一種基于吸水樹脂的多孔混凝土蠕變性能試驗研究

任俊儒 程華 楊朝山 劉祥沛

摘? ? ? 要：介紹了一種基于吸水樹脂的多孔混凝土（SFIC）材料及其制備原理，進行抗壓性能試驗和90 d蠕變性能試驗，并與普通混凝土進行對比，分析在不同荷載作用下的蠕變行為。結(jié)果表明：SFIC彈性模量約為普通混凝土的1/3，應(yīng)力變形曲線有明顯的殘余應(yīng)力平臺;SFIC和普通混凝土在的蠕變變形在90 d基本收斂，SFIC蠕變變形更顯著且與荷載水平、彈性模量密切相關(guān)。采用蠕變度、蠕變系數(shù)對SFIC的蠕變行為進行分析，并對長期蠕變系數(shù)進行了擬合預(yù)測。

關(guān)? 鍵? 詞：吸水樹脂;多孔混凝土;蠕變;抗壓性能

中圖分類號：TQ 178? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ?文章編號： 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

混凝土材料是島礁工程建設(shè)中應(yīng)用最為廣泛的建筑材料，但從大陸長距離運輸粗骨料導(dǎo)致混凝土成本奇高。鑒于此，通過利用大粒徑（≥4 mm）、高破力球形吸水樹脂（SAP）在吸水飽和后形狀規(guī)則，粒徑、數(shù)量可控的特點，在混凝土中代替碎石粗骨料形成一種新型多孔混凝土（以下簡稱SFIC）。如圖1[1]所示，SAP顆粒（0.5～1 mm）預(yù)先置于鹽溶液中吸水飽和，隨后直接與水泥砂漿進行攪拌，類似于輕骨料混凝土中作為骨料使用。在養(yǎng)護過程中SAP逐漸脫水收縮，最終在SFIC內(nèi)部形成球形孔洞。特別是，在SAP脫水過程中，周邊水泥膠凝體實現(xiàn)二次水化增強[2]。通過這種技術(shù)可在SFIC內(nèi)部形成可調(diào)控孔大小、分布、間距的多孔結(jié)構(gòu)，不僅可以實現(xiàn)混凝土原材料的運輸減量，還可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能一體化。

本文設(shè)計了SAP體積分數(shù)20%的SFIC及C30普通混凝土試件，通過抗壓強度試驗和不同荷載大小作用下的單軸壓縮蠕變試驗，分析SFIC在恒載作用下的變形情況，研究考慮蠕變變形影響下的SFIC承受荷載的與蠕變應(yīng)變關(guān)系，分析SFIC蠕變性能與普通混凝土蠕變性能的差異。

1? 試驗設(shè)計

1.1? 原材料

水泥：普通硅酸鹽水泥（OPC），比表面積318 m2/kg，硫鋁酸鹽水泥（SAC），比表面積279 m2/kg，兩種水泥標號均為42.5;細骨料：中砂（S），細度模數(shù)為2.74;粗骨料（G）：連續(xù)級配碎石，粒徑5～35 mm;硅灰（SF）：比表面積25 m2/g，SiO2含量大于90%;拌合水（W）：普通混凝土為自來水，SFIC為NaCl溶液（濃度1 mol/L）;聚丙烯纖維（PP）：長度12 mm，0.91 g/cm3，抗拉強度382 MPa。減水劑（SP）：聚羧酸高效減水劑[3]，減水效率大于25%，預(yù)先溶解在拌合水中。

如圖2所示，本文使用的SAP在干燥狀態(tài)粒徑約0.5～1 mm，在1 mol/L NaCl溶液中吸液飽和后約為4～6 mm。與常規(guī)用于混凝土抗裂的粉狀SAP（粒徑<500 μm）相比，此SAP交聯(lián)密度高，破力強度高，吸水速度和吸水率較低，保水性強，在混凝土攪拌過程中不易破碎，可代替普通粗集料。

