基于内养护的水泥基复合材料的收缩性能研究

基于内养护的水泥基复合材料的收缩性能研究

范晓辉

中铁十局集团  山东省  济南市250001

摘要：为提高水泥基复合材料的抗收缩性能，选择聚丙烯酸高吸水性树脂(SAP)材料作为内养护剂掺加至水泥基复合材料中，研究了干拌和湿拌条件下不同SAP掺量对水泥基复合材料的抗压强度、抗折强度以及收缩性能。结果表明：湿拌SAP方式将降低4.9~12.3%水泥基材料的早期强度，而干拌SAP可提高11.3~16.7%的28d抗压强度；SAP掺入将显著改善水泥的水化程度，干拌SAP方式可将60d自收缩率降低33.79~60.28%，而湿拌SAP则为76.91~86.32%；干拌SAP比湿拌条件的总收缩削减率高4.3~5.3%，湿拌SAP在降低早期自收缩效果显著，但也将增加后期的干燥收缩；此外，还构建了水泥基复合材料总收缩率与龄期、SAP掺量、掺加方式的关系模型，为后续SAP内养护水泥基材料研究与应用提供理论与技术依据。

关键词：水泥基复合材料; 内养护; 高吸水性数值 (SAP)；收缩性能;

中图分类号：TU411         文献标识码：A

0 引言

高性能水泥基复合材料(HPCC)具有高韧性、高强度和优良耐久性等优点，如纤维增强水泥基复合材料、超高韧性水泥基复合材料等，已广泛用于高层建筑、公路桥梁等土木基础设施[1]。然而，由于水泥基复合材料剔除了粗骨料，使得其具有更大的收缩率，增加了潜在的开裂风险[2]。在此背景下，通过一系列手段提高HPCC的收缩性能受到了广泛关注。

通常，内养护材料被视为降低混凝土收缩率的高效材料，常用的内养护材料包括高吸水性树脂 (SAP) 、轻集料等，研究指出SAP可将高强混凝土的自收缩率降低90%以上[3]，但可能对力学性能会有不利影响[4]。内养护的减缩研究主要侧重减缩机理，以及材质、掺量对减缩效果的影响[5]。例如，王文彬等[6]研究了不同尺寸、吸水率的SAP对水泥净浆自收缩性能和强度的影响，并指出在一定掺量范围内的SAP对强度不会产生负面的影响；马先伟等[7]研究了两种粒径的SAP对高性能水泥基复合材料的自收缩的影响，并从微观层面解释了SAP对水化产物和水化结构的影响；王宗康等[8]分析了SAP掺量、额外补水率对水泥砂浆干缩率的影响，并发现SAP可以显著减少砂浆的干缩变形。郭瑞等[9]研究了不同陶粒掺量对C30和C60的桥梁混凝土的抗压强度、弹性模量、抗裂性能的影响，但并未涉及收缩性能；郑小波等[10]研究了不同外部养生环境下对基于轻骨料的内养护混凝土的减缩效果。在(超)高性能水泥基复合材料方面，张云升等[11]研究了不同水胶比、不同钢纤维掺量对含粗集料HPCC自收缩率的影响，发现钢纤维可降低23.9~86.5%自收缩；曹世勇[2]研究了不同水胶比下、不同钢纤维对水泥基复合材料1d后的自收缩，发现短钢纤维对自收缩抑制效果并不显著；贺晓宇[4]指出SAP能够将28d抗压强度和抗折强度分别提高7.5%，9.4%，但并未定量分析SAP对收缩的影响；刘志凤[12]通过调整外部养护环境，分析了水泥基复合材料的干缩性能，并指出湿养护可减少早期收缩率，但并未从内养护的角度分析其收缩特性。

由此可见，内养护材料在改善水泥基复合材料的抗收缩性能方面具有较好的效果，国内外研究学者关于水泥基复合材料的研究方面，大都集中在力学强度、抗裂性能等方面，且收缩方面研究大多集中于传统水泥基材料的收缩规律与机理研究方面，而在不同内养护材料的掺入方式对自收缩、总收缩的关系及发展规律方面的研究较少。因此，本文研究内养护材料在不同的掺加方式下，不同掺量对水泥基复合材料的抗压强度、抗折强度以及收缩性能，尤其是自收缩应变及不同工况下对总收缩的影响，以期提高水泥基复合材料的抗收缩性能，为内养护水泥基复合材料的应用建设提供理论及技术依据。

