创新突破：用高吸水性聚合物打造更耐用的混凝土！

演讲人：Chibueze AJUONUMA，普渡大学西拉斐特分校

描述：本项目研究了使用高吸水性聚合物 (SAP) 增强水化、减缓收缩并提升长期性能的内部养护矿渣水泥混凝土的实际应用。重点是解决矿渣水泥水化速度慢、收缩趋势大等问题，这些问题会影响其在传统应用中的强度发展和耐久性。本研究的意义在于，它有可能通过展示矿渣水泥在高性能和可持续建筑中的可行性，彻底改变矿渣水泥的使用方式。

https://www.youtube.com/watch?v=ffzIQJhLFmU&t=92s

早上好，感谢各位前来听我的演讲。我首先要感谢高炉矿渣水泥协会颁发这个奖项，尤其要感谢印第安纳州交通部通过联合交通与研究委员会资助这个项目，还要感谢我的教授Yan Ole教授，他正好也在这里，非常感谢您给予我这个宝贵的机会和您的指导。

我的名字是John Machiba Sylvester，我是普渡大学的博士生，与Rean博士、Yan Ole教授和E Kendra教授合作。我们在这里介绍我们关于使用高吸水性聚合物的内养护高炉矿渣水泥的实际应用的最新工作。

我们的提纲概要：我们将概述研究概况，包括一些研究目标和介绍，然后我们将回顾在现场试验之前进行的一些实验室实验，接着是项目的现场试验。通过这些，我们将评估研究概况和方法，包括材料、方法和配合比设计。然后我们将讨论结果，包括新拌性能（例如和易性、坍落度和含气量）、强度性能（例如抗弯、抗拉和抗压强度），以及我们实验的耐久性性能（例如抗剥落性、氯离子渗透深度、吸水率、电阻率和形成因子）。

混凝土生产是一个众所周知的事实，它一直是对全球碳排放有贡献的重要因素。这一点我们再怎么强调都不为过。除此之外，我们发现对可持续建筑日益增长的需求正在推动创新解决方案，这些解决方案旨在提高混凝土基础设施的耐久性和使用寿命。我们通过内部养护来改善微观结构质量。我们发现内部养护和高吸水性聚合物（也称为SAP）非常关键，它们是这些创新解决方案之一，因为它们在混凝土基础设施中创建了储水库，提供额外的水以帮助水化。

我们还注意到，内养护依赖于水泥基体中水分的受控、逐渐释放，这有助于或改善水泥水化并减轻自干燥。这使得混凝土更加耐用，因为我们知道耐用混凝土有助于降低维护成本，提高投资回报，最重要的是，有助于降低现有结构更换的频率，并减少碳排放。

高吸水性聚合物（SAP）的概述：它们也被称为水凝胶，是交联聚合物，与自身质量相比，它们能够吸收大量液体，形成体积不溶性水凝胶。它们在混凝土中充当内部储水库，也可以作为预湿轻骨料的替代品用于内部养护。

从过去的研究中我们发现，一些益处包括：改善水化，降低混凝土中的水分梯度，最重要的是，减轻某些耐久性挑战，例如自收缩、干燥收缩和抗剥落性，并且它们还有助于改善混凝土的微观结构质量。

从我们过去的研究中，我们发现我们能够评估该项目所需的SAP的吸收能力。我们还能够确定掺合顺序，因为很多人问我们何时添加SAP，我们能够评估掺合顺序。如果您对我们提交的一些报告感兴趣，可以扫描二维码。我们还收到一些问题，例如添加SAP是否需要额外加水，我们发现即使不额外加水也可以添加SAP。我们还发现额外加水对SAP的机械性能的影响。

