超吸水聚合物混凝土性能试验研究.pdf

2 0 1 3 年 第 6 期 (总 第 2 8 4 期 ) Nu mb e r 6 i n 2 0 1 3 ( T o t a l No 2 8 4 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HEORETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 3 0 6 0 0 8 超吸水聚合物混凝土性能试验研究 潘谧 ，朱明强 ( 武汉工业学院 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 4 3 0 0 2 3 ) 摘要 ： 超吸水聚合物混凝土具有高吸水性和保湿性 ， 在水资源短缺的干旱地 区， 对提高混凝土的抗冻性和抗渗透性有很大作 用 。 通过调整高吸水聚合物、 粉煤灰、 煤矸石等材料的掺量 ， 对混凝土的物理力学性能进行试验 ， 配置 出高性能的超吸水聚合物混 凝土 ， 并对超吸水聚合物混凝土的抗冻性和抗渗透性进行研究 ， 得出提高其抗冻性能和抗渗透性能的配合比方法 ， 对改善混凝土 耐久性有一定的实际意义。 关键词 ： 超吸水 聚合物 ；高性能混凝土；物理力学性能 ；耐久性 中图分类号： T U5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 6 0 0 2 5 0 4 E x p e r i me n t a l s t u d y o f s u p e r a b s o r be n t p ol y me r c o n c r e t e PAN Mi ， ZHU M i n g q i a n g ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d A r c h i t e c t u r e ， Wu h a n P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y ， Wu h a n 4 3 0 0 2 3 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： T h e s uper - a b s o r b e n t p o ly m e r c o n c r e t e h a s h i 曲 w a t e r a b s o r p t i o n a n d m o i s t u r e r e t e n t i o n ， i n a r i d r e g i o n s o f w a t e r s h o r t a g e s I t c o u l d ma k e b i g s e n s e t o t h e fr o s t r e s i s t a n c e and a n t i p e r me a b i l i ty o f c o n c r e t e B y a d j u s t i n g t h e d o s a g e o f s u p e r - a b s o r b e nt p o l ym e r s ， ma t e r i a l s s u c h a s fly a s h， c o a l g an g ue ， d o i n g t e s t o n p h y s i c a l an d me c ha ni c a l p r o p e i e s o f the c o n c r e t e ， t h e n t o c o n fig u r e o u t a hi g h- pe r f o r ma n c e s u p e r a bs o r b e nt p ol y me r c o n c r e， a n d t h e fro s t r e s i s t a n c e an d an t i pe rm e a bi l i t