基于压汞试验的SAP混凝土孔结构特征

郭耀华， 丁红岩,2,3， 张浦阳,2， 张 磊(.天津大学 建筑工程学院， 天津 300072；2.天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室， 天津 300072；3.天津大学 滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室， 天津 300072)

高吸水性树脂也被称为超强吸水性聚合物(SAP)，是一种多功能高分子材料.在土木工程领域，可将SAP作为一种新型的混凝土外加剂来改善混凝土的性能.SAP作为低水灰比混凝土的内养护材料[1-2]，能够有效地减小混凝土水化过程中的收缩及开裂[3-4]；SAP还可以作为引气剂，以提高混凝土的抗冻融性能[5-6].既有研究[7-8]表明，SAP可提高混凝土的抗渗、抗氯离子和硫酸盐侵蚀性能.关于SAP对于混凝土强度的影响，研究结果存在较大差异.文献[9-10]表明，SAP的掺加会使混凝土的早期和后期强度有所降低，但是文献[11-13]表明，SAP的掺加会提高混凝土的后期强度，其原因是高吸水性树脂释放出的水可使水泥充分水化.

SAP在混凝土搅拌过程中会迅速吸收水分形成水腔，并在混凝土水化过程中会逐步释放出来，而SAP释放水分后会在混凝土中留下相应的气孔结构，进而影响混凝土的各项性能.由此可见，对掺加SAP的混凝土孔隙特征进行研究具有重要意义.本文基于压汞试验，采用干拌方法拌制SAP混凝土，对不同配合比和不同SAP掺量的混凝土进行分批试验，测定各组试样的孔隙特征参数，以分析SAP对混凝土孔隙特征及抗压强度的影响.

1 试验

SAP混凝土孔隙特征参数可采用压汞法获取.试验选用的SAP粒径为297μm(50目，H50)，150μm(100目，H100)，其性能指标见表1.混凝土的配合比见表2，其中水泥为42.5硅酸盐水泥，砂为粒径0.25～0.50mm的中砂，石子为5～6mm连续级配碎石，水为自来水.额外引水量根据文献[14]确定，试样编号见表3.由于SAP的吸水性极强，容易团聚，很难搅拌，因此，本文采用干拌方法进行搅拌.先将SAP与水泥、砂、石一同放入搅拌机，干搅1min，使其均匀，再用喷洒的方式将水分3次均匀、缓慢加入搅拌机搅拌.

表1 SAP的性能指标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 试样编号Table 3 Experimental scheme of micro-pore structure concrete

2 比孔容积和孔隙率的测定

2.1 比孔容积

压汞试验中的比孔容积(mL/g)是指在一定外力作用下进入试样中的液态汞质量与试样质量的比值[15-16].图1为试样比孔容积与SAP掺量的关系.由图1可以看出，SAP的掺加对试样比孔容积影响明显.随着SAP掺量的增加，试样比孔容积整体上呈现增大趋势，且配合比P1的比孔容积明显大于配合比P2的比孔容积，P1-50的比孔容积大于P1-100的比孔容积，P2-100的比孔容积大于P2-50的比孔容积.图2为试样28d抗压强度与比孔容积的关系.从图2可以看出，随着比孔容积的增大，试样的抗压强度整体上呈现下降趋势.

图1 比孔容积与SAP掺量的关系Fig.1 Relationship between specific pore volume and SAP content

图2 试样28d抗压强度与比孔容积的关系Fig.2 Relationship between specific pore volume and 28d compressive strength

2.2 孔隙率

图3为试样孔隙率与SAP掺量的关系.从图3可以看出，随着SAP掺量的增加，试样的孔隙率整体上呈现增大趋势，其中配合比P1的孔隙率明显大于配合比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，这说明在不同的配合比中SAP粒径对孔隙率的影响不尽相同.图4为试样抗压强度与孔隙率的关系.从图4可以看出，试样的抗压强度随着孔隙率的增加整体上呈现下降趋势，说明抗压强度对孔隙率的变化比较敏感.