此外，研究结果表明，SAP能够提供可比或改善的机械强度，降低自收缩，改善水化，并提高混凝土的耐久性。

对于当前项目，我们的项目目标是确定SAP的输送方式和混合物组成如何影响含有商业SAP配方、I型水泥、矿渣水泥和胶体二氧化硅的混凝土的养护性能。

一些目标包括：

1. 我们评估了含有商业SAP、矿渣水泥、I型水泥和胶体二氧化硅的混凝土的内养护性能。

2. 其次，我们开发并评估了SAP的输送策略，以实现在现场实际应用高吸水性聚合物。

3. 最后，我们进行了现场试验，评估了含有SAP的混凝土的强度和耐久性性能，以及用普通液体养护剂养护的混凝土的性能。

对于第二个目标，我们如何在现场输送SAP？我们开发了预包装在可溶袋中的SAP。这些是水溶性袋子，我们只需将它们扔进搅拌机，它就会自动溶解。我们能够将一磅SAP预包装在这些袋子中，一磅SAP相当于一立方码的混凝土，并且我们以胶结材料重量的0.2%添加。为了保护它，这个袋子还封闭在一个防水袋中，我们打开防水袋，然后将可溶袋扔进搅拌机。我想强调这一点，因为现场试验是在商业搅拌站进行的，所以我们需要找到一种简便的方式来配制SAP。

对于可溶袋，我们做了一些实验室实验来评估这些可溶袋在现场的有效性。以下是我们使用的一些混凝土混合材料以及现场实验室实验的配合比设计。我们对袋子进行了缩减，因为我们需要一磅的袋子用于一立方码的混凝土，但在实验室中，我们不需要制作一立方码的混凝土，所以我们通过配制所需数量的SAP来缩减可溶袋。

我们有五种混合物：一个参考混合物，然后我们添加了两种SAP输送方法：直接倒入SAP和使用可溶袋。我们还进行了30%的矿渣替代，然后也直接添加SAP，并使用可溶袋，以便在进行现场试验之前了解可溶袋是否有效。

根据我们的设计，目标坍落度在3到5英寸之间，含气量在5%到8%之间。对于实验室实验，对于不含SAP的混合物，我们没有使用高效减水剂，但对于含有SAP的混合物，为了改善工作性，我们添加了每100公斤水泥400毫克的高效减水剂。我们还添加了引气剂，以达到我们5%到8%的目标含气量。

我们在实验室实验中测试了新拌性能，包括对我们非常重要的含气量和坍落度。我们发现，对于参考混合物，坍落度为7英寸，但添加SAP后，我们发现使用可溶袋和直接倾倒SAP的输送方法得到了可比的结果。我们发现，直接倾倒SAP的坍落度为4.5英寸，而使用可溶袋的坍落度为5英寸，两者非常接近。对于30%矿渣替代的混合物，我们得到了相同的坍落度值，并且含气量值略有差异。

然后我们进行了强度特性测试，包括3天、7天和28天的抗压强度测试。我们发现直接倾倒SAP和使用可溶袋添加SAP之间存在相关值。3天时的强度值约为2700到3300 PSI，7天时为3500到4100 PSI，28天时为4100到500 PSI。我们还在28天时测试了抗弯强度，两种SAP输送方法在28天时也得到了相关值。

为此，我们还测试了超声波脉冲速度。对于脉冲速度，我们发现直接添加（在梁和圆柱体中测试）SAP在3天、7天和28天时略有增加。但我们也发现使用可溶袋（DB）也有所增加，在28天时增加了3%到4%，这与直接倾倒SAP的结果相当。在30%矿渣替代的混合物中也观察到相同的趋势。

在此基础上，我们继续测试了混合物的刚度，即动态弹性模量。我们发现无论是可溶袋还是直接倾倒，我们都得到了接近的值，如图中所示。对于动态弹性模量，我们使用了两种类型进行测试，得到了相关值。

在此之后，我们从实验室转到现场。当我们在现场进行时，事情变得更加有趣。在现场，我们使用了这个混凝土配合比设计。这是基于印第安纳州交通部C级混凝土的要求，每立方码需要658磅水泥，水灰比为0.44，矿渣替代率为30%。我们还以**水泥重量的0.2%**添加了SAP。

