（水利水电工程专业论文）超吸水聚合物混凝土的性能研究.pdf

摘要 目前，全球的天然能源、资源严重短缺。而高性能混凝土，作为一种近现代新型的建筑材料， 有了更广阔的前景。其中，聚合物改性混凝土的产生和发展是混凝土领域的一个新亮点。本研究 项目利用一种超吸水聚合物、矿物微粉与混凝混合为一体，采用正交试验设计进行试验研究， 采取有效合理的措施调整材料内部孔特征，提高抗冻、抗渗及抗裂性能，以便实现节约水资源提 高经济效益的目的。 本研究针对混凝土冻裂和渗漏问题，借鉴和改进前人的经验，以自己所做的试验为基础，提 出一种简单、高效、改性、复合超吸水聚合物制备混凝土的新方法。在此过程中，本项耳坚持基 础理论与试验、工程实践紧密结合，胶凝材料学、化学、数学及计算机优化等多学科与理论综合 的研究方法，还采用了宏观物理力学和微观测试相结合的研究手段。 经过研究，获得的主要结果有： ( 1 ) 根据正交试验和直观方差分析，掺合料影响混凝土2 8 d 强度的顺序为：矿渣b 一粉煤a 一煤矸石c ；最优的组合条件为a 3 b c ，。 ( 2 ) 本次试验得到的超吸水聚合物混凝士的配合比为：水1 8 1 k g ，砂7 1 6 k g ，石9 9 0 k g ，粉煤 灰、媒矸石、矿渣各2 5 1 k g ，超吸水聚合物1 3 k g ，水泥4 2 6 7 k g ，f i ) n 高浓型萘系减水剂i 0 0 2 k g 。 ( 3 ) 根据上面的配合比制作的混凝土，并在混凝土标准养护箱中养护2 8 天后基准混凝土试 件的平均强度为5 9 9 m p a 。相同养护条件下的超吸水聚合物混凝土的试件的平均强度为5 8 2 m p a 。 此试验结果表明掺入的超吸水聚合物降低了混凝土2 8 天的抗压强度，但损失不大，仅2 8 。 ( 4 ) 根据g b j 8 5 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法，比较试件内水的渗透高度，发 现掺入的超吸水聚合物能提高混凝土的抗渗性能。基准混凝士试件内水的平均渗透高度为1 3 0 m m ， 超吸水聚合物混凝土试件内水的平均渗透高度为2 1 咖。 ( 5 ) 本试验采用慢冻法来确定超吸水聚合物混凝土抵抗压力水渗透的能力。与基准混凝土比 较，超吸水聚合物混凝土的抗冻性更好。前者的强度损失为1 3 4 ，后者的为0 9 6 ；前者的质 量损失为5 9 9 6 ，后者的为4 5 。 ( 6 ) 掺入媒矸石、粉煤灰和矿渣等矿物细掺料和超吸水聚合物后，混凝土的孔特征得到了调 整，密实度得到了增加，有害孔和大孔减少，孔隙发布均匀。超吸水聚合物就像网络一样将无机 骨架贯穿在一起。淤填了孔隙，形成膨胀凝胶。混凝土内的总孔隙量、大孔隙量及开口孔隙量显 著减少，吸水性减小，从而能够使抗冻抗渗性得到提高，从根本上治理混凝土冻胀开裂、阻塞渗 水的通路，达到节约和保护水资源的目的。这种混凝土适用于我区少雨干旱、土地沙化、水资源 短缺的现状。 这项研究将超吸水聚合物与混凝土防渗技术的结合，把抗冻融、防渗漏，节水、保护水源与 聚合物改变混凝土内部微孔结构提高密实性、水利与农业三者有机结合起来作为一个系统进行组 合创新研究，既是对混凝土的内部结构、抗冻、抗裂、抗渗的能力的深化研究，又是防渗漏节水 技术的深化研究。 关键字：超吸水聚合物，高性能混凝土，正交试验，混凝土的耐久性，聚合物改性混凝土 i i a b s t r a c t n o w a d a y s ，n a t u r a le n e r g ya n dr e s o u r c e sa r e ，g l o b a l l y , i ns e r i o u s l ys h o r ts u p p l y h o w e v e r , t h e e m e r g e n c ea n d d e v e l o p m e n t o f p o l y m e r - i m p r e g n a t e d c o n c r e t e ，w h i c h i s a n e w m o d e m t y p e o f c o n c r e t e ， i sa b r i g h tn e ws p o ti nt h ec o n c r e t ef i e l d t h i sh a sb r o u g h ta b o u tab r o a d e rp r o s p e c tf o rh i g h p e r f o r m a n c ec o n c r e t e i nt h i sp r o g r a m , t h es u p e r - a b s o r b e n tp o l y m e ra n dm i n e r a lp o w d e ra n de l e m e n t s o f c o n c r e t ea r em i x e dt o g e t h e r , t