李 强,覃 潇,蔡正森

(1.广东华路交通科技有限公司，广东 广州 510420；2.佛山科学技术学院 交通与土木建筑学院绿色高性能土木工程团队，广东 佛山 528225)

0 引言

我国水泥混凝土桥面整体化层常存在不同程度的早期开裂问题，不仅增大自身耐久性劣化风险，严重时还会对结构承载能力造成影响，增加工程维修成本[1-2]。桥面整体化层在铺装层铺筑前均暴露于大气中，铺筑后极易在内部水化反应及蒸发双重作用下迅速丧失水分，从而产生早期自收缩、干缩微裂纹[3-4]。SAP自养护技术目前被认为是最具前景的水泥基材料抗裂减缩技术之一，自养护剂SAP能够在早期持续释水以维持混凝土内部的高湿状态，减小收缩微裂纹，增强胶凝材料密实度及水化程度[5-7]。

SAP自养护剂在水泥基材料中产生的释水残留孔对孔隙率的增加作用与其水化填充作用之间的权衡性是决定其自养护效果的关键，同时也是影响力学性能与收缩特性之间权衡关系的重要因素。已有研究在自养护水泥基材料力学性能、耐久性、收缩性和抗裂性能等宏观性能方面均存在一定研究[8-12]，但缺乏对各项性能的综合权衡与决策，难以科学选择自养护桥面水泥基材料设计参数。

为充分发挥SAP在桥面水泥基材料中的自养护效果，本文对不同水灰比、SAP粒径及SAP掺量的水泥砂浆试件在3～28 d龄期内的抗折强度、抗压强度及收缩率变化规律进行了深入分析。通过混合型多指标灰靶决策模型，对各试验组靶心距进行求解，从而得出不同水灰比下的最佳自养护参数范围，为SAP自养护技术在工程中的应用奠定了基础。

1 试验概况

1.1 原材料与配合比

水泥选用PO42.5普通硅酸盐水泥，密度为3.15 g/cm3。粗骨料为广东省清远市晟兴石场生产的反击破石灰岩碎石，最大公称粒径为19 mm，分为4.75～9.5 mm和9.5～19 mm两档，两档料的比例为2∶8。细集料为广东省清远市北江河砂，中砂，细度模数为2.71，含泥量为0.6%，表观密度为2.625 g/cm3。减水剂采用JB-ZSC型聚羧酸高性能减水剂，减水率为26%。

自养护剂选用不规则白色粉末状的超吸水性聚合物(SAP)，分子式为(C3H3NaO2)n，其在吸水泥浆液后的细观形貌见图1。SAP包括380～830 μm(Sap-20)，180～380 μm(Sap-40)和120～150 μm(Sap-100)这3种粒径。

图1 不同粒径SAP吸水泥浆液后的形貌

表1 SAP自养护剂主要技术指标Table1 TechnicalindexesofSAPself-curingagentSAP类型去离子水中的吸液倍率/(g·g-1)0.9%盐溶液中的吸液倍率/(g·g-1)密度/(g·cm-3)pH聚丙烯酸钠盐类450～55070～1000.93～1.15.5～6.8

试验用水泥砂浆水灰比为0.31和0.37两种。Powers理论提出，当水灰比低于0.42时水泥不能完全水化。基于Powers理论，国内外学者提出了理论自养护引水量WIC的计算方法，如式(1)所示，WIC/C代表自养护所需加入的额外水灰比。

WIC/C=0.18(W/C),W/C≤0.36

WIC/C=0.42-W/C，0.36≤W/C≤0.42

(1)

基于式(1)及SAP加入新拌水泥浆液中30 min时的实测吸液倍率，确定自养护砂浆配合比方案，如表2所示。

为使SAP在砂浆中分散均匀，制定的拌和步骤如下：细集料、水泥干拌20 s(第一步)+加SAP粉末干拌30 s(第二步)+加水、减水剂、自养护水湿拌90 s(第三步)。