1 原材料及配比

1.1 水泥基材

选择水泥基复合材料所需的干粉是由浙江固邦新材料公司研发和生产，其原材料包括32.5硅酸盐水泥，精细砂(1.6~2.2mm)，一级粉煤灰、聚羧酸减水剂 (减水率为30~35%)。

1.2 纤维

为提高混凝土的抗裂性和韧性，以满足高性能混凝土的建设需求，采用了聚乙烯醇(PVA)纤维，其外观如图1所示，性能参数见表2。其中，采用的规范值源于《混凝土用改性PVA纤维》标准。

表1  PVA的性能参数

图1PVA纤维  图2  SAP内养护材料

1.3 内养护材料

选择聚丙烯酸系高吸水聚合物 (SAP) 作为内养护材料（图2），其具有吸水率高、吸水速率快等优点，在降低水泥基复合材料的收缩性能方面具有显著的效果，主要性能技术指标见表

2。

表2  SAP的性能参数

1.4 拌合水

试验采用的水为生活饮用水，满足水泥基材料的拌合需求。

1.5原材料配合比

为研究不同内养护掺量和掺加方式对水泥基材料收缩性能的影响，同时考察其基本力学性能，本文考虑了SAP的两种掺加方式和三种掺量，其中，掺加方式包括干拌和湿拌，掺量分别为0%，0.05%、0.1%。干拌法是将SAP直接纳入混合材中，通过自身的吸水性调整水泥基材料的水分分布改善收缩性能；而湿拌法则要求对SAP在拌合前进行预吸水，通过引入额外的水来改善水泥基材料的水化作用，减少早期的收缩率。其中，预吸水量可通过Powers公式计算，由于本文中的水胶比为0.31，预吸水量则为0.18×0.31=0.05，故取额外水胶比为0.025和0.050。各相材料的比例见表3。

表3  原材料组成及比例

2 试验方法

2.1 基材制备与成型

高性能水泥基材料的配制采用单轴搅拌机完成。首先将粉体状的水泥基材与精细砂、聚羧酸减水剂搅拌180s；待其充分混合均匀后，将水缓慢加入拌和锅中并同时继续搅拌成型，整个过程持续300s；随后均匀撒入指定质量的PVA纤维，继续拌和使纤维均匀的分散在拌合物中，以确保不发生纤维团聚现象。拌和完成后，根据不同的性能测试规范，将浆体倒入指定规格的模具中；按照《公路工程水泥混凝土试验规程》(JTG 3420 - 2020) (后续简称《规程》) 规定的成型和养生方法，对拌合物进行密实、静置后放于标准条件下养生，养生条件和时间取决于性能试验条件。

2.2 抗压强度试验

为测试不同SAP掺量和掺加方法下的抗压强度，根据《规程》(T 0570-2005)的规定，对上述5个配比成型70.7mm×70.7mm×70.7mm立方体试件，每个配比成型2组试件用于测试7d和28d强度，每组设置三个平行试件；标准养护条件为20±2℃，相对湿度为90%。

2.3 抗折强度试验

为测试不同SAP掺量和掺加方法下的抗折强度，根据《规程》(T 0506-2005)的规定，对上述5个配比成型40mm×40mm×160mm的棱形试件，每个配比成型2组试件用于测试7d和28d强度，每组设置三个平行试件；标准养护条件为20±1℃，相对湿度为95%。

2.4 收缩试验

为测试不同SAP掺量和掺加方法下的收缩特性，根据《规程》(T 0506-2005)的规定，对上述5个配比成型100mm×100mm×400mm的长方体试件，每个配方成型3个平行试件，采用全自动混凝土收缩彭长义测试硬化后28天内的收缩率。其中，硬化前的养生条件为：温度20±3℃，相对湿度为95%，并在其表面用薄膜覆盖防止水分蒸发。24小时后脱模，置于全自动收缩模具中，养护条件为：温度20±2℃，相对湿度为60%；采集频率为30min。

