高吸水性聚合物對(duì)水泥砂漿長(zhǎng)期收縮性能的影響

張國(guó)防， 陸小培， 和 瑞， 王亞文， 王培銘

(1.同濟(jì)大學(xué) 先進(jìn)土木工程材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201804；2.同濟(jì)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 201804)

水泥基材料的收縮變形對(duì)建筑工程質(zhì)量具有很大影響，甚至影響到建筑工程使用安全和服役壽命[1].水泥基材料的干燥收縮和自收縮是導(dǎo)致其收縮變形的關(guān)鍵因素[2]，主要是材料內(nèi)部毛細(xì)孔相對(duì)濕度降低所致[3].要避免水泥基材料的收縮開(kāi)裂應(yīng)控制其收縮變形，改善內(nèi)部濕度場(chǎng)，提高內(nèi)部含濕量[4-5].由于具有吸附水分能力強(qiáng)、吸水快且吸水量易控制等特點(diǎn)[6-7]，高吸水性聚合物(SAP)常用作內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑來(lái)改善水泥基材料內(nèi)部濕度，SAP對(duì)水泥基材料早期收縮性能的影響也已有較多研究[8-14].Jensen等[11]認(rèn)為SAP不僅能顯著降低水泥基材料的早期收縮率，甚至?xí)?dǎo)致水泥基材料在初始階段發(fā)生微膨脹.孔祥明等[12-13]研究發(fā)現(xiàn)預(yù)吸水SAP能顯著降低高性能水泥混凝土的早期自收縮率和干燥收縮率.SAP還能顯著降低摻有輔助膠凝材料的多元膠凝體系早期自收縮率[14].

工程應(yīng)用時(shí)，水泥基材料常處于不同的環(huán)境溫濕度下，其長(zhǎng)期收縮性能會(huì)顯著影響到服役安全.SAP對(duì)水泥基材料早期收縮變形行為的影響已有較多報(bào)道.然而，已有文獻(xiàn)甚少涉及SAP對(duì)水泥基材料長(zhǎng)期收縮變形行為的影響規(guī)律研究，尤其是SAP摻量及粒徑范圍變化的影響.因此本文以水泥膠砂為基準(zhǔn)，研究了SAP對(duì)不同濕度條件下水泥砂漿360d干燥收縮性能的影響，以及SAP摻量和粒徑范圍變化對(duì)水泥砂漿360d自收縮性能的影響規(guī)律，并通過(guò)測(cè)試水泥砂漿內(nèi)部相對(duì)濕度、孔結(jié)構(gòu)和微觀形貌，初步探討了SAP對(duì)水泥砂漿長(zhǎng)期收縮性能的作用機(jī)理.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：安徽海螺水泥廠生產(chǎn)的海螺牌P·Ⅱ52.5R硅酸鹽水泥.SAP：上海禹伊實(shí)業(yè)有限公司提供的丙烯酸/丙烯酸鈉共聚物，其物性參數(shù)如表1所示.ISO標(biāo)準(zhǔn)砂，實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水.

表1 SAP的物性參數(shù)Table 1 Physical parameters of SAP

1.2 配合比

水泥砂漿的灰砂比(質(zhì)量比，本文所涉及的比值、摻量等均為質(zhì)量比或質(zhì)量分?jǐn)?shù))固定為1∶3，水灰比固定為0.5.研究SAP粒徑范圍變化對(duì)水泥砂漿收縮性能的影響時(shí)，將SAP篩分得到106～160μm，70～106μm和0～70μm共3個(gè)粒徑范圍，對(duì)應(yīng)砂漿試件分別記作S4-1、S4-2和S4-3，摻量固定為水泥質(zhì)量的0.4%.研究SAP摻量變化對(duì)水泥砂漿收縮性能的影響時(shí)，SAP未做篩分(粒徑≤160μm)，摻量分別為水泥質(zhì)量的0%，0.2%，0.4%和0.6%，對(duì)應(yīng)砂漿試件分別記作S0，S2，S4和S6.其中未摻SAP的水泥砂漿S0為基準(zhǔn)砂漿.具體配合比如表2所示.