1.2 SAP自养护砂浆性能设计指标

3 d龄期前是水泥基材料强度形成的最关键时期，而SAP自养护的时效发挥正是在水泥基材料初凝后至3 d龄期范围内，作用在于抑制水泥基材料早期微裂缝，减少原始损伤，并促进水泥水化，间接增强服役期强度及耐久性。另外，养护龄期内收缩率的平稳程度同样对强度及耐久性有重要影响。因此在砂浆配合比优选过程中，选择3 d收缩率(St)、14～28d综合收缩率(St区间)、28 d抗折强度(Rf)以及28 d抗压强度(Rc)作为设计指标。

表2 SAP自养护砂浆配合比试验方案Table2 MixproportiontestplanofSAPself-curingmortar水灰比SAP30min吸水泥浆液倍率gwater/gsapSAP掺量/(占水泥的质量比例%)Wic用量/(占水泥的质量比例%)水泥:砂:减水剂基准组———①0.050.023Sap-2046.753②0.100.050③0.150.070①0.100.0350.37Sap-4034.559②0.150.050100:172:0.65③0.200.069①0.120.035Sap-10029.576②0.170.050③0.220.065基准组———①0.110.039Sap-2035.446②0.160.056③0.210.074①0.130.0400.31Sap-4031.000②0.180.056100:143:0.7③0.230.071①0.160.042Sap-10026.013②0.210.056③0.260.068注:对于Sap-20在第①种掺量下的水泥砂浆,编号为20-1,其它编号方法与上述相同。

1.3 收缩试验

砂浆收缩性能根据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30-2005)中的水泥胶砂干缩试验方法进行测试，试件尺寸为25 mm×25 mm×280 mm，仪器为BC-II型数显式比长仪。收缩环境温度为(25±2)℃，相对湿度RH为80%。以收缩率St(%)作为收缩性能评价指标。

1.4 力学性能

砂浆力学性能根据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30-2005)中T0506-2005水泥胶砂强度检验方法进行测试，养护条件与收缩试验一致。模具采用40 mm×40 mm×160 mm三联模。抗折强度(MPa)及抗压强度(MPa)分别采用抗折试验机及压力机进行测试。

2 混合型多指标椭球型灰靶决策模型及计算步骤

沈春光[13]等人针对决策指标类型不固定的情况，建立了实数和区间数共同存在的混合型多指标灰靶决策模型，可在权重信息不确定的情况下对事件进行决策优选，决策方法步骤具体如下：

a.混合型决策数据及其规范化处理。

设决策方案为Si，决策矩阵X=(xij)n×m，采用混合型数据规范化方法对将其转化为规范化决策矩阵R=(rij)n×m，步骤如下：

设A1、A2分别代表效益型指标和成本型指标的下标集，则：

当指标值为精确实数时，规范化后的决策矩阵为：

(2)

当指标值为区间数时，规范化后的决策矩阵为：

(3)

b.建立混合型椭球灰靶，确定灰靶靶心r0、决策方案效果向量ri的靶心距εi设：

(4)

(5)

设决策指标权重向量为：

W=(W1,W2,…,Wm)T,(i=1,2,…,m)

(6)

(7)

效果向量ri的靶心距:

(8)

其大小直接反映效果向量的优劣，靶心距越小，则决策方案Si越优良。

当权重信息未知时，以靶心距最小对各目标权重建立单目标最优化模型，方程如下：

(9)

对其构造拉格朗日函数得：

(10)

分别对W，λ求偏导，解之得：

(j=1,2,…,m)

(11)

d.方案决策。

3 结果与讨论

3.1 抗折强度分析

根据表2中配比设计试验方案对不同SAP粒径及掺量的砂浆进行3、7、14、28 d龄期下的抗折强度试验，结果如图2所示。

(a)W/C=0.37

由图2(a)可见，对于W/C=0.37的砂浆，在不掺加SAP时，3～7 d龄期范围内抗折强度增长速度较快，7 d时已达到28 d强度的94.79%，之后强度增长明显减缓。但对于掺加SAP的砂浆，除40-1外，抗折强度在28 d龄期内基本呈均匀阶梯式的增长趋势，7、14 d强度分别为28 d强度的77%～85%与85%～96%，说明SAP的加入能够控制水泥水化循序渐进地进行，且SAP凝胶中所储水分在砂浆中呈持续、缓慢释放规律，致使自养护砂浆强度的增长速率比基准砂浆慢，以上现象对于增强水泥基材料早期韧性，抑制早期收缩微裂纹以及降低水化放热峰值(减少温缩)均具有重要作用。