由于混凝土是在商业搅拌站进行搅拌的，我们完全没有使用高效减水剂。目标坍落度在3到7英寸之间，目标含气量在5%到8%之间。

我们制作了六块8英尺x8英尺x10英寸的混凝土板。

• 6号板

  ：参考板。

• 7号板

  ：在参考板中添加纳米二氧化硅。

• 8号板

  ：用100级矿渣水泥替代30%的I型水泥。

• 9号板

  ：在30%矿渣替代的基础上添加纳米二氧化硅。

• 10号板

  ：几乎是参考配合比（每立方码658磅水泥），但我们添加了SAP。

• 11号板

  ：30%水泥被SAP替代。

这是我们提出的CAD图纸，这是现场的模板。那是一个非常寒冷的九月早晨。在现场，我们还雇用了专业的混凝土修整工来帮助我们完成混凝土表面处理，以便我们能够获得接近真实的混凝土表面处理效果。

混凝土板浇筑完成后，我们还对一些圆柱体进行了临时处理，最终将其提取出来进行抗剥落性测试。我们在现场测试了新拌性能，包括坍落度和含气量。这是专业混凝土修整工的工作，以确保混凝土表面处理良好，以模拟实际应用。

为了养护，我们对板进行了分段，一半用塑料布覆盖，另一半则涂抹了液体养护剂。这是我们板的概览：6号板是参考板，7、8、9、10和11号板。我们还浇筑了一些梁，用于抗弯测试，尺寸为6英寸x6英寸x18英寸的梁，以及一些棱柱形样品用于干燥收缩测试。我们还有一些圆柱体，我们将其运回实验室进行测试，因为它们是在现场浇筑的，但为了在实验室中进行测试，我们将它们运回实验室。

我还需要强调的是，所有板都安装了热电偶，以便评估温度梯度。这是我们用热电偶安装的图片。在7、28、56、90和365天的测试龄期，从现场的板中提取了芯样并送回实验室进行测试。

我们有两种养护方案：实验室养护和现场养护。实验室养护的样品在恒定温度23摄氏度、相对湿度50%的条件下进行湿养护。一些变量包括：一些样品施加了养护剂，一些没有施加养护剂，还有一些添加了纳米二氧化硅，以及含有SAP的样品。对于现场养护的实验，我们有变化的温度，有周期性的冻融循环和潮湿条件，并应用了相同的变量。

好的，对于我们使用的测试方法，我们发现我们同时测试了新拌性能。这些是我们用于测试的ASTM程序和新拌性能的规格。我们测试了新拌混凝土的抗压强度，测试了圆柱体，抗弯强度，我们有6英寸x6英寸x18英寸的梁。抗裂强度测试中，我们从现场的板中提取了芯样进行测试。抗剥落性测试中，我们也提取了一些圆柱体进行测试，以及电阻率和形成因子。

对于抗剥落性，如果您注意到在模板制作期间，我们即兴制作了这种特殊的圆柱体，尺寸为10英寸x4英寸。我们用高压水枪清洗它们以去除养护剂，并用4%氯化钙溶液浸泡。它们浸泡后暴露在50次冻融循环中，冻结温度为-18摄氏度，持续16小时，融化温度为4摄氏度，持续8小时。除冰溶液在每第五个循环后移除。在50个循环结束时，我们评估了质量损失，并使用了目视检查和质量损失来评估。

对于氯离子渗透深度，现场的板也进行了清洗和浸泡，使用4%的氯化钙。在浇筑28天后，它们被浸泡，溶液保持了150天。在150天结束时，我们从这些浸泡过的部分提取了芯样，劈开后应用硝酸银以评估氯离子渗透深度。

对于吸水率，我们还测试了从现场提取的芯样和在实验室中养护的浇筑样品。现在，我将介绍我们得到的一些结果。

首先，关于新拌性能，我们注意到添加SAP后，坍落度值（和易性）有所下降。但添加SAP（含矿渣的11号板）有助于弥补和易性的下降。我还需要强调的是，所有混合物都达到了我们的目标含气量和目标坍落度。

这些是一些混合物浇筑时的图片。您会注意到中间的图片，添加SAP后变得有点硬，但专业的混凝土修整工不想修整它，因为他们不想花更多时间修整混凝土，所以他们中的大多数人都有自己的保留意见。但是，当我们加入矿渣后，混合物的和易性得到了改善。