h em e t h o do fo r t h o g o n a le x p e r i m e n ti su s e d ，a n de f f e c t i v em e a s u r e sa r e u s e dt oa d j u s tf e a t o r e so fh o l e si nt h eb o d yo fc o n c r e t e ，t op r o v et h ed u r a b i l i t yo fh a r d e nc o n c r e t e ，l i k e a n t i - f r e e z e p e r m e a b i l i t y , e t u 1 1 嵋a i m o f t h i s p r o g r a m i s t oe c o n o m i z e t h e w a t e r l e s o i na l l u s i o nt ot h ep r o b l e mo fl e a k a g ea n dc r a c k l ec a u s e db yf r c e z i n g , an e wm e t h o df o rd e s i g n i n g c o n c r e t ei sp o s e d , w h i c hd r a w sl e s s o l l sf r o mp r e d e c e s s o r sa n da r eb a s e do nt h ee x p e r i m e n td o n eb yt h e a u t h o r i nt h ep r o c e s s t h er e s e a r c h i n gm e t h o di ss y n t h e t i c a l l y t h e r ea r ef i v em a i r e s u i t sa sf o l i o w s ： 1 b a s e do l lt h er e s u l t so ft h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n ta n di n t u i t i v ea n a l y s i s ，t h eo r d e ro fm i n e r a l p o w d e r se f f e c t so nt h ep r o p e r t i e so fc o n c r e t ei s ：s l a 9 0 3 ) ，f l y - a s h ( a ) 一g a g u e ( c ) ；t h ef i n e s t c o m b i n a t i o no fc o n d i t i o n sj sa 3 b l c 2 t h em i xr a t i oo ft h es u p e r - a b s o r b e n tp o l y m e rc o n c r e t ei s ：1 8 1 k gw a t e r , 7 1 6 k gs a n d s 9 9 0 k g s t o n e s ，f l ya s h2 5 1 k g , s p o n t a n e o u sc o m b u s t i o ng a n g n e 2 5 1 k g , s l a g2 5 i k g ，s a p1 3 k g , c e m e n t4 2 6 7 k g ， f d nh i g hc o n s i s t e n c y n a p h t h a l e n es u l f n n a t e1 0 0 2 k g 3 n ea v e r a g es t r e n g t ho ft h eb a s i cc o n c r e t e w h i c hi sm a d eb a s e do nt h em i xr a t i oa st h ea b o v e o n ea n dn u r s e du n d e rt h es t a n d a r dc o n d i t i o n 。