3结果与讨论

3.1 抗压和抗折强度试验

根据立方体抗压强度试验，测得干拌法和湿拌法下及0%，0.05%，0.10%的SAP掺量下水泥基复合材料抗压和抗折强度，如图3和图4所示。结果表明，干拌法下，水泥基复合材料的立方体抗压强度随SAP掺量的增加而增加，且与对照组相比，掺量为0.05、0.10%的SAP将7d抗压强度分别提高了1.12%和4.10%，而将28d抗压强度分别提高了11.3%，16.7%。由此可见，干拌法下，SAP的掺量对7d的抗压强度影响很小，但对28d的抗压强度有一定提升效果。究其原因，可知干拌法下的SAP在拌合初期将会吸收部分水分，减少参与水化反应的有效水分。随着水化反应的进程，SAP将会根据内部的湿度环境缓慢的释放水分，因此对后期的强度有一定改善效果。

图3 不同内养护掺量和掺加方式与抗压强度的关系

图4 不同内养护掺量和掺加方式与抗折强度的关系

而就湿拌法而言，发现随着SAP掺量的增加，水泥基材料的7d抗压强度逐渐降低，降低幅度为4.9~12.3%，但28d强度却逐渐提高，幅度为1.2~3.4%。这与干拌法的结果相反，因为湿拌法将SAP进行了预吸水处理，此时加入的SAP储存了水分，使得在水化初期，随着水化反应的进程，SAP逐渐释放水分，导致拌合物的游离水增加，间接增加了水泥基复合材料的水胶比，从而降低了抗压强度。此外，随着

SAP掺量增加，预吸水率也将增加，释放更多的水分后，将形成更多的孔隙，从而降低早期抗压强度。但湿拌法对28d强度并无有显著影响，这是因为水泥基材料的后期强度主要与总体的水化程度有关。而总体上，抗折强度的发展趋势与抗压强度，其差异性仅体现在数值上。

3.2 收缩试验

根据收缩试验方法，测试试件标准养护条件下的自收缩应变和总收缩值，并研究不同SAP掺量及掺加方式下对收缩率的影响。

3.2.1 自收缩

由自收缩试验结果，可得出两种掺加方式下，SAP掺量与水泥基复合材料收缩率的关系，如图5所示。结果表明，水泥基复合材料的自收缩应变随着时间的增加而增加，且趋势逐渐变缓。从图5(a)可知，7d内的自收缩应变增长速率极快，这是因为SAP吸收了水泥基材料的大量自由水，使得混合料内部的失水率显著下降。不同SAP掺量下3d收缩率变化趋势相近，但随着进一步的水化作用，高SAP掺量下的试验组，其收缩率逐渐趋于平缓，因为随着龄期的增加，SAP内存储的水分逐渐释放至基材，使得后期的自收缩应变增速缓慢，且存储的水分越多，增加越缓慢。

图5 不同SAP掺量下水泥基复合材料的自收缩应变

此外，采用预吸水的SAP掺入方式的试验组呈现出相似的规律，但其产生的收缩削减率更加显著。具体地，未掺入SAP的对照组，其60天自收缩率为492με，两种掺量下的干拌法试验组收缩率分别330 με，213 με，而湿拌法则为97 με，78 με；因此，与对照组相比，干拌法的试验组的60d自收缩削减率为33.79~60.28%，而湿拌法试验组则为76.91~86.32%。而且，就3d收缩而言，湿拌法的可降低81.61~89.6%，而干拌法仅为8.75%。因此，在降低水泥基材料的自收缩方面，预吸水的SAP内养护方式比干拌法更加有效。

3.2.2 总收缩

由收缩试验结果，可得出两种掺加方式下，SAP掺量与水泥基复合材料总收缩率的关系，如图6所示。结果表明，早期总收缩的发展趋势与自收缩类似，差异性体现在后期阶段。干拌方式下SAP的掺入可减少17.6~30.9%的总收缩，而湿拌方式下则可减少13.3~25.6%。尽管湿拌方式能显著的减少自收缩，但在总收缩的削减方面仍然不如干拌法，这是因为湿拌法引入了额外的水，增加了水泥基材料的干燥收缩率。假定水泥基复合材料的收缩率仅包括干燥收缩和自收缩，通过对比不同龄期阶段的减缩效果，发现湿拌方式的SAP水泥基材料的干燥收缩增长主要体现在后期（28d之后）。