表2 水泥砂漿配合比Table 2 Mix proportions of cement mortars

1.3 水泥砂漿制備和測(cè)試

按照配合比稱量所需原材料，首先將水泥和SAP在膠砂攪拌機(jī)中混合均勻，然后按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢測(cè)方法(ISO法)》攪拌制備水泥砂漿.

按照GB/T 29756—2013《干混砂漿物理性能試驗(yàn)方法》制備成型干燥收縮性能測(cè)試用試件(尺寸為40mm×40mm×160mm)，在溫度/相對(duì)濕度分別為(20±1) ℃/(40±5)%RH，(20±1) ℃/(60±5)%RH和(20±1) ℃/(90±5)%RH條件下養(yǎng)護(hù)和測(cè)試其0，1，2，3，7，14，28，60，90，180，270和360d的干燥收縮率.測(cè)試SAP粒徑范圍變化的影響時(shí)，試件僅放在(20±1) ℃/(60±5)%RH條件下養(yǎng)護(hù).

按照文獻(xiàn)[14]的測(cè)試方法，制備成型自收縮性能測(cè)試用試件，在(20±1) ℃/(60±5)%RH條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，成型3h后測(cè)試試件長(zhǎng)度作為初始長(zhǎng)度；自收縮率測(cè)試齡期分別為0，1，2，3，7，14，28，60，90，180，270和360d.

按照GB/T 17671—1999，制備成型水泥砂漿中心部位相對(duì)濕度測(cè)試用試件；參照文獻(xiàn)[4]的方法，試件成型時(shí)在成型面的中心位置垂直插入長(zhǎng)度為20mm、直徑為8mm的光圓鋼筋，1h后小心地拔出鋼筋，植入與鋼筋同尺寸的PVC管(端部管壁有4個(gè)直徑2mm的孔)，將鉑金探頭(長(zhǎng)度5mm、直徑4mm)放入PVC管里面，埋入深度控制在(18±2) mm，然后用膠泥密封PVC管口及四周以防止水分從這些部位散失.在(20±1) ℃/(60±5)%RH條件下養(yǎng)護(hù)，利用HH-314A型濕度測(cè)定儀測(cè)試試件內(nèi)部相對(duì)濕度，測(cè)試齡期分別為1，3，12，16，20，24，48，72，96，120，144，168，240，336和672h，試驗(yàn)結(jié)果取3個(gè)試件測(cè)試結(jié)果的算術(shù)平均值.

按照GB/T 17671—1999制備成型試件，放在(20±1) ℃/(60±5)%RH條件下養(yǎng)護(hù)28d后，取新鮮斷面，利用Quanta FEG 650 SEM場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電鏡直接觀察該新鮮斷面的微觀形貌.養(yǎng)護(hù)28d 的試件除去表層(≥1mm)，破碎后用無(wú)水乙醇終止水化，在40℃、1.0×10-2MPa真空度下真空干燥，然后制備成若干個(gè)4～6mm大小的顆粒，采用美國(guó)麥克默瑞提克公司Autopore IV 9500 V1.09壓汞儀進(jìn)行孔結(jié)構(gòu)分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 SAP對(duì)水泥砂漿長(zhǎng)期干燥收縮性能的影響

在不同濕度條件下，SAP摻量變化對(duì)水泥砂漿360d干燥收縮率的影響如圖1所示.由圖1可知：在3種濕度條件下，SAP均能在一定程度上降低水泥砂漿的干燥收縮率，但濕度不同時(shí)其影響效果明顯不同：40%RH和60%RH條件下，SAP能顯著降低水泥砂漿各齡期干燥收縮率，且40%RH條件下的降幅更大(見(jiàn)圖1(a)，(b))；90%RH條件下，SAP雖仍能在一定程度上降低水泥砂漿的干燥收縮率，但降幅相對(duì)較小(見(jiàn)圖1(c)).另外，SAP摻量變化也明顯影響到水泥砂漿干燥收縮率，其摻量為0.4%時(shí)的改善效果最佳.這表明，摻入SAP能降低水泥砂漿各齡期的干燥收縮率，改善水泥砂漿的干燥收縮性能，且存在最佳摻量；養(yǎng)護(hù)濕度越低，SAP的改善效果越明顯.

