一种基于吸水树脂的多孔混凝土蠕变性能试验研究

任俊儒 程华 杨朝山 刘祥沛

摘      要：介绍了一种基于吸水树脂的多孔混凝土（SFIC）材料及其制备原理，进行抗压性能试验和90 d蠕变性能试验，并与普通混凝土进行对比，分析在不同荷载作用下的蠕变行为。结果表明：SFIC弹性模量约为普通混凝土的1/3，应力变形曲线有明显的残余应力平台;SFIC和普通混凝土在的蠕变变形在90 d基本收敛，SFIC蠕变变形更显著且与荷载水平、弹性模量密切相关。采用蠕变度、蠕变系数对SFIC的蠕变行为进行分析，并对长期蠕变系数进行了拟合预测。

关  键  词：吸水树脂;多孔混凝土;蠕变;抗压性能

中图分类号：TQ 178       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2019）09-1964-04

Abstract： A new cellular concrete with millimeter-size saturated SAP （SFIC） was introduced. The compressive behavior and 90-day creep behavior of SFIC and corresponding ordinary concrete （PC） were investigated under different loadings. The results indicated that SFIC acquired smaller elastic modulus approaching to 1/3 of PC and higher residual stress. The creep deformation of both concretes fundamentally remained stable at 90d. The creep degree and creep coefficient were calculated and fitted to predict the further creep of SFIC.

Key words： Super absorbent polymer; Cellular concrete; Creep; Compressive behavior

混凝土材料是岛礁工程建设中应用最为广泛的建筑材料，但从大陆长距离运输粗骨料导致混凝土成本奇高。鉴于此，通过利用大粒径（≥4 mm）、高破力球形吸水树脂（SAP）在吸水饱和后形状规则，粒径、数量可控的特点，在混凝土中代替碎石粗骨料形成一种新型多孔混凝土（以下简称SFIC）。如图1[1]所示，SAP颗粒（0.5～1 mm）预先置于盐溶液中吸水饱和，随后直接与水泥砂浆进行搅拌，类似于轻骨料混凝土中作为骨料使用。在养护过程中SAP逐渐脱水收缩，最终在SFIC内部形成球形孔洞。特别是，在SAP脱水过程中，周边水泥胶凝体实现二次水化增强[2]。通过这种技术可在SFIC内部形成可调控孔大小、分布、间距的多孔结构，不仅可以实现混凝土原材料的运输减量，还可以实现结构功能一体化。

本文设计了SAP体积分数20%的SFIC及C30普通混凝土试件，通过抗压强度试验和不同荷载大小作用下的单轴压缩蠕变试验，分析SFIC在恒载作用下的变形情况，研究考虑蠕变变形影响下的SFIC承受荷载的与蠕变应变关系，分析SFIC蠕变性能与普通混凝土蠕变性能的差异。

1  试验设计

1.1  原材料

水泥：普通硅酸盐水泥（OPC），比表面积318 m2/kg，硫铝酸盐水泥（SAC），比表面积279 m2/kg，两种水泥标号均为42.5;细骨料：中砂（S），细度模数为2.74;粗骨料（G）：连续级配碎石，粒径5～35 mm;硅灰（SF）：比表面积25 m2/g，SiO2含量大于90%;拌合水（W）：普通混凝土为自来水，SFIC为NaCl溶液（浓度1 mol/L）;聚丙烯纤维（PP）：长度12 mm，0.91 g/cm3，抗拉强度382 MPa。减水剂（SP）：聚羧酸高效减水剂[3]，减水效率大于25%，预先溶解在拌合水中。

如图2所示，本文使用的SAP在干燥状态粒径约0.5～1 mm，在1 mol/L NaCl溶液中吸液飽和后约为4～6 mm。与常规用于混凝土抗裂的粉状SAP（粒径<500 μm）相比，此SAP交联密度高，破力强度高，吸水速度和吸水率较低，保水性强，在混凝土搅拌过程中不易破碎，可代替普通粗集料。

1.2  试验方法

1.2.1  混凝土制备方法

针对SFIC，将SAP预先浸泡在1 mol/L的NaCl溶液中至达到预计尺寸，随后与拌合水以及预拌好不含粗骨料的混凝土干料进行搅拌，均匀后置于模具中，轻微振捣。两种材料的配合比如表1所示。养护28 d后测试，SFIC的立方体抗压强度为31.1 MPa，PC抗压强度为32.0 MPa。

1.2.2  静力性能测试

制作混凝土试件尺寸为150 mm×150 mm×300 mm，采用2 000 kN量程的INSTRON伺服压力机加载。采用位移控制，加载速度为0.005 mm/s，通过试验机记录荷载和位移，采样频率为4 Hz。试件及试验机如图3所示。

1.2.3  蠕变性能测试

根据标准[4]要求，试验试件尺寸为100 mm× 100 mm×400 mm，试件固定在混凝土弹簧式蠕变仪上，采用手动千斤顶和力传感器配合进行加载，千分表进行变形测量。在试件的一组对面分别粘贴2个铜座固定千分表以确定测量标距，标距定为200 mm。试验设计如图4所示。

加载设计三种工况，加载后试件应力分别为抗压强度的40%，50%和60%，荷载即为108，135和162 kN。加载前首先施加预定荷载的20%进行预压，通过千分表检验试件对中情况，若两侧的变形差值小于变形平均值的10%即可认为对中合格。随后继续加载至预定值，并在1 min内读取变形值，将平均值作为初始值。最后固定好蠕变仪，在长期观测中要注意试件是否偏移，若量测变形值相差超过平均值的10%，应进行调整。