由图2(a)可见，对比不同粒径SAP，3 d龄期时基准砂浆抗折强度相对最高(6.53 MPa)，其次是Sap-40砂浆(掺量1～3均值为6.02 MPa)，Sap-100砂浆(掺量1～3均值为5.80 MPa)以及Sap-20砂浆(掺量1～3均值为5.59 MPa)，但到7 d龄期时，Sap-20砂浆强度迅速增长，并超过Sap-40及Sap-100SAP砂浆，到28 d时甚至超过基准砂浆。究其原因，20～40目SAP吸液后体积较大，3 d龄期内会在砂浆内部留下一定量的大孔，此时水化程度较低，该孔洞的存在会影响强度的发展。

在SAP掺量方面，总体上来看，SAP掺量越大，残留孔越多，对强度降低的程度越多，但对于掺加Sap-40的砂浆，掺量越大，28 d强度越高，离水化程度与孔隙率之间的最佳权衡状态越接近。

对于W/C=0.31的砂浆，图2(b)中呈现的规律与W/C=0.37的砂浆基本一致，区别在于对于掺Sap-20的砂浆，28 d强度随掺量的增大呈先上升后下降的趋势，而掺Sap-100的砂浆28 d强度随掺量的增大呈先下降后上升的趋势，规律较不明显。究其原因，根据Powers理论，在W/C≤0.36的情况下，加入的SAP无法满足水泥的充分水化，这就导致SAP对水泥的水化促进程度与孔结构的关系相对复杂。

3.2 抗压强度分析

同样根据表2中方案对不同砂浆进行3～28 d龄期抗压强度试验，结果如图3所示。

(a)W/C=0.37

由图3可见，SAP自养护砂浆抗压强度随粒径及掺量的变化规律与抗折强度差异较大。对于W/C=0.37的砂浆，采用Sap-100时28 d抗压强度最高，掺量最佳时为基准砂浆的1.02倍，其次是Sap-40、Sap-20，而对于W/C=0.31的砂浆，采用Sap-40时28 d抗压强度最高，在3种掺量下其抗压强度均高于基准砂浆，最高为基准砂浆的1.06倍，原因如下：

通过对比分析同等自养护额外引水量下的砂浆抗压强度(即对比每种粒径的第二种掺量)发现，对于W/C=0.37的砂浆，在自养护额外引水量相同的条件下，SAP粒径越细，其数量越多，在砂浆中的分布范围越广，使水泥石内更多的部位能够获得自养护水的浸润，从而进一步水化。加之抗压强度试验试件的受压面为整个面，故SAP自养护面积越大，其水化越均匀，整体强度越高，因此采用Sap-100时砂浆28 d抗压强度最高

对于W/C=0.31的砂浆，由于水灰比较低，砂浆自身含有的水分少，此时最细粒径的SAP易出现微弱的“团粒子”效应，出现吸液不充分的现象，而Sap-40不仅分布范围较为广泛，自养护面积较大，且分散性良好，故抗压强度较高。

3.3 收缩特性发展规律

经对两种水灰比的SAP自养护砂浆28 d龄期内的收缩率进行持续监测，得出试验结果如图4、图5所示。

(a)掺Sap-20的自养护砂浆收缩性能

(a)掺Sap-20的自养护砂浆收缩性能

由图4可知，对于W/C=0.37的砂浆，基准组的早期(5 d龄期内)收缩率在0.05%左右波动，而掺加Sap-40及Sap-100的砂浆在各组最佳掺量下的收缩率基本为0，见图4(d)，而掺加Sap-20虽然减缩效果不如前两者，但在最佳掺量时3 d内的收缩率也仅为0.003 1%，说明在粒径和掺量合理的范围内，SAP能够在极高程度上抑制水泥基材料的早期收缩，在水泥浆体的萌芽阶段大幅降低原始损伤。