1.2? 試驗方法

1.2.1? 混凝土制備方法

針對SFIC，將SAP預(yù)先浸泡在1 mol/L的NaCl溶液中至達到預(yù)計尺寸，隨后與拌合水以及預(yù)拌好不含粗骨料的混凝土干料進行攪拌，均勻后置于模具中，輕微振搗。兩種材料的配合比如表1所示。養(yǎng)護28 d后測試，SFIC的立方體抗壓強度為31.1 MPa，PC抗壓強度為32.0 MPa。

1.2.2? 靜力性能測試

制作混凝土試件尺寸為150 mm×150 mm×300 mm，采用2 000 kN量程的INSTRON伺服壓力機加載。采用位移控制，加載速度為0.005 mm/s，通過試驗機記錄荷載和位移，采樣頻率為4 Hz。試件及試驗機如圖3所示。

1.2.3? 蠕變性能測試

根據(jù)標準[4]要求，試驗試件尺寸為100 mm× 100 mm×400 mm，試件固定在混凝土彈簧式蠕變儀上，采用手動千斤頂和力傳感器配合進行加載，千分表進行變形測量。在試件的一組對面分別粘貼2個銅座固定千分表以確定測量標距，標距定為200 mm。試驗設(shè)計如圖4所示。

加載設(shè)計三種工況，加載后試件應(yīng)力分別為抗壓強度的40%，50%和60%，荷載即為108，135和162 kN。加載前首先施加預(yù)定荷載的20%進行預(yù)壓，通過千分表檢驗試件對中情況，若兩側(cè)的變形差值小于變形平均值的10%即可認為對中合格。隨后繼續(xù)加載至預(yù)定值，并在1 min內(nèi)讀取變形值，將平均值作為初始值。最后固定好蠕變儀，在長期觀測中要注意試件是否偏移，若量測變形值相差超過平均值的10%，應(yīng)進行調(diào)整。

加載后對試件進行90 d的蠕變行為測量：前7 d每天記錄變形值;7 d后每3 d記錄一次，28 d后，每7 d觀測一次;56 d后每14 d觀察一次。試驗持續(xù)90 d，共獲得18組數(shù)據(jù)。

2? 試驗結(jié)果分析

2.1? 應(yīng)力-變形關(guān)系分析

對2種混凝土共6個試件進行試驗后得到SFIC和普通混凝土峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變和彈性模量值如表2所示。

從試驗結(jié)果可以看出：SFIC比普通混凝土變形更大，峰值應(yīng)變約為普通混凝土的兩倍，彈性模量約為普通混凝土的1/3;SFIC具有與混凝土類似的脆性材料的破壞特征，延性方面弱于普通混凝土材料;在達到峰值應(yīng)力后，SFIC曲線下降段斜率更大，承載力下降更快;當應(yīng)力下降至峰值應(yīng)力的40%左右時，SFIC曲線出現(xiàn)穩(wěn)定的殘余應(yīng)力平臺，并隨變形增大產(chǎn)生微小增長，能使混凝土在大變形條件下保持一定的承載能力（圖5）。

2.2? 時間-蠕變應(yīng)變關(guān)系分析

如圖6所示為試驗期內(nèi)各工況下不同試件蠕變應(yīng)變曲線。從曲線可以看出，SFIC表現(xiàn)出與普通混凝土相類似的蠕變特征：兩種混凝土材料的蠕變在t≤20 d時增長迅速，40 d后增速放緩并逐漸穩(wěn)定。但是，SFIC的蠕變在變形速度和大小方面都明顯大于普通混凝土，可見SFIC內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)影響了長期荷載作用下的變形性能。

影響混凝土蠕變的因素很多，一般包括混凝土材料組成性質(zhì)和含量、幾何尺寸、荷載及服役環(huán)境等[5]。SFIC和普通混凝土蠕變變形均約為彈性變形的15%左右，相差并不明顯，但由于SFIC的彈性模量明顯小于普通混凝土，導(dǎo)致SFIC彈性變形會更大，也造成了SFIC較大的蠕變變形，說明隨著彈性模量降低，彈性變形增加，蠕變變形也增加。