i s5 9 9 m p a t h ea v e r a g es t r e n g t ho ft h es u p e p a b s o r b e n t p o l y m e rc o n c r e t ei nt h es a i mc o n d i t i o ni s5 8 2 m p a n i si n d i c a t e st h a ts a pr e d u c e st h es f f e n g t ho f c o n c r e t e ，b u tt h el o s eo f s t r e n g t hi sl i t t l e ，o n l y2 8 4 a c c o r d i n gt ot h es t e n d a r dg b j 8 5 ，t h s o u g ht h ec o m p a r i s o no fi n f d t r a f i o nh e i g h to fw a t e r ，i ti s s h o w e dt h a ts a pc a ni m p r o v et h ea n t i - p e n n e a b i l i t yo fc o n c r e t e t h ea v e r a g eh e i g h to fb a s i cc o n c r e t ei s 1 3 0 r a m , a n dt h eo n eo f s u p e r - a b s o r b e n tp o l y m e rc o n c r e t ei s2 1 r a m 5 t h ef r e e z e - t o l e r s c ea b i l i t yo fs u p e r - a b s o r b e n tp o l y m e rc o n c r e t ei sb e t t e rt h a nt h eo n eo ft h e h a s i cc o n 口e t e 1 n l cs t r e n g t h1 0 o ft h ef o r m e ro n ei s0 9 6 ，t h el a t e ro n ei s1 3 4 ：t h em a s sl o s so ft h e f o m e to u ej s4 5 t h el a t e ro n ei s5 9 6 a d d i n gt h ep o w d e ro fc o m b u s t i o ng a n g n e ，f l ya s h ，s l a ga n ds u p e r - a b o r b e n tp o l y m e rt ot h e c o n c r e t e ，t h ei n t e r n a ls t r u c t u r eo fc o r u e t ei si m p r o v e d s u p e r - a b s o r b e n tp o l y m e ri su s e dt oi m p r e g n a t e t h ec o n c r e t ea n dr e v i s et h ei n t e r n a ls t r u c t u r eo fc o n c r e t ea n df o r mi n f l a t i n gg u m ，t h u st oi m p r o v et h e p r o b l e mo fc r a c k i n gc a u s e db yf r e e z i n ga n dl e a k i n ga n dt os a v ea n dp r o t e c tt h ew a t e rr e s o u r c e 1 1 l i s k i n do fc o n c r e t ei sv e r ya p p l yt ot h ec u r r e n ts i t u a t i o no fo u rp r o v i n c et h a tt h ew e a t h e ri sd r y , t h el a n di s d e s e r t i f c a t e d ，a n dt h ew a t e rr e s o u r c ei si n s u f f i c i e n c y t h i ss t u d yi n t e g r a t e ss u p e r - a b s o r b e n tp o l y m e ri nt h et e c h n o l o g yo fa n t i - p e r m e a b i l i t y , w h i c hi sa d e e p - g o i n gr e s e a r c ho ni n t e r i o rs t r u c t u r ea n dd u r a b i l i t yo fc o n c r e t e k e yw o r d s ：s u p e r - a b s o r b e n tp o l y m e r , h i g h p e r f o r m a n c ec o n c r e t e ，o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ， d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e ，p o l y m e r - i m p r e g n a t e c o n c r e t e t l t 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得宁夏大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 研究生签名：乃；瓢 时间：抛年月矿日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解宁夏大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。