图6 不同SAP掺量下水泥基复合材料的总收缩应变

结合图5试验结果，发现SAP不同掺加方式在不同龄期下，其自收缩与总收缩的占比具有显著差异，如图7所示，就干拌法而言，随着SAP掺量的增加，自收缩的比例也逐渐增加，最高于3d时达到76.8%（基准组为47.8%），随着龄期的增加，自收缩的比例逐渐下降，最低于28d时达到20.6%。然而，湿拌法的自收缩率占比却长期分布在9.7~15.9%，且随着掺量的增加，自收缩占比更小。进一步表明湿拌法在降低总收缩的主要机制在于降低自收缩率。

图7 自收缩与总收缩的占比

3.2.3 收缩预估

由收缩试验结果可知，不同龄期下水泥基复合材料的总收缩率呈现非线性关系，且不同掺量下、不同掺加方式下的趋势非常接近，由于收缩性能对水泥基复合材料具有重要影响，且不同SAP掺量下开展室内试验及长期的观测将耗费大量的时间，不利于工程的进一步推进。为此，本文基于上述试验数据，通过非线性拟合，得出了总收缩率与养护龄期的关系 (图8)，拟合结果见表3。因此，上述分别得出了干拌法和湿拌法下，干燥收缩与养护龄期、SAP掺量的非线性关系。根据此预估模型，可得到不同掺量下任一时刻水泥基复合材料的收缩率，为后续研究提供参考。

图8 总收缩的拟合结果

表3 总收缩与龄期、SAP掺量的关系

注：x-龄期 /d，y-总收缩率 /με。

4  工程应用

基于本研究的试验成果，综合考虑力学性能、收缩削减效果以及工程经济效益等因素，选择干掺法、SAP掺量为1%作为工程混凝土配合比设计方案，根据项目组的施工组织设计方案， 将该混凝土用于山东省济泺路穿黄隧道北延项目-原S101改扩建工程互通立交桥桥梁下部结构承台、墩身工程，如图9所示。施工过程中水泥基混合材料的拌合物质量稳定，工作性能良好。通过对浇筑后的结构物进行表面检测，发现与传统的混凝土相比，基于内养护的水泥基复合材料具有更良好的抗收缩性能，下一步将着重关注其抗裂性、抗腐蚀等性能。总体上，本文的研究结论对内养护水泥基复合材料应用具有一定的指导作用。

图9 工程应用——S101改扩建工程立交桥项目

5 结论

本文研究了不同SAP掺入方式、掺量对水泥基复合材料性能的影响，采用全自动收缩仪重点关注其自收缩、总收缩性能，主要结论如下：

（1）干拌法下SAP的掺量对7d的抗压强度影响很小，但可将28d的抗压强度提高11.3~16.7%；而湿拌法下，随着SAP掺量的增加，水泥基材料的7d抗压强度将降低4.9~12.3%，但28d强度却影响很小；抗折强度的发展趋势与抗压强度类似，差异性主要体现在数值上。

（2）与对照组相比，干拌SAP试验组的60d自收缩削减率为33.79~60.28%，而湿拌法则为76.91~86.32%；此外，就3d自收缩而言，湿拌法的可降低81.61~89.6%，而干拌法仅为8.75%；在降低水泥基材料的自收缩方面，湿拌法内养护方式更加有效，尤其是早期自收缩率。

（3）干拌SAP试验组可减少17.6~30.9%的总收缩，而湿拌法则为13.3~25.6%；湿拌法主要降低早期的自收缩，但也将增加后期的干燥收缩增长率。

（4）掺入SAP的水泥基复合材料的总收缩与龄期的关系复合指数关系，构建的总收缩预估模型可为后续SAP内养护水泥基复合材料的研究与应用提供理论与技术依据。

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