SFIC的蠕變性能受荷載水平影響明顯，荷載越大，蠕變應(yīng)變越大。彈性模量導(dǎo)致的蠕變變形差異是材料本身性質(zhì)所決定的，荷載水平導(dǎo)致的蠕變變形差異是使用條件造成的。這兩種因素導(dǎo)致的蠕變變形均可以將彈性變形作為計算蠕變變形的基礎(chǔ)，并應(yīng)將SFIC的蠕變應(yīng)變考慮到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形分析當中，否則蠕變應(yīng)變會導(dǎo)致SFIC變形過大。

3? SFIC蠕變系數(shù)預(yù)測

蠕變行為是一個長期的過程，國家標準中對混凝土蠕變性能的觀測一般為3 a。由于試驗條件限制，通過試驗發(fā)現(xiàn)SFIC與普通混凝土在90 d后蠕變速度明顯降低，變形趨于平穩(wěn)。因此可以采用試驗數(shù)據(jù)，對SFIC的長期蠕變性能進行預(yù)測。

蠕變性能可以通過蠕變應(yīng)變、蠕變度和蠕變系數(shù)來表示，基于試驗結(jié)果計算如下：

普通混凝土蠕變應(yīng)變計算方法為[4]：

蠕變度的計算方法為：

根據(jù)式1-3得到SFIC蠕變度和蠕變系數(shù)值如表3所示。

蠕變度是描述應(yīng)力對蠕變的影響的，而蠕變系數(shù)主要反映變形對蠕變的影響，二者均與時間密切相關(guān)。從試驗結(jié)果可以看出，SFIC與普通混凝土蠕變系數(shù)相差不大，而蠕變度相差較為明顯。蠕變度與彈性模量密切相關(guān)，彈性模量低，蠕變變形大，蠕變度低;反之彈性模量高，蠕變變形也相對較低，蠕變度較高。蠕變系數(shù)是以彈性變形為基礎(chǔ)，SFIC與普通混凝土蠕變系數(shù)相差不大，說明兩種混凝土蠕變機理相近。

根據(jù)蠕變曲線可以看出，90 d后蠕變應(yīng)變增長量逐漸趨于穩(wěn)定，蠕變與時間呈現(xiàn)出良好的對數(shù)關(guān)系，據(jù)此對90d試驗數(shù)據(jù)進行數(shù)學(xué)擬合如式（4）所示。

利用式4預(yù)測3年后的SFIC的蠕變情況表明：40%，50%和60%三種工況下蠕變應(yīng)變分別為195， 272和288 με，蠕變度分別為1.81×10-5，2.01×10-5和1.77×10-5 MPa，蠕變系數(shù)分別為0.267，0.289和0.214，與90 d試驗結(jié)果相近。

4? 結(jié) 論

（1）SFIC在峰值應(yīng)力、應(yīng)變均與普通混凝土相差不大，但彈性模量約為普通混凝土的1/3。SFIC應(yīng)力下降趨勢更明顯，斜率大，能保持更高的殘余應(yīng)力。

（2）SFIC的蠕變性能與普通混凝土相似，但蠕變量明顯大于普通混凝土。蠕變變形與彈性變形密切相關(guān)，不同荷載作用下蠕變變形的差異也主要來自于彈性變形的不同。

（3）SFIC和普通混凝土在90 d后蠕變變形趨于穩(wěn)定，數(shù)學(xué)擬合方法預(yù)測3 a的蠕變應(yīng)變增加不大，符合蠕變變形特征，可以利用擬合公式進行不同持荷時間蠕變計算。

參考文獻：

[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] 荀武舉， 吳長龍， 辛德勝， 等. 聚羧酸系高性能減水劑的研究現(xiàn)狀與展望[J]. 當代化工， 2011， 40（2）.

[4] GB/T 50082-2009， 普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準[S]. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社， 2009

[5] 惠榮炎， 黃國興， 易若冰. 混凝土的徐變[M]. 北京： 中國鐵道出版社， 1988.