同意宁夏大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位 论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：玛；& 时间：刎6 年钿多日 导师始：童谤 时间：锄占年厶月厶日 宁夏大学硕十论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 以水泥混凝土为代表的水泥基复合材料，至今已经成为世界上用量最多、最广的人造材料。 其生产技术发展迅速、应用量急剧增加、使用范围日益扩大，它已成为建筑工程、水利工程、道 桥工程和港口码头等工程所用的主要建筑材料。目前全球每年浇注的混凝土达到1 0 亿吨左右【1 1 ， 并且久用不衰，据专家预测和相关文献报道，在未来的几十年甚至更长时间内将会仍然如此。应 用前景广阔。然而，现已发现国内外大量混凝土构筑物在还未达到设计的使用年限之前就己过早 地出现了混凝土的开裂，尤其是海港、桥梁、道路以及大多数水工建筑物遭受到自然环境反复的 冻融破坏和由于混凝土开裂水渗漏的侵袭，使得已修建的混凝土建筑物破坏十分严重，使得每年 不得不花费大量的资金进行维修、拆除和重建，不仅造成了极大的经济损失，而且直接影响了农 业生产，更为严重的是大量的水资源随着建筑物裂缝的破坏被渗透而损失掉了。 混凝七美国国家材料顾问委员会1 9 8 7 年提交的报告报道 2 1 ，约有2 5 3 万座混凝土桥面板出 现不同程度的破坏( 其中部分使用不到2 0 年) ，如1 9 8 4 年的报告显示，美国仅就桥梁工程，5 7 万 多座钢筋混凝土桥，有一半以上出现开裂引起钢筋腐蚀破坏，4 0 因裂缝承载力不足必须修复和 加固处理，当年的修复费用为5 4 亿美元；1 9 9 8 年报道，混凝土开裂腐蚀破坏的修复费，一年达 2 5 0 0 亿美元，其中桥梁的修复费是初建桥梁费用的4 倍；英国每年的修复费达5 0 亿英镑；日本 目前每年仅用于房屋结构维修的费用即达4 0 0 亿日元以上，日本引以自豪的“新干线”使用不到 1 0 年就出现大面积混凝土开裂、剥蚀现象。 我国基本建设比发达国家迟二十多年，但已建的一些工程也有类似令人堪优的状况，有不少 混凝土工程使用寿命远低于设计要求。混凝土耐久性问题不容乐观。据统计1 1 , z , m l ，我国现有建筑 面积5 0 亿平方米，其中约2 3 亿平方米需分期分批进行鉴定加固，近1 0 亿平方米急需维修加固。 北京2 0 世纪7 0 年代开始修建的大量立交桥，9 0 年代初就发现混凝土表面出现起砂、剥蚀、掉块 和露石现象，粱和柱表面多处有较严重的裂纹尤其在东北、华北和西部地区冻融循环破坏更是 十分普遍，混凝土的破坏形式主要是冻害、盐害和钢筋锈蚀，特别是西部地区冰害有增无减。各 大中小型水利混凝土工程、桥涵工程、混凝土路面工程、城市立交桥及工业与民用建筑等都存在 着不同程度的冻融破坏。长江以北地区、西南高山寒冷地区及青藏高原地区，也广泛存在此类病 害。我国在5 0 年代兴建的大坝有许多已经成为陷入危境的“病坝”。截止1 9 9 7 年年底，驰名中 外的安徽佛子岭、梅山、响洪甸三座老坝共亏损1 亿多元，仅佛子岭1 9 9 7 年一年就亏损1 7 0 0 万 元。1 9 8 5 年水电部调查报告表明：我国水工混凝土的冻融破坏在“三北”地区的工程中占1 0 0 ， 这些大型混凝土工程一般运行3 0 年左右，有的甚至不到2 0 年，如云峰宽缝重力坝，运行1 9 年 后下游面受破损显著，表面剥蚀露出骨料，总面积约8 5 0 0 平方米；而丰满重力坝自从运行后就 年年维修，运行3 3 年后，上、下游面及尾水闸墩破损明显，表面露出钢筋，冻害严重。致使坝 顶抬高1 0 余厘米。港口码头工程，特别是接触海水工程，其受冻破坏现象更为严重，破坏的结 构主要是防波堤、胸墙、码头、栈桥等，如天津新港的防波堤，采用普通混凝土的部分，经十几 年左右的运行，就被冻融破坏以致不能发挥作用了。地处寒冷地区的水电站、工业厂房、铁道桥 涵、交通部门的混凝土路面、桥梁及市政工程等的混凝土，接触雨水、蒸汽的部分，排水系统及 受渗透水作用的部分，都遭受冻融破坏而发生表皮剥落，空鼓等现象。根据以往经验，混凝土工 宁可大学硕十论文 第一章绪论 程安全使用期和维护使用期的比例为l ：3 1 0 ，但维护使用期的维修费用却高达建设费用的1 3 倍。