SAP的吸水性能及其对混凝土强度的影响

秦子凡,张士萍,牛龙龙,杨 慧

(1. 安徽建筑大学土木工程学院, 安徽 合肥 230601;2. 南京工程学院建筑工程学院, 江苏 南京 211167;3. 江苏双龙集团有限公司, 江苏 南京 211106)

高性能吸水树脂(super-absorbent polymer,SAP)是一种具有亲水基的合成高分子树脂,具有一定的吸水能力和蓄水能力,可以吸收大量的水而不溶解[1];优良的吸-释水性能是SAP作为内养护剂使用的必要前提[2];SAP被加入混凝土时前期会吸水保水,养护过程中缓慢释水,使后期内部水化更加充分,通过这种吸水、释水过程会减小水泥基内部不同区域的湿度差,有效抑制水泥基材料的早期自收缩[3-5];在高强混凝土中加入SAP作为内养护剂可以抑制混凝土早期的开裂风险[6];SAP吸水再释水会进一步提高混凝土的抗渗、抗冻和抗碳化能力,对抗压强度也有影响[7-9].研究发现,当SAP作为内养护剂时,掺量过多会影响混凝土的抗压强度,当SAP掺量不超过胶凝材料总质量的0.5%时,对抗压强度基本没有影响,掺量超过0.5%时,抗压强度明显下降[10],被用于超高性能混凝土(UHPC)中时对强度的不利影响更大[11].上述研究均未考虑SAP对水泥净浆的影响,本文选择不同掺量SAP在标准稠度用水量的情况下对抗压强度的影响进行分析研究.

1 材料和试验

1.1 SAP的制备

试验用SAP为实验室自行制备,丙烯酸、丙烯酰胺为单体,二者进行共聚.以过硫酸铵为引发剂,N,N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂,水为溶剂,将丙烯酰胺与N,N-亚甲基双丙烯酰胺加入20 mL水中超声溶解;准备一个四口烧瓶,加入40 mL水,水浴升温到60 ℃,加入丙烯酸、溶解好的丙烯酰胺与N,N-亚甲基双丙烯酰胺;将Ce(AA)3溶于丙烯酸中进行混合;将四甲基乙二胺+过硫酸铵溶解后通过蠕动泵加入到四口烧瓶,凝胶化生成,停止试验;将水凝胶进行水护24 h、烘干12 h后粉碎.

1.2 吸水倍率的测定

采用茶袋法,将茶袋放入蒸馏水溶液中吸水浸湿,消除吸水误差;将一次性塑料杯放置于天平上,去皮;把浸湿后的茶袋用镊子夹取,放入塑料杯中称重,记录湿茶袋的质量;称取0.5 g SAP样品倒入湿茶包中,扎紧封口,防止漏出;取250 mL水倒入塑料杯中,确保装有SAP的茶袋完全浸入溶液中,吸水1/6、1/3、1/2、1、2、4、8、24 h,分别称重各时间点茶袋和SAP的质量;用茶袋和SAP的质量减去湿茶袋的质量除以SAP质量得到每克SAP的吸水倍率.将吸水24 h完成后的SAP放于烘箱中,调节烘箱温度为80 ℃,烘干至恒重;重复24 h吸水试验步骤多次,记录数据.

1.3 模拟孔溶液吸水率的测定

实验室配置模拟孔溶液成分见表1,测试SAP在模拟孔溶液中的吸水率.考虑到试验时SAP吸水后材料的可称量性,本试验采用茶袋法,将SAP装入茶袋中,连同茶袋一起放入溶液中吸水.试验步骤与SAP在蒸馏水中的吸水率测试步骤一致,记录下1/6、1/3、1/2、1、2、4、8、24 h的吸水量.

表1 模拟孔溶液成分表

1.4 标准稠度用水量的测定

试验用水泥为江南-小野田水泥有限公司的P·Ⅱ52.5硅酸盐水泥,SAP为实验室自制.分别测试SAP掺量为0%、0.1%、0.25%和0.5%时的水泥净浆标准稠度用水量,试验编号为A0、A1、A2、A3.

试验方法参照GB/T 1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》.将拌合水倒入搅拌锅内,再将500 g水泥加入水中,拌合时先低速拌合120 s,停15 s,将叶片上的水泥浆刮入锅中,再高速拌合120 s后停机;立即取适量水泥装入已经置于玻璃底板的试模中,抹去多余净浆,使表面光滑,再整体移到维卡仪上,降低试杆至其与净浆平面接触,停2 s后,突然放松,使试杆自由下落至水泥净浆内,记录试杆距底板之间的距离,以(6±1)mm的水泥净浆为标准稠度用水量.

1.5 凝结时间的测定

凝结时间的测定试验方法参照GB/T 1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》.由水泥全部加入水中至初凝状态的时间为水泥的初凝时间;由水泥全部加入水中至终凝状态的时间为水泥的终凝时间.测定时,用已经测得的不同SAP掺量下的标准稠度用水量制作净浆,从湿气养护箱中取出试模放到试针下,降低试针至其与水泥净浆表面接触,试针垂直自由地沉入水泥净浆;观察试针停止下沉或释放试针时指针的读数;当试针沉至距底板(4±1)mm时,为水泥达到初凝状态;在完成初凝时间测定后,立即将试模连同浆体以平移的方式从玻璃板取下翻转,大端向上,小端向下放在玻璃板上,当试针沉入试体0.5 mm时,即环形附件不能在试体上留下痕迹时为水泥达到终凝状态.