圖1 SAP摻量變化對(duì)水泥砂漿在不同濕度條件下干燥收縮率的影響Fig.1 Influence of SAP dosage variation on drying shrinkage of cement mortars under different relative humidities

當(dāng)SAP摻量固定為0.4%時(shí)，SAP粒徑范圍變化對(duì)水泥砂漿干燥收縮率的影響如圖2所示.由圖2可知：相比于基準(zhǔn)砂漿，摻加不同粒徑范圍SAP的水泥砂漿各齡期干燥收縮率均顯著降低；早齡期時(shí)(28d以內(nèi))，粒徑范圍不同的SAP影響程度不同，其中粒徑范圍為70～106μm的SAP使得水泥砂漿的干燥收縮率降幅最為顯著；中后齡期時(shí)(56d之后)，不同粒徑范圍的SAP對(duì)水泥砂漿干燥收縮性能的改善程度基本相同.這表明，摻入粒徑范圍不同的SAP均能顯著改善水泥砂漿的干燥收縮性能，但影響程度則有所差異.

圖2 粒徑范圍不同的SAP對(duì)水泥砂漿干燥收縮率的影響Fig.2 Influence of SAP particle distribution on drying shrinkage of cement mortar

2.2 SAP對(duì)水泥砂漿長(zhǎng)期自收縮性能的影響

SAP的摻量和粒徑范圍變化對(duì)水泥砂漿長(zhǎng)期自收縮率的影響如圖3，4所示.由圖3可知：SAP能在一定程度上降低水泥砂漿各齡期的自收縮率，1d以內(nèi)時(shí)，摻加SAP的水泥砂漿甚至表現(xiàn)為微膨脹；SAP

摻量為0.4%時(shí)對(duì)水泥砂漿收縮性能的改善效果最佳.由圖4可知：摻入不同粒徑范圍的SAP均能使水泥砂漿自收縮率顯著降低，早齡期(28d以內(nèi))時(shí)降幅較大，中后期時(shí)降幅相對(duì)較小，但粒徑范圍變化的影響程度基本相同.這表明，摻入SAP能明顯改善水泥砂漿的長(zhǎng)期自收縮性能，且早齡期時(shí)尤為顯著，但粒徑范圍變化的影響差別很小.

2.3 SAP改善水泥砂漿長(zhǎng)期收縮性能的機(jī)理分析

SAP對(duì)水泥砂漿內(nèi)部相對(duì)濕度的影響如圖5所示.由圖5可知：相比于基準(zhǔn)砂漿，摻加SAP的水泥砂漿在各齡期的內(nèi)部相對(duì)濕度均明顯較高；隨著SAP摻量增大，水泥砂漿內(nèi)部相對(duì)濕度也有所增大.這是由于SAP具有水分緩釋作用[6-8]，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間延長(zhǎng)，能逐漸釋放出所吸附的水分，有效彌補(bǔ)水分散失所致的內(nèi)部相對(duì)濕度下降.

圖3 SAP摻量變化對(duì)水泥砂漿自收縮率的影響Fig.3 Influence of SAP dosage variation on autogenous shrinkage of cement mortar

圖4 粒徑范圍不同的SAP對(duì)水泥砂漿自收縮率的影響Fig.4 Influence of SAP particle distribution on autogenous shrinkage of cement mortar

SAP對(duì)水泥砂漿孔結(jié)構(gòu)的影響如表3和圖6所示.由表3和圖6可知，SAP對(duì)水泥砂漿孔結(jié)構(gòu)的影響明顯.相比于基準(zhǔn)砂漿，摻加0.4%SAP后，水泥砂漿的總孔隙率和平均孔徑均有所增大，最可幾孔徑和中值孔徑明顯增大，密實(shí)程度有所降低.