我国南方海港浪溅区钢筋混凝土建筑物通常使用8 1 0 年即出现氯盐腐蚀钢筋引起的开裂 剥落破坏，维修费用及由此造成的直接，间接经济损失惊人 有专家1 2 6 , 2 7 1 预计，2 1 世纪初我国将出现混凝土结构物的维修高潮，每年所需的维修费用可能 高达数千亿元。我国北方如北京、天津等地的钢筋混凝土立交桥，即使没有美国北方冷天要常撤 盐化冰雪，使用时间也并不长，却已广泛显示钢筋锈蚀和混凝土顺筋胀裂的破坏迹象，并日益加 剧发展。此外，我国正在开发西部经济，但西部广泛存在着盐渍、寒冷地区冻融现象，许多己建 成的建筑物业正进入大规模的修复时期，正在建的基础设施工程也提出了高耐久性的要求。可见， 由于混凝土的耐久性劣化或失效，世界各国为此付出的代价十分沉重。然而，上述的工程耐久性 由于耗费巨资的经济因素提醒我们对混凝土耐久性问题越来越重视美国学者用“五倍定律”形 象的说明了耐久性的重要性，尤其是设计对耐久性问题的重要性，如进行结构设计时，对新建项 目在钢筋防护方面每节省1 美元，就意味着当发现钢筋锈蚀时采取措旖要多追加维修费5 美元， 顺筋开裂时需多追加维修费2 5 美元，严重破坏时许多追加维修费1 2 5 美元。沉重的代价使人工 程技术人员和研究者们认识到，不仅需用耐久性良好的材料及时修复已出现耐久性劣化的混凝土 工程，更重要的是必须使今后新建的混凝土工程具有足够的耐久性以保证设计使用寿命，例如美 国及欧洲家要求建设更为耐久地结构物，设计使用寿命为1 0 0 年，日本的建筑物设计使用寿命为 2 0 0 年。为此，世界各国都开始专门研究混凝土的耐久性及其改善技术。日本建设省从1 9 8 0 年就 组织进行“混凝土耐久性提高技术”的开发。因此，有必要对混凝土的冻融循环破坏及提高抗冻 能力的措施展开研究。 随着科学技术迅速发展，混凝土的强度不断提高，3 0 年代大约为i o m p a ，5 0 年代为2 0 m p a ， 6 0 年代为3 0 m p a ，7 0 年代己上升到4 0 m p a 。发达国家越来越多地使用5 0 m p a 以上的高强混凝土。 2 8 d 抗压强度超过5 0 m p a 的高强混凝土己较多地在工程中应用。在混凝土强度不断提高的同时， 耐久性问题已经引起了人们的高度重视。我国混凝土工程的使用年限约为5 0 1 0 0 年，逐步达到 2 0 0 年。但不少工程在使用1 0 多年后，有的甚至在使用几年之后，就因混凝土耐久性不足引起工 程结构过早破坏，或因耐久性尚未达到设计年限就过早失效拆除，造成了巨大的经济损失和不必 要的浪费。这些现象引起了学术界、工程界及政府部门的高度重视和共鸣。由于它与国民经济、 环境保护、可持续发展等密切相关，是混凝土材料科学的重大研究课题，也是工程部门关注的技 术焦点。 从另一角度来说，科学技术的日新月异，混凝土的品种已从单一的普通混凝土发展到轻混凝 土、轻骨料混凝土、钎维混凝土、聚合物塑料混凝土乃至特种混凝土，满足了许多不同环境的需 求。特别是近五十多年来，混凝土经历了许多重大的变革。为弥补混凝土抗拉、抗折强度低及改 善混凝土的性能，钢筋与混凝土复合，极大的促进了混凝土的应用领域。但并未解决混凝土容易 裂纹的问题。采用张拉钢筋对混凝土预先施以压应力保证了混凝土构件在荷载作用下既能抗拉又 不致形成裂纹的问题。预应力混凝土是通过外部条件对混凝士进行改性，主要用于大跨度建筑、 高层建筑，在抗震、防裂、抗内压等方面显示了卓越的效果，这项创新是混凝土技术发展的飞跃。 时至今日，混凝土的应用已经从一般的土木工程、交通工程、水利工程等领域扩展到了海上浮动 建筑、海底工程、地下城市建筑、高压储罐及核电站等领域 聚合物水泥混凝土和聚合物浸渍混凝土新的研究成果，使混凝土进入了有机与无几复合胶结 和有机高分子胶结材的新阶段。它具有几乎不吸水、不渗水、耐腐蚀性能好的特性，其抗压强度 和抗拉强度是基准混凝土材料的2 4 倍( 抗压强度可达2 5 0 2 8 0 m p a ) ，抗渗压力达到5m p a ， 抗冻融循环在1 1 0 0 次以上。在混凝土中使用外加剂的新成果是混凝土技术的突出进展，它不仅 可以大幅度地降低w c 和提高强度，改善混凝土的性能，而且在技术上和经济上具有显著的优 越性。尤其是高效减水剂、早强剂已广泛的应用在各种混凝土结构工程中，对混凝土的快速发展、 品种的不断改进和创新起了重要作用。 2 宁夏大学面十论文 筚一帝绪论 尽管混凝土的品种不断改进，技术水平日益提高，达到很高的抗压强度，但是抗拉强度却提 高不多。拉压比总是徘徊在1 1 0 左右，而且酎久性问题以及冻融破坏、脆裂难题一直不能从根本 上解决。当混凝土受压破损时常常显示出突然破坏的特征，脆性破坏的性能非常突出，这个缺陷 极大地限制了混凝土材料的应用范围。长期以来，人们为了降低混凝土的脆性、提高其韧性和延 性，进行了长期的研究和不懈的努力，提出了钢丝网水泥配筋、分散配筋和纤维混凝土，使得混 凝土具有一些均质材料的性能，使大跨度结构的钢筋混凝土建筑物和薄壳构件也应运而生，混凝 土的抗裂性、韧性及延性得到了较大提高。