图3 试样孔隙率与SAP掺量的关系Fig.3 Relationship between porosity and SAP content

图4 试样抗压强度与孔隙率的关系Fig.4 Relationship between porosity and compressive strength

3 孔径分布的测定

3.1 最可几孔径

试样的孔径分布可通过压汞试验的微分曲线进行表征，其中微分曲线峰值为最可几孔径，表示试样中此孔径的孔隙数量最大.图5为试样最可几孔径与SAP掺量的关系.从图5可以看出，SAP对试样最可几孔径影响明显.随着SAP掺量的增加，试样最可几孔径整体上呈现增大趋势.配合比P1的最可几孔径明显大于配合比P2的最可几孔径，说明配合比对最可几孔径影响明显.在配合比P1中，P1-50的最可几孔径大于P1-100的最可几孔径；在配合比P2中，P2-100的最可几孔径大于P2-50的最可几孔径，这说明在不同的配合比中SAP粒径对最可几孔径的影响不尽相同.图6为试样抗压强度与最可几孔径的关系.从图6可以看出，随着最可几孔径的增大，试样的抗压强度整体上呈现减小趋势.

图5 试样最可几孔径与SAP掺量的关系Fig.5 Relationship between the most probable pore size and SAP content

图6 试样抗压强度与最可几孔径的关系Fig.6 Relationship between the most probable pore size and the compressive strength

3.2 孔隙的分级

为了进一步分析SAP对混凝土中不同孔径孔隙率的影响，将孔隙按照孔径的大小分为5个等级：5～10nm，10～100nm，100～1000nm，1000～10000nm， 10000～360000nm.对各试样中不同孔径的孔隙率进行统计分析，结果如图7所示.

图7 试样不同孔径的孔隙率Fig.7 Porosity at different pore size levels

由图7可见，5～10nm的孔隙率较小，此类孔径的孔隙主要为水泥凝胶体间的缝隙，对混凝土的各项性能影响不大；10～100nm的孔隙率最大，且随着SAP掺量的增加，其孔隙率整体上呈现增大趋势，此类孔级的孔隙为毛细孔，对混凝土后期性能有较大影响；100～1000nm的孔隙率也较大，而且随着SAP掺量的增加而增大.由图7还可见，SAP掺量对配合比P1中1000～10000nm的孔隙率影响不大，而对配合比P2中1000～10000nm的孔隙率影响较大，且随着SAP掺量的增加而增大.

由于5～10nm，10000～360000nm的孔隙所占比例很小，因此，本文将这类孔隙进一步划分为3个等级：<0.1μm，0.1～1.0μm，>1.0μm.图8为试样抗压强度与孔隙率的关系.从图8可以看出，随着孔隙率的增大，试样抗压强度整体上呈现减小趋势，其中<0.1μm，0.1～1.0μm的孔隙率与抗压强度之间的相关系数较大，分别为0.8437，0.9004，而>1.0μm 的孔隙率与抗压强度之间的相关系数较小，仅为0.1043，说明抗压强度与<1.0μm的孔隙的相关性更大.

图8 试样抗压强度与孔隙率的关系Fig.8 Relationship between compressive strength and porosity at different pore size levels

4 结论

(1)试样的比孔容积、孔隙率、最可几孔径与SAP掺量正相关，随着SAP掺量的增加，试样的比孔容积、孔隙率和最可孔径呈增大趋势.

(2)掺加SAP后，试样的抗压强度与比孔容积、孔隙率、最可几孔径负相关，随着比孔容积、孔隙率、最可几孔径的增加，试样的抗压强度呈减小趋势.

(3)随着SAP掺量的增加，<0.1μm，0.1～1.0μm 的孔隙率整体上呈现增大的趋势，而> 1.0μm 的孔隙率与SAP掺量无明显的相关性；试样抗压强度随着<0.1μm，0.1～1.0μm孔隙率的增大整体上呈现减小趋势.

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