孔結(jié)構(gòu)會(huì)顯著影響水泥砂漿的收縮性能.當(dāng)水泥砂漿的密實(shí)度降低、孔隙率增大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致其收縮率增大[15].通過(guò)改善水泥基材料內(nèi)部濕度場(chǎng)，提高含濕量，能有效減小其干燥收縮率和自收縮率[3-5,16-17].因此，綜合SAP對(duì)水泥砂漿孔結(jié)構(gòu)和內(nèi)部相對(duì)濕度的影響可知，SAP能顯著降低水泥砂漿長(zhǎng)期干燥收縮率和自收縮率的主要原因是其能使水泥砂漿在較長(zhǎng)齡期內(nèi)保持較高的內(nèi)部相對(duì)濕度，延緩水分散失，降低水分蒸發(fā)所致的毛細(xì)孔張力.

圖5 SAP摻量變化對(duì)水泥砂漿內(nèi)部相對(duì)濕度的影響Fig.5 Influence of SAP dosage variation on internal relative humidity of cement mortar

SampleTotal porosity(by volume)/%Mean pore diameter/nmMode pore diameter/nmMedian diameter/nmPore surface area/(m2·g-1)S015.72115.6111.3328.62.50S416.93126.61397.0821.22.51

圖6 基準(zhǔn)砂漿與摻0.4%SAP砂漿28d孔徑分布Fig.6 Pore distributions of reference cement mortar and cement mortar with 0.4% SAP cured for 28d

在環(huán)境濕度較低的情況下，SAP對(duì)水泥砂漿干燥收縮性能和自收縮性能的改善效果更好.原因在于，當(dāng)環(huán)境濕度較低時(shí)，SAP能更有效地發(fā)揮其水分緩釋作用，顯著提高水泥砂漿內(nèi)部相對(duì)濕度，降低毛細(xì)孔張力，從而顯著改善水泥砂漿的收縮性能.環(huán)境濕度較高時(shí)，水泥砂漿內(nèi)部水分散失較慢，內(nèi)部相對(duì)濕度較高，SAP的水分緩釋作用不能有效發(fā)揮，其對(duì)水泥砂漿收縮性能的改善作用也相對(duì)較低.

就改善水泥砂漿干燥收縮性能和自收縮性能而言，SAP存在著較佳摻量.原因在于SAP摻量較低時(shí)，所吸附的水分較少，維持水泥砂漿內(nèi)部相對(duì)濕度的能力也較低；SAP摻量較高時(shí)，雖能很好地提高水泥砂漿保持內(nèi)部相對(duì)濕度的能力，降低收縮率，但在水分緩釋過(guò)程中，吸水溶脹的SAP顆粒會(huì)逐漸坍縮變小，使水泥砂漿孔隙增多(如圖7所示)，孔隙率和收縮率增大.二者綜合作用的結(jié)果反而會(huì)使水泥砂漿收縮率測(cè)定值增大.

圖7 摻SAP的水泥砂漿28d時(shí)的微觀形貌Fig.7 Morphology of cement mortar with SAP at 28d

3 結(jié)論

(1)不同濕度條件下，SAP均能在一定程度上降低水泥砂漿的長(zhǎng)期干燥收縮率，改善其干燥收縮性能；濕度較低時(shí)，SAP的改善效果尤為顯著.SAP也能顯著改善水泥砂漿的自收縮性能，降低其自收縮率，且早齡期時(shí)尤為顯著.SAP能顯著改善水泥砂漿的長(zhǎng)期收縮性能，主要原因在于SAP能顯著改善水泥砂漿內(nèi)部相對(duì)濕度分布，降低水分散失速率.

(2)SAP摻量變化顯著影響到水泥砂漿的干燥收縮性能和自收縮性能，且存在著較佳摻量(水泥質(zhì)量的0.4%)；SAP存在較佳摻量，原因在于SAP摻量較低時(shí)，其改善水泥砂漿內(nèi)部相對(duì)濕度分布和收縮性能的效果相對(duì)較低，SAP摻量較高時(shí)，雖能顯著改善水泥砂漿內(nèi)部相對(duì)濕度分布和收縮性能，但其溶脹顆粒失水坍縮會(huì)對(duì)水泥砂漿收縮性能帶來(lái)一定的不利影響.

(3)SAP粒徑范圍不同，對(duì)水泥砂漿早期收縮性能的改善作用明顯不同，但對(duì)水泥砂漿中后齡期收縮性能的影響沒(méi)有明顯差別.

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