目前，石棉纤维、耐酸玻璃纤维、金属纤维和化学纤 维等逐步应用于纤维增强混凝土中为进一步提高混凝土的拉压比、降低其脆性的探索性研究一 直在继续。因此，又提出改变混凝土脆性的最基本问题，那就是调整混凝土的内部结构、改变孔 特征和减少微观结构中共价键、增加粒子键、次价键、甚至金属键的分量，以降低混凝土中键的 方向性和饱和性。所以，在混凝土掺入混合材料( 如粉煤灰、矿渣、煤矸石，钢渣、硅灰及废橡 胶粉等) ，不仅提高了混凝土的抗拉强度、韧性、延性，降低了脆性，更为重要的是改善了混凝 土的各种性能，扩大了混凝土的使用范围，解决了许多工程疑难问题。与此同时，大量利用工业 废渣，变废为宝，变害为利，保护了生态及清洁了环境，显著提高了经济效应和社会效益，提高 了人们生活环境的质量和健康水平。 随着现代科学的迅速发展以及新的测试技术如电镜扫描、x 射线衍射，电子探针、压汞测孔 等的使用，人们对混凝土内部结构和性能之间依存关系的认识也日益深入。流变学的原理已经被 广泛的用来研究和描述混凝土拌和物的性质及混凝土在荷载作用下的行为；用表面化学理论研究 减水剂的作用机理；用断裂力学理论研究混凝土的裂缝引发、传播和断裂问题：应用同体力学方 法、统计力学方法以及弹塑性理论研究混凝土的强度；应用热力学方法来研究胶凝材料大最的水 化反应、水热合成反应、混凝土腐蚀反应在能量上的可能性以及水化产物的稳定性及转化问题等 等。 为进一步研究混凝土掺入新的有机高分子聚合物，研制超高性能混凝土，超吸水聚合物混凝 土，探究其多组分、多相、多孔堆聚结构下的工程关系，研究孔特征、孔数量和孔分布对他们的 影响，寻找降低总孔隙率和改善孔结构新的有效措施，以提高其密实性，达到抗渗、抗裂、抗冻 融及提高耐久性的目的。探索采用优质和廉价的混凝土原材料，改进混凝土及其制品的生产工艺， 充分利用工业废渣资源和节约能源以及大幅度降低成本的新途径，就成为我们义不容辞的职责和 科技工作者关注的焦点。 由于国家对西部经济开发的大力支持和速度的加快，面对当地干旱缺水、风大沙多的特殊条 件，有必要对西部干旱寒冷地区的混凝土材料的抗冻、渗透机理以及开展对高性能混凝土、超吸 水聚合物混凝土的研究工作，对改善北方少雨多旱，土地沙化、防冻抗渗的现状，具有重要意义。 1 2 国内外混凝土耐久性研究进展 随着人们对混凝土材料耐久性问题的日益关注和重视，国家经济建设的步伐加快和社会生产 力的需求与发展，要求道桥、水利工程、建筑工程必须能适应干旱寒冷的恶劣工作条件并能安全 有效运行，水工结构物能够防渗、防冻及抗裂，同时保护生态环境和水资源。特别是高性能混凝 土概念的提出及其在工程中的应用，近十多年来，包括聚合物混凝土和超吸水聚合物混凝土抗渗 透在内的混凝土耐久性研究取得了很大进展。 有调查分析和研究b ” s 表d y j ：英国1 9 7 9 年调查显示。混凝土建筑3 6 由于耐久性问题需重 建或改建。1 9 8 0 年的维修费用占建筑总费用的2 ，3 在考沿海及严寒地区，由于海水中的盐分侵 蚀与冬季使用化冰的除冰氯盐，导致了钢筋的严重锈蚀。已修建的1 l 座高架桥耗资2 8 0 0 万英镑， 1 5 年问为翻修耗资4 5 0 0 英镑，是原工程造价的1 6 倍，混凝土的耐久性仍得不到保证：迄今为 3 宁，大学硕十论文第一章绪论 止尚找不到比冰盐更为简便且代价更小的化冰方法，而且工程还将继续使用。在南非，众多的高 速公路桥、码头、水工建筑在较短的运行期间内发生了破坏，混凝土因耐久性不良而造成的损失 严重。国内众多的混凝土结构由于耐久性不良及环境条件恶化，使建筑物出现过早“老化病害” 宁夏属于严寒缺水地区，大多数混凝土建筑物发生冻融破坏和混凝土开裂水渗漏的侵袭，使得已 修建的建筑物在很短的时间内就已经被破坏，甚至危及运行安全。每年花费大量的资金进行修补 和加固，甚至推倒重建。 发达国家在2 0 世纪7 0 年代后，就掀起了混凝土耐久性及修补技术的研究热潮，成立了专门 的国际性研究机构1 4 w j ，如“欧洲混凝土委员会( c e b ) ”和。材料与结构实验室联合会( r i l e m ) ” 等。截至2 0 0 0 年，国际耐久性学术会议已经召开了7 次，混凝土的耐久性研究已经从工程调研、 性能研究，发展到以寿命为目标的耐久性设计研究。美国、前苏联、欧洲、日本等都在开展混凝 土冻融破坏机理的研究。提出的破坏理论有五六种，如美国鲍尔斯( t , c p o w e r s ) 提出的冰胀压 和渗透压理论等。但大部分理论是从纯理论的模型出发，经假设和推导而得出的，有些是以水泥 净浆或砂浆试件通过部分试验得出的。同时还开展了亚微观结构对混凝土的抗冻性研究，提出了 混凝土中气泡的间距系数对冻融破坏的影响。苏联教授斯克雷尼科夫的研究指出，混凝土渗漏是 由于混凝土中c a ( o h ) 2 产生了溶出，并与空气中的a d 2 反应生产白色的c a c 0 3 结晶，也叫“白 死病”，提出的研究方法为浸析法或渗淋法( 即用水泥净浆或砂浆试件，在水中浸泡或无压水渗 淋) ，这种方法与水工混凝土在水压力作用下产生渗漏的实际情况差距较大。