y wo u l d b e s t u di e d t o g e t t h e r a t i o me t h o d t o i n c r e ase i t s f r o s t r e s i s t a n c e a n d a n t i - p e rm e a b i l i v y ， t h e r e we r e c e r t a i n p r a c t i c a l s i g n i fi c anc e to i mp r o v e the d u r a b i l i ty o f c o n c r e t e Ke ywo r d s ： s u p e r a b s o r b e ntp o l ym e r s ； h i g hp e r f o rm a n c e c o n c r e t e ； p h y s i c a l andme c h a n i c a l p r o p e i e s ； d u r a b i l it y 0 引言 超吸水聚合物是一种高吸水的树脂材料， 它利用微 小粒子的水润膨胀性能 ， 与普通混凝土叠加复合 ， 使混 凝土内部结构改性 ， 且吸水后形成的凝胶体保水性很强 ， 即使加压水也不会分离， 甚至还具有吸湿放湿的特性 ， 可 以提高混凝士 的耐久性 。 本研究 首先研 究粉煤灰 、 煤矸石 和 超吸水 聚合 物单 掺 和复掺 时 以及不 同掺 量超 吸 水聚 合物时对混凝土物理力学性能的影响， 然后通过抗冻性 和抗渗透性试验研究超吸水聚合物对提高混凝土耐久 性 的影 响。 1 试验材料 和试验仪器 1 1 试验材料 水泥 ： 湖北华新水泥厂生产的 P O4 2 5级水泥。 砂 ： I I 区中砂 ， 级 配 良好 ， 细度模数 为 2 7 6 ， 表观 密度 为 2 5 4 0 k g m3 , 堆积密度为 1 5 5 k g r n 。 碎石 ： 粒径 5 2 5 mm， 两级连续级配 ， 表观密度为 2 6 5 5 k g m3 ， 堆积密度为 1 5 2 1 k e r n 。 。 粉煤灰 ： 湖北汉川电厂静电收尘干排粉煤灰 ， 密度为 2 1 5 g C c m。 ， 比表面积为 4 0 1 m 2 g 。 收稿 日期 ：2 0 1 2 1 2 - 0 7 煤矸石 ： 内蒙古 正泰煤 矿出产 的 自然 煤矸石 ， 主要成 分为 5 4 2 的 S i O 2 和 3 7 4 的 A l 2 0 3 ， 密度为 2 7 7 g c m。 ， 比 表面积为 5 8 1 m 2 g 。 超 吸水 聚合 物( S A) ： 河北科瀚树 脂有 限公 司生产 的 “ 科瀚 9 8 ” 高吸水树脂， 与水接触后能在短时间内溶胀且凝 胶化 ， 其吸水能力能达到 自身质量的千倍以上。 高效减水剂( F D N) ： 湖北恒利外加剂公 司生产的 F D N 高浓型萘系减水剂 ， 减水率为 2 5 3 0 。 水 ： 一般 自 来水 。 1 2试 验 仪 器 Y E 2 0 0 0 压力试验机 ， D X 4 0 1 2 7 低温冻箱 ， H S 4 0 抗渗 仪 ， 混凝土养护箱 ， 混凝土搅拌机 ， 1 5 0 mmx l 5 O mmx l 5 0 mm 试模 ， 温度计 ， 天平等。 2试 验 方 法 超吸水聚合物混凝土属于高性能混凝土， 拌合物的坍 落度要求 1 6 0 2 0 0 mm， 按标准养护下 2 8 d的标准立方体 试件抗压强度标准为4 5 MP a ， 用表观密度法计算确定基准 混凝土的配合比为水泥： 砂： 碎石： 水 = 4 5 0 ： 6 5 0 ： 1 0 5 0 ： 2 0 0 ， 高 效减水剂掺量为 0 6 ， S A掺量控制范围为 o 2 ， 试件 大 小均为 1 5 0 mm x l 5 0 mm x 1 5 0 m mo 25 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 1 粉煤灰 、 煤矸石 和超 吸水聚合 物影响混凝 土性 能 试 验 为了研究粉煤灰 、 煤矸石和超吸水聚合物单掺 、 复掺时 对混凝土性能的影响 ， 分别对粉煤灰单掺 、 煤矸石单掺 、 粉 煤灰和超吸水聚合物复掺 、 煤矸石和超吸水聚合物复掺 、 粉 煤灰 、 煤矸石和超吸水聚合物复掺五种情况进行试验 ， 设定 s A掺量 为 1 ， 粉煤灰与煤矸石总掺量为 4 0 0 k m ， 按取 代碎石掺入 。 