强度及抗折强度明显较高，并且随着内养护剂掺量的增大，增幅提升；当内养护剂掺加比为0.3%时，混凝土28 d抗压强度和抗折强度分别提升17%和18%。分析原因可知，内养护剂能预先吸收水泥砂浆中的部分水分，降低其水灰比，提升水泥砂浆强度和致密性；此后，随着内养护剂中的水分缓慢释放，水泥水化程度提升，钙矾石含量持续增大，使其结构强度再次增强3。2.2 抗变形及抗裂性混凝土试件自由变形试验中，在绝湿条件下，未掺加内养护剂的试件T30-0和T40-0在12 d时的膨胀率最大，此后逐渐下降，并于第4 d开始收缩；T30-1和T40-1试件早期膨胀值高出T30-0和T40-0试件，并在第23 d时达到最大，随后降低，至28 d龄期时表现出微弱的膨胀性；其余试件具有相似的膨胀规律，混凝土始终处于膨胀状态，并在14 d后达到稳定。根据限制变形试验结果，单纯将膨胀量作为反映水泥混凝土材料抗裂性能的做法并不全面，膨胀量并不能反映抗裂性能，并且膨胀收缩变形差值越小，抗裂性能越优异。将水中养护14 d的混凝土试件置于空气中，未掺加内养护剂的T30-0和T40-0试件膨胀值在干燥收缩作用下快速降低；而其余试件膨胀值则缓慢下降。说明掺加内养护剂后水泥混凝土材料膨胀收缩变形差值减小，抗裂性能较优。2.3 耐久性对混凝土试件进行抗冻、碳化及氯离子渗透试验。结果显示，内养护剂能显著提升水泥混凝土材料抗冻胀性能。其中，冻融循环 150次后未掺加内养护剂的T30-0 和 T40-0 试 件 相 对 动 弹 性 模 量 保 持 率 约 为85.7%，而掺加内养护剂的试件均在 93%以上。内养护剂还能提高水泥混凝土材料的抗碳化及抗氯离子渗透性能。混凝土内养护剂在吸收水分的同时，会降低周围水泥砂浆水灰比，提高混凝土结构致密性，结构中氯离子等的渗透扩散能力均降低；此后水泥水化过程中碱含量增大，混凝土抗碳化性能提升。随着内养护剂中水分的释放，混凝土结构中形成均匀分布的非连通体系，使结构内部含气量增大，促进冷水迁移压力释表2 混凝土配合比混凝土配合比编号T30-0T30-1T30-2T30-3T40-0T40-1T40-2T40-3内养护剂/kg00.980.720.4601.240.850.46水泥/kg384384384384402402402402砂/kg750750750750738738738738粉煤灰/kg176176176176184184184184硅粉/kg3030303031313131粒径520mm碎石/kg890890890890865865865865水/kg160160160160160160160160胶结材料/kg590590590590617617617617外加剂（%）2.63.03.03.02.21.82.42.55总663期2023年第33期（11月 下）放4，提升混凝土路面高温稳定性和低温缩裂性。3 工程应用某公路段交通量大，对混凝土质量有较高要求，部分路段使用C40混凝土，为保证水泥混凝土质量并控制混凝土收缩性，在混凝土中掺加内养护剂。掺加方式有两种：一是先加法，即在混凝土拌和过程中按照设计配比将内养护剂和集料一起加入，这种方式对水泥混凝土材料性能影响较大，操作简便；二是待混凝土搅拌完后按设计配比掺加内养护剂，对混凝土性能影响小。该公路工程采用第一种掺加方式。在 该 公 路 K44+000K44+300、K44+300K45+600、K45+600K45+900等3个试验段以100 m为间隔进行钻芯取样，对芯样不同龄期抗压强度和抗折强度进行测试，测试结果见表3。根据表3中试验结果可知，养护方式对掺加内养护剂的混凝土性能影响较大。其中，掺加SAP内养护剂标准养护方式下，7 d和28 d混凝土抗压强度均值和抗折强度均值均比直接喷洒养护剂养护和整体苫盖洒水养护高。因此，该公路正式施工时，应采用掺加SAP养护剂标准养护方式，以此提升混凝土路面结构强度。不同养护方式下养护成本的比较见表4，根据比较结果，与常规的整体苫盖洒水养护、直接喷洒养护剂养护等方式相比，掺加SAP内养护剂标准养护施工简便，省去了昼夜养护操作环节，养护成本低，节约水资源。表4 不同养护方式养护成本的比较养护方式掺加SAP内养护剂标准养护整体苫盖洒水养护直接喷洒养护剂养护每次养护用水量/（kg/次）0.2533每昼夜养护用水量每昼夜4次，12kg/d每昼夜4次，12kg/d养护周期/d28314路面总需水量/（kg/m2）7.2536168养护成本/（元/m2）0.52.58.0养护效果好一般一般4 结束语工程应用结果表明，当SAP内养护剂掺量在0.2%0.3%时，能显著改善水泥混凝土力学性能、抗塑性开裂性能、抗变形性能及耐久性。内养护剂释放出水分后，会在混凝土结构内部形成不规则空隙，空隙内残留大量SAP树脂膜和钙矾石，混凝土内水泥水化程度将明显提升，并降低混凝土路面塑性收缩。与传统的整体苫盖洒水、直接喷洒养护剂等养护方式相比，掺加SAP内养护剂养护施工过程简便，无须安排施工人员昼夜养护，因内养护剂自身较好的保水及释放水分的性能，养护过程中水资源耗用量少，社会效益和经济效益十分优越。参考文献：1 朱长华，李享涛，王保江，等.内养护对混凝土抗裂性及水化的影响J.建筑材料学报，2013，16（2）：221-225.2 邹会权，赵明，李鹏.SAP内养护路面混凝土收缩特性及湿度翘曲应力研究J.公路，2020，65（10）：53-59.3 栗威，张永军，黄凯希.复合型内养护材料对公路水泥砼性能影响研究J.公路与汽运，2018（2）：97-101.4 卢艳春，张大帅.内养护技术在水泥混凝土路面中的应用分析J.西部交通科技，2017（9）：43-46.表3 不同养护方式养护结果的对比试验养护方式掺加SAP内养护剂标准养护整体苫盖洒水养护直接喷洒养护剂养护浇筑日期2021.10.262021.10.262021.10.262021.10.262021.10.262021.10.26试验日期2021.11.22021.11.232021.11.22021.11.232021.11.22021.11.23龄期/d728728728抗压强度/MPa28.0944.3220.7833.7521.6736.0632.4835.6126.2132.4120.6836.4026.2040.1226.3825.6524.4126.65平均/MPa28.5940.0124.5430.4522.2833.04抗折强度/MPa3.485.483.624.582.814.284.125.203.734.412.814.543.545.333.474.413.003.80平均/MPa3.705.323.614.432.854.216