加载后对试件进行90 d的蠕变行为测量：前7 d每天记录变形值;7 d后每3 d记录一次，28 d后，每7 d观测一次;56 d后每14 d观察一次。试验持续90 d，共获得18组数据。

2  试验结果分析

2.1  应力-变形关系分析

对2种混凝土共6个试件进行试验后得到SFIC和普通混凝土峰值应力、峰值应变和弹性模量值如表2所示。

从试验结果可以看出：SFIC比普通混凝土变形更大，峰值应变约为普通混凝土的两倍，弹性模量约为普通混凝土的1/3;SFIC具有与混凝土类似的脆性材料的破坏特征，延性方面弱于普通混凝土材料;在达到峰值应力后，SFIC曲线下降段斜率更大，承载力下降更快;当应力下降至峰值应力的40%左右时，SFIC曲线出现稳定的残余应力平台，并随变形增大产生微小增长，能使混凝土在大变形条件下保持一定的承载能力（图5）。

2.2  时间-蠕变应变关系分析

如图6所示为试验期内各工况下不同试件蠕变应变曲线。从曲线可以看出，SFIC表现出与普通混凝土相类似的蠕变特征：两种混凝土材料的蠕变在t≤20 d时增长迅速，40 d后增速放缓并逐渐稳定。但是，SFIC的蠕变在变形速度和大小方面都明显大于普通混凝土，可见SFIC内部孔隙结构影响了长期荷载作用下的变形性能。

影响混凝土蠕变的因素很多，一般包括混凝土材料组成性质和含量、几何尺寸、荷载及服役环境等[5]。SFIC和普通混凝土蠕变变形均约为弹性变形的15%左右，相差并不明显，但由于SFIC的弹性模量明显小于普通混凝土，导致SFIC弹性变形会更大，也造成了SFIC较大的蠕变变形，说明随着弹性模量降低，弹性变形增加，蠕变变形也增加。

SFIC的蠕变性能受荷载水平影响明显，荷载越大，蠕变应变越大。弹性模量导致的蠕变变形差异是材料本身性质所决定的，荷载水平导致的蠕变变形差异是使用条件造成的。这两种因素导致的蠕变变形均可以将弹性变形作为计算蠕变变形的基础，并应将SFIC的蠕变应变考虑到结构构件的变形分析当中，否则蠕变应变会导致SFIC变形过大。

3  SFIC蠕变系数预测

蠕变行为是一个长期的过程，国家标准中对混凝土蠕变性能的观测一般为3 a。由于试验条件限制，通过试验发现SFIC与普通混凝土在90 d后蠕变速度明显降低，变形趋于平稳。因此可以采用试验数据，对SFIC的長期蠕变性能进行预测。

蠕变性能可以通过蠕变应变、蠕变度和蠕变系数来表示，基于试验结果计算如下：

普通混凝土蠕变应变计算方法为[4]：

蠕变度的计算方法为：

根据式1-3得到SFIC蠕变度和蠕变系数值如表3所示。

蠕变度是描述应力对蠕变的影响的，而蠕变系数主要反映变形对蠕变的影响，二者均与时间密切相关。从试验结果可以看出，SFIC与普通混凝土蠕变系数相差不大，而蠕变度相差较为明显。蠕变度与弹性模量密切相关，弹性模量低，蠕变变形大，蠕变度低;反之弹性模量高，蠕变变形也相对较低，蠕变度较高。蠕变系数是以弹性变形为基础，SFIC与普通混凝土蠕变系数相差不大，说明两种混凝土蠕变机理相近。

根据蠕变曲线可以看出，90 d后蠕变应变增长量逐渐趋于稳定，蠕变与时间呈现出良好的对数关系，据此对90d试验数据进行数学拟合如式（4）所示。

利用式4预测3年后的SFIC的蠕变情况表明：40%，50%和60%三种工况下蠕变应变分别为195， 272和288 με，蠕变度分别为1.81×10-5，2.01×10-5和1.77×10-5 MPa，蠕变系数分别为0.267，0.289和0.214，与90 d试验结果相近。

4  结 论

（1）SFIC在峰值应力、应变均与普通混凝土相差不大，但弹性模量约为普通混凝土的1/3。SFIC应力下降趋势更明显，斜率大，能保持更高的残余应力。

（2）SFIC的蠕变性能与普通混凝土相似，但蠕变量明显大于普通混凝土。蠕变变形与弹性变形密切相关，不同荷载作用下蠕变变形的差异也主要来自于弹性变形的不同。

（3）SFIC和普通混凝土在90 d后蠕变变形趋于稳定，数学拟合方法预测3 a的蠕变应变增加不大，符合蠕变变形特征，可以利用拟合公式进行不同持荷时间蠕变计算。

参考文献：

[1] Deng Z ， Cheng H ， Wang Z ， et al. Compressive behavior of the cellular concrete utilizing millimeter-size spherical saturated SAP under high strain-rate loading[J]. Construction and Building Materials， 2016， 119：96-106

[2] Wang F ， Yang J ， Cheng H ， et al. Study on the Mechanism of Desorption Behavior of Saturated Sap in Concrete[J]. ACI Materials Journal， 2015， 112（3）：463-470.

[3] 荀武举， 吴长龙， 辛德胜， 等. 聚羧酸系高性能减水剂的研究现状与展望[J]. 当代化工， 2011， 40（2）.

[4] GB/T 50082-2009， 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准[S]. 北京： 中国建筑工业出版社， 2009

[5] 惠荣炎， 黄国兴， 易若冰. 混凝土的徐变[M]. 北京： 中国铁道出版社， 1988.