每组 三个试件 ， 测定其坍落度 和抗压强度值 ， 取三个试块 的平均值作为最终结果 ， 具体 的试验方案如表 1 所示 。 表 1 粉煤灰、 煤矸石和超吸水聚合物影响试验方案 2 2 超吸 水聚合 物掺 量影 响混凝 土性 能试验 为了研究超 吸水聚合物 的掺量对混凝土 物理力学性 能的影响 ， 以试验 2 1 中最优配合比为基础 ， 通过调整混凝 土配合 比中超吸水聚合物 的掺量 ，选择 0 0 5 、 1 、 1 5 和 2 五个试验组 ， 每组三个试件 测定其坍落度和抗压强 度值 取三个试块 的平均值作为最终结果 ， 具体 的试验方 案如表 2所示 。 2 3 超吸水聚合物混凝土抗冻性能试验 试验 分为基准 混凝土 、 复掺矿 物掺合料 混凝 土和超 吸水 聚合 物混凝土 3 个组 进行抗冻性 试验 。 试件经 过标 准养护 2 8 d 后先在 常温下浸泡 4 d 再进行试验 ， 先将试件 放入一 2 0的冷冻箱 中冷冻 5 h ，然后放入 2 0的水 中 融化 5 h ， 作 为一个 冻融循环 ， 经过 5 0次冻 融循环后 ， 取 出进行抗压强度测试 ， 每组 3 个 试件 ， 取 3 个 试块 的平均 值作 为最终 结果 ， 最 后与没有 经过冻融循 环 的同类 试件 相 比 ， 算 出试件 的强度损失率和质量损失率 ， 具体 的试验 方案如表 3所示 。 2 4 超吸水聚合物 混凝 土抗渗透性 能试验 试验分为基准混凝土 、 复掺矿物掺合料混凝土和超 吸水 聚合物混凝土 3 个组进行抗渗透I生 性试验。 渗透仪钢试模为 上 口内径为 1 7 5 m m， 下 口内径为 1 8 5 m i l l ， 高为 1 5 0 m m 的 圆台体 ， 试件于钢试模内成型 2 4 h脱模后 ， 用钢丝刷去除 试件 表面的杂物 ， 放人养护箱进行养护 ， 经过 2 8 d标准养 护后 ， 将试件蜡封于钢试模 内， 固定在抗渗仪上准备试验 。 将渗透仪初始 压力值设定 为 3 MP a ， 试 验从水压 0 1 MP a 开始 ， 每隔 8 h 增加 0 1 MP a ， 试验分两部分 ， 每部分试验 中 每组为 6 个试件 。 第 一部分测定抗 渗压力值 ， 即当其 中有 2 个试件表面出现渗水 时停止试验 ， 此时的水压值为混凝 土的抗渗压力值 。 第二部分为在各组试件试验 6 4 h后劈开 试件， 各个试件中的渗水高度平均值为 6 4 h渗水高度值， 分别记录抗渗压力值和 6 4 h 渗水高度值。 具体的试验方案 如表 4所示 表 2 超吸水聚合物掺量影响试验方案 26 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 试验结果及分析 3 1 粉煤灰、 煤矸石和超吸水聚合物单掺 、 复掺影 响混凝土性能试验结果及分析 从表 5和图 1 可以看出， 各个组别的混凝土试件坍落 度均在合理范 围内 ， 且 强度差别不 大 ， 对 比基准混凝土组 A 7 和 A 8 ， 当单掺入超吸水聚合物时 ， 混凝土 的 2 8 d 抗压强 度会降低， 说明超吸水聚合物对强度有负面影响， 但随着粉 煤灰含量的增加， 混凝土的和易性得到提升， 坍落度变大， 且强度较基准混凝土有所提高，弥补了超吸水聚合物带来 的强度损失 ， 当粉煤灰和煤矸石 掺量均为 2 0 0 k g m 时 ， 两 种掺合料又相互促进作用 ， 与超吸水聚合物有一定的相容 ， 强度得到进一步提升， 且坍落度表现较好， A 6 组表现最好。 