由图4(a)发现，Sap-20掺量对砂浆收缩率影响显著，在掺量1(0.05%，质量百分数)下，SAP砂浆28 d内的收缩率与基准组基本相近，分析是因为该掺量下的自养护引水量不足以补足胶凝材料水化所缺水分，且SAP粒径大而粒子数量少，无法很好地浸润未水化的胶凝材料；在掺量2(0.1 %，质量百分数)下，其28 d内的收缩率均值为0.006 45%，而基准组收缩率均值为0.050 73%，计算出减缩率高达87.29%，收缩程度极小，减缩效果明显增大；但当SAP掺量过多时，即在掺量3(0.15 %，质量百分数)下，砂浆从开始就出现了体积膨胀效应，并持续至28 d龄期，再次证明了Sap-20储水稳定性较弱，在掺量较大时释水过多，加速了钙矾石的生长速度，并导致凝胶体中水泥粒子吸附水膜后增厚，胶体粒子间的距离增大而出现膨胀。

由图4(b)和图4(c)可知，对于掺加Sap-40及Sap-100的砂浆，掺量对减缩效果的影响较小，其中Sap-100砂浆整体减缩程度最高，归因于其分布均匀。

由图5可见，对于W/C=0.31的SAP砂浆，由于水灰比较低，因此自养护水主要于胶凝材料的水化，砂浆基本未出现膨胀现象。其次，SAP对W/C=0.31的砂浆的减缩效果小于对W/C=0.37的砂浆，与基准组相比，在最佳掺量下掺Sap-20、Sap-40、Sap-100的砂浆5 d内的平均减缩率分别为69.76 %，89.27%，81.46%。同时，其减缩作用在10 d龄期内体现得较为显著，而在10～28 d龄期内基准组砂浆与SAP砂浆的收缩率呈不断接近的趋势，推测SAP在10 d龄期左右释水结束，10 d后水泥浆体仍会出现一定程度的自干燥收缩效应，但此效应不会大幅增加材料微裂纹的产生。

各粒径在最佳掺量下，减缩效果由大到小排序分别为：Sap-40>Sap-20>Sap-100，分析得出，在低水灰比环境下，Sap-40引水量适中且不易结团，而Sap-100可能会出现轻微结团现象以影响自养护效果。

3.4 基于椭球型灰靶决策的SAP粒径确定及掺量范围优选

3.4.1水灰比为0.37的自养护砂浆灰靶决策

基于图2(a)、图3(a)、图4(a)中砂浆收缩性能及力学性能实测数据，将3 d收缩率St、14～28 d收缩率St区间、28 d抗折强度Rf以及28 d抗压强度Rc这4项设计指标试验结果列于表3中，其中Rf与Rc属于效益型指标，St属于成本型指标。

表3 W/C为0.37的自养护砂浆设计指标试验结果Table3 Testresultsofdesignindexofself-curingmortarwithW/Cof0.37砂浆类型决策指标St(3d)/%St(14-28d)/%Rf(28d)/MPaRc(28d)/MPa基准0.0505[0.0310,0.0551]9.4149.3820-10.0585[0.0363,0.0673]9.8943.2720-20.0031[|-0.0139|,0.0175]9.1244.2520-3|-0.0167|[|-0.0052|,|-0.0261|]8.2544.5840-10.0044[0.0220,0.0341]8.0147.1740-20.01[0.0169,0.0387]8.4544.9040-3|-0.0012|[0.0077,0.0274]8.6844.54100-1|-0.0007|[0.0076,0.0407]8.8648.38100-20.0001[0.0061,0.0299]8.0546.58100-30.0056[0.0134,0.0190]7.7844.52

根据混合型多指标灰靶决策计算方法，将表3中数据代入式(2)～式(11)中，从而得到靶心r0=(0.985 630 135，0.000 214 72，0.360 596 257，0.340 977 434)，即最优效果向量。以靶心距最小为目标，计算4项设计指标的最优权重向量W*，最终得到各SAP掺配方案的靶心距，见表4。