对于抗弯强度，我们测试了4天龄期的梁。我们关注的是这种路面能多早开放交通。我们获得了4天龄期的抗弯强度结果，范围在400 PSI到550 PSI之间。印第安纳州交通部的结构混凝土7天破裂模量标准规格为570 PSI，它们还为路面和桥面混凝土修补提供了3天550 PSI的标准。我们发现添加SAP有助于提高抗弯强度。此外，如果您注意到第三个柱子，30%矿渣替代的混合物抗弯强度有所降低，但当我们添加SAP后，抗弯强度也得到了提高。因此，SAP和矿渣在提高抗弯强度方面具有协同效应，尤其是在早期。它弥补了早期强度下降的问题。

抗压强度方面，我们测试了7天、28天、56天、90天和365天的样品。我们得到了在受控条件下（实验室养护的样品）和从现场提取的芯样的结果。我们还注意到，抗压强度随着龄期的增长而逐渐增加。对于含矿渣的混合物，早期强度略有下降，但随着混凝土龄期的增加，强度也有所增加，因此矿渣的迟滞水化特性在后期显现出来。但如果您注意到第三个柱子和最后一个柱子，添加SAP也有助于弥补含矿渣混合物早期强度的损失。因此，对于从现场提取的含矿渣混合物，也观察到类似的趋势。

这也是一个非常有趣的图表。我们试图比较不同养护条件的影响。第一个图表显示了未养护的板。第二个是涂有养护剂的板。第三个是添加了纳米二氧化硅的板。第四个是添加了SAP的板。我们注意到，从所有龄期（7天到56天，90天）都有逐渐增加，表明SAP在混凝土中的内养护性能。

对于劈裂抗拉强度，我们在180天时进行了测试，也观察到与抗压强度相似的趋势：略有下降。由于我们在180天时进行了测试，含有矿渣的混合物在抗拉强度方面也有所改善，SAP和矿渣的组合也是如此。

我们还尝试评估温度梯度，即在板中安装的热电偶所测量的温度梯度。我们注意到，30%的矿渣替代也降低了核心温度，从大约44摄氏度降至37摄氏度。甚至添加SAP也通过添加SAP和矿渣进一步降低了核心温度。

接下来，我们来看一些关于耐久性结果。对于抗剥落性，在50个循环结束时，通过目视检查，我们发现板没有质量损失，目视等级为零。

氯离子渗透深度方面，在氯化钙溶液应用后，我们注意到添加SAP和30%矿渣替代有助于细化微观结构，从而降低氯离子渗透深度。SAP会引入一些空隙，但添加SAP和矿渣也有助于细化微观结构，从而降低混合物的氯离子渗透深度。

对于吸水率，我们注意到添加30%矿渣水泥后，初始和最终吸水率均逐渐降低。

最后，我们来看电阻率，它与氯离子渗透深度相关。我们注意到添加SAP会增加混合物的电阻率和形成因子，这表明微观结构得到了细化，并且在渗透性方面也有所改善，从而提高了混凝土混合物的耐久性。

总结来说，我们发现：

1. 使用可溶袋在现场输送SAP非常有效，实现了充分分散和混合物稠度。
2. 早期性能方面，添加SAP和矿渣有助于改善混合物的早期性能

   ，这与一些矿渣混合物相关的早期强度降低问题得到了改善。

3. 与表面养护（例如施加表面养护剂）相比，SAP显著提高了抗压强度

   ，这在现场浇筑和芯样中均得到验证，且适用于所有龄期。

4. 含有SAP和矿渣的混合物显示出更低的氯离子渗透深度

   ，这与仅含SAP的混合物相比，表明协同效应有助于降低渗透性，从而提高抗氯离子渗透能力。

5. 含有矿渣的混凝土混合物表现出更高的电阻率和更低的氯离子渗透性。

非常感谢。这是我们的项目团队，我要感谢印第安纳州交通部、联合交通与研究项目，特别是高炉矿渣水泥协会给予的这个宝贵机会，最后但同样重要的是，感谢普渡大学提供的机会。谢谢大家。

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