表 5 粉煤灰、 煤矸石和超 吸水聚合物影响试验结果 46 4 5 皇4 4 蓍 ， 墨 z 41 4 0 编 号 图 1 粉煤灰、 煤矸石和超吸水聚合物影响试验结果 3 2 超 吸水聚合 物掺 量影响 混凝 土性 能试 验 结果 及 分 析 从表 6和图 2可以看 出， 随着超 吸水聚合物掺量 的增 加， 混凝土的坍落度也随着增加 ， 说明超吸水聚合物有改 善混凝土和易性的作用， 而混凝土试件的强度呈先升高后 降低 的趋势 ， 当掺量为 1 5 时 ， 达到最大 的 4 5 2 MP a ， 超 时 ， 它能与粉煤灰和煤矸石等掺合料产生相容相互促进的 作用 ， 对强度提高有一定作用 ， 综上 ， 当超吸水聚合物掺量 为 1 5 时效果最好 。 表 6 超 吸水聚合物掺量影响试验结果 1 5l 廿Z 1 5j 4 廿) 编号 图 2 超吸水聚合物掺量影响试验结果 3 3 超吸水聚合物混凝土抗冻性能试验结果及分析 从表 7 和图 3 可以看出， 经过 5 0 次冻融循环后 ， 三种混 凝土试件 的强度均有损失 ， 其 中超吸水 聚合物混凝土 的强 度损失最小为 2 9 ， 基准混凝土的强度损失最大为 1 1 9 ， 力值是最低的， 且在 6 4 h的渗透高度达到了 1 2 6 u n ， 而掺 人矿物掺合料和超吸水聚合物的混凝土试 件均有 较大提 升 ， 加入 超吸水聚合物的混凝 土试件抗渗压力值最大 ， 为 6 5 iV P a ， 且 6 4 h的渗水高度仅为 2 3 n u n ， 说明其对提高混 凝土抗渗性有很大作用 ， 这是 由于聚合物微小粒子 的水润 膨胀性 能 ， 与矿物掺合 料叠加复合 ， 使混凝 土的内部结构 改性 ， 充分发挥超吸水聚合体优越的吸水能力， 使吸水后 形成很强的凝胶体 ， 借用这种超吸水能力和水膨润性能 ， 形 吸水 聚合物虽然对混凝土强度有负面作用 ， 但 当掺量适量 成膨胀性密实混凝土 ， 达到防冻 、 防渗 的作用 。 表 7 超 吸水聚合物混凝土抗冻性能试验结果 ， ， 。 但加入粉煤灰和煤矸石等矿物掺合了后， 能产生相容而弥 幻 补所带来的强度损失 ， 相反对强度还有一定 的促进作用 ， 试 通过对超吸水聚合物的力学性能和抗冻、 抗渗性能进 验得出粉煤灰和煤矸石掺量为 2 0 0 k g m ， 超吸水聚合物掺 行试验研究， 得出的主要结论如下： 量为 1 5 时能达到最佳效果。 ( 1 ) 超吸水聚合物对混凝土的强度有一定负面影响， ( 2 ) 超吸水聚合物对混凝土的耐久性有提高作用 ， 通 27 椽 僦 一一一一一一 蜘黼 崤 瓶 脯 何 一一一一一一一 一一一一一一一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4 1 2 辞 1 0 面8 耋 4 2 0 质量损失 强度损失 图 3 超吸水聚合物混凝土抗冻性能试验结果 表 8 超 吸水聚合物混凝土抗渗透性能试验结果 抗渗压力值 MP a 6 4 b 渗水高度 ra m 图 4 超吸水聚合物混凝土抗渗透性能试验结果 上接第 2 4页 构将发生耐久性失效 ， 可 以认 为此时混凝土结构 的寿命 达 到终结。 因此 ， 令式 ( 3 ) 中 C ( x ， t ) = ， ， 得 ： 一 ( + (器 1 4 t q g ff ) D e x p L ,t 丁 , * o - j ( 8 ) 根据 J T J 3 0 2 -2 0 0 6 ( 港 口水工建筑物检测和评估技术 规范 ， 临界 氯离子浓度取值 如表 3 所示 ， 由式( 8 ) 可以求 得混凝土码头的使用寿命， 如表 4 所示。 表 3 钢筋腐蚀临界氯离子含量值( 与胶凝材料质量的比值 ) 混凝土码头分区 临界氯离子浓度 c 过进行抗冻性和抗渗透性试验， 证明了超吸水聚合物在提 高混凝土抗冻性和抗渗透性方面有很大促进作用 ， 大大优 越于基准混凝土试件。 这是由于超吸水聚合体具有强大的 吸水能力， 吸水后形成很强的凝胶体， 形成膨胀性密实混 凝土 ， 达到防冻 、 防渗 的 目的。 