1.6 水泥净浆试块制作

选用标准稠度用水量作为SAP材料的用水量,在水泥水化时,部分水泥水化用水会被SAP材料吸收,采用标准稠度用水量作为不同试验组的用水量可以保证水泥在水化过程中用水量足够.不同试块的材料成分如表2所示.

表2 水泥净浆试块材料成分表 g

试验前在成型模具上刷上脱模剂,成型模具为六联试模,尺寸为20 mm×20 mm×20 mm(见图1).按照材料成分质量,将SAP与水泥充分搅拌混合均匀,搅拌用的搅拌锅和搅拌机叶片事先用湿抹布擦拭干净并湿润;将胶凝材料和水倒入搅拌锅中,添加顺序为先倒入水再倒入胶凝材料,先低速搅拌120 s,停止30 s,在此期间用刮铲将搅拌机叶片上的砂浆刮入锅中,然后高速搅拌120 s,整个搅拌时间持续270 s.装模时将净浆分两次装入模具中,每装一次用振动台振实,振实后用金属刮尺将试模上多余的砂浆刮去,并用直尺将试件表面抹平,用保鲜膜覆盖,完成后放置于温度为20 ℃、湿度为95%的环境下;装模成型24 h后拆卸模具进行脱模.为避免扰动,拆模过程中尽量轻拿轻放,保证试块的完整性;拆模后按照不同试验分组进行编号,置于温度为20 ℃、湿度为95%的环境下进行养护.

(a) 六联试模

2 结果与讨论

2.1 SAP吸水性能

试验测得24 h每克SAP在蒸馏水和模拟孔溶液中的吸水倍率如表3所示.

表3 每克SAP在蒸馏水和模拟孔溶液中的吸水倍率 g·g-1

SAP材料在蒸馏水中吸水1/6 h后吸水倍率达到24 h吸水倍率的60%,在后续的1 h内吸水增速较慢,8 h后吸水倍率达到24 h吸水倍率的85%左右.SAP在前期的吸水量较大(见图2),掺入水泥对水泥的前期水化会有一定影响.

图2 SAP在蒸馏水和模拟孔溶液中的吸水倍率

SAP在模拟孔溶液中前期吸水速率和吸水量都高于在蒸馏水中的前期吸水速率和吸水量,在1/2 h左右,由于SAP内外部之间离子浓度差所产生的渗透压,大量的吸水使溶液内离子浓度增加的同时降低了溶液的渗透压,导致SAP吸水降低,出现了吸水的波动性.在多离子、高浓度的水泥浆体中溶液对 SAP 的吸液能力影响更大.

2.2 SAP对标准稠度用水量的影响

不同SAP掺量条件下净浆标准稠度用水量试验结果如表5所示.

表4 不同SAP掺量条件下净浆标准稠度用水量表

表5 不同SAP掺量下净浆凝结时间表

SAP的掺入量与水泥净浆的标准稠度用水量呈正相关.在水泥与水刚混合时SAP便会立刻开始吸水,导致标准稠度用水量随着SAP掺入量的增加逐渐增加,每增加0.1 g SAP需要多加入约2.4 g水.

2.3 SAP对凝结时间的影响

不同SAP掺量下净浆凝结时间见表6.SAP掺入量越多,对水泥净浆凝结时间的影响越大,不同SAP掺量条件下SAP额外的吸水量不同,间接提高了水泥净浆的水灰比,导致单位质量水泥的用水量增加,SAP对水泥的凝结有一定抑制作用.

2.4 SAP对水泥净浆试块强度的影响

四组试块分别养护3、7、28 d后在压力机上测试抗压强度,各组试块抗压强度测试结果如图3、图4所示.

图3 试块养护3、7、28 d抗压强度测试结果

图4 试块养护3、7、 28 d抗压强度保留率变化曲线

从图3、图4可见：4组试块的抗压强度都随着养护龄期的增长而增加；A3组的抗压强度最低，各龄期的抗压强度保留率都远低于A0组，分别为50.96%、50.41%、30.3%，可知SAP掺量过多会导致试块强度大幅度降低；养护28 d A1组抗压强度为85.9 MPa，远高于 A2、A3组的抗压强度，低于A0组，可见适量掺入SAP对试块的抗压强度影响小，掺量越少对抗压强度的影响越小；养护3 d A0组的抗压强度保留率高于A1组的约10%，而养护7 d A1组的抗压强度远高于A0组，抗压强度保留率超过A0 组的约40%，说明SAP有一定促进水泥前中期水化的作用，使试件的早期抗压强度有提升.

3 结论

1) 由于SAP自身的吸水性,在混凝土制作中应补充额外的水来满足SAP的吸水性,在满足水泥净浆标准稠度的情况下实际水泥浆体中的吸水量远低于SAP在水中和模拟孔溶液中的吸水量.

2) 随试块龄期的延长,不同SAP 掺量混凝土的抗压强度也随着增加.适量的SAP掺量对混凝土的抗压强度影响不大,SAP掺入增加了养护7 d左右的水泥材料的水化,对混凝土养护28 d抗压强度的影响不大,过多的SAP掺量则会导致混凝土抗压强度大幅度降低.