表4 W/C为0.37的自养护砂浆靶心距Table4 Off-targetdistanceofself-curingmortarwithW/Cof0.37基准20-120-220-340-140-240-3100-1100-2100-30.62220.62230.60360.62100.61090.61820.57220.53490.04530.6145

由表4可知，靶心距由小至大排列顺序为：100-2<100-1<40-3<20-2<40-1<100-3<40-2<20-3<基准<20-1，基准砂浆排在第9位，说明SAP自养护效果优良，其加入能够较好地权衡水泥基材料收缩性能与力学性能之间的关系。其次，位于前2位的100-2与100-1的靶心距明显小于位于第3位的40-3，而位于第4到第6位的20-2、40-1、100-3，三者之间的靶心距非常接近。综上，认为在最佳SAP掺量下，采用粒径为Sap-100综合性能最优。根据表2可知，Sap-100掺量变化范围在0.12%到0.22%之间，考虑到100-2性能最优，其次是100-1、100-3，故按照性能的优劣侧重，得出SAP的最佳适用掺量范围为0.145%～0.187%。

3.4.2水灰比为0.31的自养护砂浆灰靶决策

同样基于图3、图5、图7中砂浆收缩性能及力学性能实测数据可得出设计指标值，经计算得到靶心r0=(0.898 111 050，7.379 2E-05，0.453 234 243，0.332 031 066)，靶心距计算结果见表5。

表5 W/C为0.31的自养护砂浆靶心距Table5 Off-targetdistanceofself-curingmortarwithW/Cof0.31基准20-120-220-340-140-240-3100-1100-2100-30.54980.53370.53920.45130.34160.03570.50310.53100.54720.5132

砂浆靶心距由小至大的排列顺序为：40-2<40-1<20-3<40-3<100-3<100-1<20-1<20-2<100-2<基准。可见加入SAP的砂浆综合性能均高于基准砂浆，说明SAP对于较低水灰比水泥基材料来说自养护效果更好。同样，位于前2位的40-2与40-1的靶心距远小于位于第3位的20-3，而位于第3位和第4位的20-3和40-3靶心距接近。基于上述，认为在最佳SAP掺量下，采用Sap-40综合性能最优。由表2可知，Sap-40掺量变化范围在0.13%到0.23%之间，考虑性能的优劣侧重，得出SAP的最佳适用掺量范围为0.155%～0.2%。

基于本文研究成果，广东惠清高速公路TJ14标探塘大桥水泥混凝土桥面整体化层采用了Sap-100掺量为0.15%的C40自养护水泥混凝土，图6为实体工程整体效果图和局部细节图。从2018年5月浇筑至2020年4月沥青混凝土面层摊铺前，桥面整体化层表观形貌良好，未出现可见收缩开裂。

(a)SAP自养护水泥混凝土桥面整体效果图

4 结论

a.SAP能够在一定程度上控制水泥水化进程，SAP凝胶中所储水分在砂浆中呈持续、缓慢释放规律，使砂浆抗折强度的增长速率低于基准组，基本呈均匀阶梯式的增长趋势。以上现象对于增强水泥基材料早期韧性，抑制早期收缩微裂纹具有重要作用。

b.SAP自养护砂浆抗压强度随粒径及掺量的变化规律与抗折强度差异较大。对于W/C=0.37的砂浆，采用Sap-100时28 d抗压强度最高，掺量最佳时为基准砂浆的1.02倍，而对于W/C=0.31的砂浆，采用Sap-40时28 d抗压强度最高，最高为基准砂浆的1.06倍。

c.W/C=0.37时，掺加Sap-40及Sap-100砂浆在各组最佳掺量下的早期收缩率基本为0，减缩率约为99%；W/C=0.31时，最佳掺量下Sap-20、Sap-40、Sap-100砂浆早期平均减缩率分别为69.76 %、89.27%、81.46%；在粒径和掺量合理的范围内，SAP能够在极高程度上抑制水泥基材料的早期收缩。