参考文献： 【 1 廉慧珍 对“ 高性能混凝土 十年来推广应用的反思 混凝土， 2 0 0 3 ( 3 ) 2 商淑瑞 ， 瞿雄伟高吸水聚合物研究进展 J 塑料科技， 2 0 0 0 ( 9 ) 3 】 钟世云， 陈志源， 等 聚合物乳液共混物改性砂浆的力学性能 J 1 混凝土与水泥制品 ， 2 0 0 2 ( 1 ) ： 1 0 1 4 【 4 】 杨本宏 超强高分子吸水材料的研究进展与应用【 J l_ 合肥联合大 学学报， 2 0 0 2 ， 1 2 ( 3 ) ： 9 7 1 0 2 5 姚红云 羟基丁苯聚合物改性水泥浆体的性能研究 J 1 重庆交通 学院学报 ， 2 0 0 4 ( 8 ) 6 】段晖 ， 赵军 ， 李政文 ， 等 聚合物混凝土对混凝土抗压强度的影 响 J 1 河南科技 ， 2 0 0 4 ， 2 2 ( 6 ) 作者简介： 潘谧( 1 9 8 9 一 ) ， 男。 联系地址： 武汉工业学院土木工程与建筑学院( 4 3 0 0 2 3 ) 联系电话 ： 1 8 6 0 7 1 7 5 6 9 6 离子有效和相对扩散 系数随深度变化 的规律 ， 提出氯盐腐 蚀环境下混凝土结构使用寿命的预测模型， 为北部湾港混 凝土码头维修加固和耐久性设计提供依据。 在此研究基础 上， 建立氯盐腐蚀环境下锈蚀钢筋混凝土保护层锈胀开裂 时间的预测模型是下一步研究工作 。 参考文献 ： 1 姬永 生， 袁迎曙 ， 耿欧 ， 等 氯盐外侵混凝土内钢筋的锈蚀特征 及机理分析 J 中国矿业大学学报， 2 0 0 9 ， 3 8 ( 3 ) ： 3 0 9 3 1 5 2 王晓舟， 金伟良， 金立兵 基于广义扩散方程海工混凝土结构耐 久寿命概率评估方法 J 】 海洋工程， 2 0 0 9 ， 2 7 ( 3 ) ： 8 5 9 O 3 】K WO N S J ， N A U J ， P A R K S S ， e t a 1 S e r v i c e l i f e p r e d i c t i o n o f c o n c r e t e wha r v e s wi t h e a r l ya g e d c r a c k： p r o ba b i l i s fic a p p r o a c h f o r c h l o ri d e d i f f u s i o n J S t r u c t u r a l S a f e t y ， 2 0 0 9 ， 3 1 ( 1 ) ： 7 5 8 3 【 4 DE B Y F， C AR C AS S ES M， S E L L I E R AP r o b a b i l i s t i c a p p r o a c h f o r d u r a b i l i t y d e s i g n o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e i n ma r i n e e n v i r o n me n t J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 9 ， 3 9 ( 5 ) ： 4 6 6 4 7 1 5 】陈秀瑛 港D -q 头的老化机理与病害评估l J 1 水运工程， 2 0 1 0 ( 2 ) ： 9 5- 98 【 6 】 张誉， 蒋利学， 张伟平， 等 混凝土结构耐久性概论 M】 上海： 上 海科学技术出版社， 2 0 0 3 【 7 】 许晨， 王传坤， 金伟良混凝土中氯离子侵蚀与碳化的相互影响l J 】 建筑材料学报 ， 2 0 1 1 ， 1 4 ( 3 ) ： 3 7 6 3 8 0 4 结语 作者简介 对北部湾港? 昆 凝土码头进行调查研究， 分析存在的耐 久性 问题。 采用准确可靠 的方法对北部湾港混凝土码头进 行耐久性检测， 并对其进行耐久性评估 ， 研究混凝土中氯 28 联系地址 ： 联系电话 蒋萌( 1 9 8 3 一 ) ， 男， 博士研究生， 研究方向： 主要从事混 凝土耐久性研究。 E 海市 I l路 8 0 0 号 上海交通大学 亍 校区A 0 8 0 1 0 9 2 班( 2 0 0 2 4 0 ) 1 51 21 0 3 5 73 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m