还不能进行渗漏溶 蚀对混凝士微孔结构、水化产物成分和微观形态的研究。 我国对混凝土建筑耐久性问题的研究，一直都很重视。中国土木r 稃学会混凝土及预应力混 凝士分会，与1 9 8 5 年成立了混凝土耐久性专业委员会，到2 0 0 4 年已经组织召开了8 界全国混凝 士耐久性学术交流研讨会。李金玉、曹建国教授采用混凝土实体积试件，在水保和条件下进行快 速冻融试验，通过宏观特性和微观结构进行混凝士机理研究，并且也展开了气泡性质对混凝土抗 冻性能的研究，采用测定气泡参数、气泡平均直径、气泡比表面积、单位体积气泡个数、气泡间 距系数等方式，以改善混凝土的抗冻性能。 从以上研究发展看，国内外相关的研究机构和学者专家对混凝土的抗耐久性都做了大量的研 究工作，苏联在耐久性方面做的早和比较多，并且提出了提高混凝土抗冻、抗渗等耐久性的有效 措施，已经在工程实践中得到了推广应用，并取彳导了实效。但是迄今为止，对混凝土的冻融破坏 机理，国内外尚未统一的认识和结论。而且对水工混凝土的渗漏溶蚀的研究工作开展的也较晚， 尽管人们对混凝土的渗漏问题非常重视，但对渗漏引起混凝土的溶蚀破坏带来的危害认识还不 够。无论是国外还是国内，对混凝士渗漏溶蚀破坏机理的研究都比较少，特别是超吸水聚合物用 于混凝土进行耐久性的研究报道不多。 1 3 问题的提出 面临上述混凝土耐久性现状和存在的问题，本研究论文针对混凝土材料构筑物只解决了抗压 强度能承受外力而未解决抗冰冻抗渗漏的现象，提出利用超吸水聚合物材料优越的吸水能力和吸 水后形成保水性很强的凝胶体优势，发展和完善混凝土及渠系建筑防冻防渗技术，并为实施此项 技术提供理论和技术依据。 西部地区严寒缺水，水工建筑物大多所处环境恶劣，许多混凝土构筑物破坏的事实证明，在 恶劣的环境条件下，普通混凝土已不能满足抗冻裂、抗渗透等耐久性的要求。传统的水泥混凝土 材料硬化后体内孔隙多，体积稳定性不良，水分子极易通过自身孔隙渗透进入混凝土内部，在冰 点的条件下，过冷的水发生迁移，结冰的水发生体积膨胀，导致水工混凝士破坏造成水资源渗漏， 更为严重的是有些混凝土砌护工程运行循环不到两个冬季就已破坏或完全瘫痪。 4 宁夏大学硕十论文 第一章绪论 为了提高混凝土的耐久性，国际混凝土界在2 0 世纪9 0 年代初就提出了高性能混凝土，此混 凝土是在高强混凝土的基础上发展起来的新型混凝土，其研究目的是把耐久性作为主要设计目 标，且基本原则是精细选择原材料和优化配合比设计，关键技术是利用超细矿物质功能材料及新 型高效超塑化剂，与混凝土的原材料构成复合级配效应，使混凝土耐久性得到有效改善。前人的 研究证实，矿物功能材料对增强耐久性确有显著改善作用。面临上述问题，本文正是在此基础上， 针对混凝土被损害的现状，深入系统地研究矿物功能材料对混凝土耐久性的主要影响因素及作用 机理，利用超吸水聚合物与混凝土的结合，形成的膨胀凝胶，调整材料的内部结构，用于防冻融 破坏、防开裂和防渗，提高抗冻、抗渗技术，堵绝水源的渗漏。从根本上治理混凝土冻胀开裂、 阻塞渗水的通路，达到以水制水，提高混凝土工程建筑设旌的抗渗抗冻的性能，建设节水型的社 会、节水型的农业。为配置高抗裂防渗堵漏、商抗冻抗渗混凝土提供理论依据和技术路线。 超吸水聚合物吸水量高，可达自重的千倍以上，并且具有优良的保水性能和相当的凝胶强度， 即使受压水也不易挤出来，吸了水的聚合物经干燥后，吸水能力又可恢复，甚至形成的膨胀凝胶 体还具有吸湿放湿性能。混凝土抗冻防渗漏节水技术是利用超吸水聚合物与混凝土结合，调整材 料的内部结构，形成膨胀凝胶，用于裂缝防渗堵漏。从根本上治理混凝土冻胀开裂、阻塞渗水的 通路，这项超吸水聚合物与混凝土渠系防渗技术的结合是创新研究，它把抗冻融、防渗漏节水与 聚合物改变混凝土内部微孔结构提高密实性作为一个系统进行组合创新研究，既是对混凝土进行 内部结构调整、提高其抗冻、抗裂、抗渗的能力从根本上治理的深化研究，又是防渗漏节水技术 的深化研究。因此，对超聚合物混凝土的全防冻防渗技术的研究不仅具有重要的理论价值，而且 具有实用价值，其研究成果对干旱、早寒冷地区具有明显的抗冻融、防渗漏节水、节约能源等综 合效益，它有利于水利建筑业和社会经济的可持续发展和缓解了旱区严重的水资源短缺，降低混 凝土建筑物的维修和重建所需耗费的资金。同时掺合大量废料替代部分水泥，降低造价，改善环 境，具有广阔的应用前景以及推广价值，尤其对西部干旱寒冷地区的水资源保护、地方经济的发 展具有重要作用。 1 4 研究的目的和内容 1 4 1 研究的目的 本研究项目企图用一种超吸水聚合物、矿物微粉与混凝土混合为一体，采用正交试验设计， 从总体上对混凝土的冻裂、水渗漏等行为做出比较准确的分析，采取有效合理的措施，调整材料 内部孔特征，提高抗冻、抗渗及抗裂性能，以便实现节约水资源提高经济效益的目的。因此，本 项目采用超吸水聚合物与其它矿物材料的有效复合，所考虑的是通过宏观与微观相结合的现代高 科技手段，从理论上探索其水化运动机理，以减小混凝土的渗水途径，堵塞其毛细孔道，改善内 部孔隙结构，有效节约水资源。 1 4 2 研究内容 根据本课题的研究目的，其试验研究内容有六个： ( 1 ) 配置超吸水聚合物混凝土，对此进行力学性能试验、冻融循环试验和抗渗透试验研究； ( 2 ) 采用工业废渣、超吸水聚合物及混凝土，优化设计三者之间的最佳配方，对考核指标进 行综合评价，确定影响抗冻、抗裂及抗渗指标的因素； ( 3 ) 寻求改性聚合物复合混凝土抗冻、抗裂、防渗理论及技术综合研究的新方法； ( 4 ) 通过s e m 测试手段，宏观微观相结合，以超吸水聚合物和微粉效应来改变混凝土材料的 5 宁夏大学够十论文 第一章绪论 内部孔结构，并使孔隙降率低至最小程度，孔隙中结冰的水趋于零状态，进行抗渗透节 水试验的研究。 ( 5 ) 通过比较，主要研究适合于干旱寒冷地区混凝土建筑物的抗冻、抗裂、抗渗技术，并为此 提供应用基础理论和技术依据。 ( 6 ) 探索超吸水聚合物与矿物废渣混凝土的水化运动机理，优选出最适宜抗渗节水的超吸水 聚合物的配比，达到充分利用废料资源和提高经济效益的目的。 1 5 研究方法和路线 1 5 1 研究方法 本研究项目坚持基础理论与试验、工程实践紧密结合，胶凝材料学、化学、数学及计算机优 化等多学科与理论综合的研究方法，采用宏观物理力学和微观测试相结合的研究手段，围绕试验、 计算与工程应用三个核心，研究的具体程序是：总结已有试验成果、针对薄弱环节，开展对超 吸水聚合物混凝土复杂特性试验研究；用化学方法对原材料进行检测；引入物理力学方法对 材料进行各种性能的测试；确定超吸水聚合物的优化掺量及用正交法确定最优化组；对优选 的结果进行强度、抗渗、抗冻对比试验；方差分析结果与宏观试验结果比较；利用s e m 、 x r d 对内部形貌结构进行观察。 1 5 2 研究路线 ( 1 ) 将运用化学方法、工程力学方法以及现代显微技术。化学方法可分析出胶凝材料、掺合 料的化学成分和矿物成分，以及混合材的活性。 ( 2 ) 利用工程力学方法测晕集料和硬化混凝土( 包括硬化基准混凝土和硬化超吸水聚合物混 凝土) 的主要力学性能。 ( 3 ) 对超吸水聚合物、废渣及混凝士的改性试验技术要素、抗冻抗渗等采用正交试验设计进 行化学和物理性能试验研究； ( 4 ) 对正交试验结果采用直观分析与方差分析相结合，对考核指标进行比较； ( 5 ) 利用现代显微技术探讨混凝土的内部机理。本课题中将采用的现代显微技术有扫描电子 显微镜( s e m ) 和x 一射线衍射技术( x r d ) 。利用这几项技术，可获得硬化混凝土2 8 天抗 压试样的微观照片。通过仔细观察照片并结合宏观测试结果观测其形貌特征献探讨超吸 水聚合物混凝土的内部水化机理。 1 6 拟解决的主要问题 ( 1 ) 超吸水聚合物、矿物混合材与混凝土复合的条件探索。 ( 2 ) 工业废渣种类、用量、超吸水聚合物掺量、外加剂用量及品种对制备改性混凝土性能 的影响。 ( 3 ) 不同条件和不同水胶比混凝土的复合，筛选吸水性能好的聚合物，作为改性混凝士= 基 本掺量。 ( 4 ) 采用正交方法进行最优化组合，确定最佳掺合比例。 ( 5 ) 选择确定优化的配合比及抗冻、抗裂、抗渗技术。 6 宁夏大学硕士论文第一帝绪论 1 7 创新之处 ( 1 ) 虽然目前有许多商品化的混凝土，但存在多孔、易裂、抗冻及抗渗性能差的缺点，尤 其是水渗漏损失大量有限的水资源，使混凝土改性困难。本研究针对混凝土冻裂和渗 漏问题，借鉴和改进前人的经验，以自己所作的试验为基础，提出一种简单、高效、 复合超吸水聚合物制备混凝土的新方法。 ( 2 ) 利用超吸水聚合物与混凝土的复合改性，调整材料的内部结构，形成膨胀凝胶，用于 抗裂缝防渗堵漏。从根本上治理混凝土冻胀开裂、阻塞渗水的通路，达到以水制水、 节水、保护水资源的目的。 ( 3 ) 以复合的超吸水聚合物制各的改性混凝土，克服了混凝土多孔、易裂、易渗漏的自身 缺陷，弥补我区少雨干旱、土地沙化、水资源短缺的现状。 ( 4 ) 这项超吸水聚合物与混凝土防渗技术的结合，它把抗冻融、防渗漏、节水、保护水源 与聚合物改变混凝土内部微孔结构提高密实性、水利与农业三者有机结合起来作为一 个系统进行组合创新研究，既是对混凝土进行内部结构调整、提高其抗冻、抗裂、抗 渗的能力从根本上治理的深化研究，又是防渗漏节水技术的深化研究。 7 宁夏大学硕十论文第一章锗混撮土的耐久件分析 第二章混凝土的耐久性分析 2 1 混凝土冻融破坏机理和破坏特征 2 1 1 混凝土冻融破坏机理 混凝土拌和物的用水量常常超出水泥水化作用所需要的水量。例如，常态硅酸盐水泥混凝土 水化凝结的水量仅相当于水泥重量的2 4 3 0 ，而为了满足施工所需的和易性，用水量往往达 到6 0 7 0 。这就使得多余的水在混凝土硬化后，一部分以游离水的形态保留在混凝土中，另 一部分被蒸发而在混凝土中形成了孔隙和毛细管通道。这些孔隙可分为凝胶孔、收缩孔和毛细管 孔隙。凝胶孔和收缩孔的直径非常小( 为1 5 3 0 埃) 被称之为微毛细孔，而毛细管孔隙直径较 大