不同分子量SAP對活性粉末混凝土自收縮及早期水化進(jìn)程的影響

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(1.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300350；2.天津大學(xué) 濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

0 引言

活性粉末混凝土(reactive powder concrete, RPC)作為一種超高性能的水泥基材料，其優(yōu)異的力學(xué)性能已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可。但是，由于水膠比過低以及硅灰等活性粉末的摻入，導(dǎo)致RPC在水化過程中內(nèi)部濕度迅速下降，引起較為嚴(yán)重的自收縮問題[1]。龍廣成等[2]通過埋設(shè)桿式溫度傳感器發(fā)現(xiàn)RPC在水化期間會發(fā)生嚴(yán)重的自干燥，養(yǎng)護(hù)前7 d內(nèi)部濕度下降了70%；王沖等[3]采用線性法測量了不同水膠比的RPC收縮率，結(jié)果顯示28 d已超過500×10-6；韓松等[1]測得的蒸養(yǎng)期間RPC的收縮率高達(dá)600×10-6。收縮過大嚴(yán)重影響實(shí)際工程中對開裂的控制及耐久性問題。此外，由于RPC結(jié)構(gòu)致密、抗?jié)B性強(qiáng)，傳統(tǒng)的外部水養(yǎng)護(hù)對其收縮開裂的抑制作用十分有限，故如何通過添加內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑有效降低PRC的收縮是學(xué)者們研究的重點(diǎn)。

高吸水樹脂(super absorbent polymer, SAP)憑借松散網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和親水性高的特點(diǎn)，具有良好的吸水性和保水性，將其加入混凝土中，會在前期吸水保水，養(yǎng)護(hù)過程中緩慢釋水，使后期內(nèi)部水化更加充分，減小混凝土的自收縮。張珍林等[4]認(rèn)為，SAP的減縮機(jī)理主要是改變了混凝土的水化進(jìn)程及微觀孔結(jié)構(gòu)。對于普通混凝土已有大量研究證實(shí)了SAP可以有效降低其自收縮[5-8]。但是對于其在水膠比更小、收縮更大的RPC中的應(yīng)用還很少。SAP的內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用可以改善RPC內(nèi)部濕度下降迅速的缺陷，理應(yīng)可以更好地解決RPC收縮大的問題。此外，SAP作為高分子聚合物，在改變聚合反應(yīng)條件時分子量差異較大，可形成低到幾千、高至幾千萬的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。不同分子量的SAP擁有不同的分子鍵擴(kuò)展度，導(dǎo)致其吸水、釋水行為不同。因此不同分子量的SAP對于水泥基材料的減縮效果將會出現(xiàn)差異，而用不同分子量SAP作為內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑的研究也很少。因此，研究摻入SAP對RPC的減縮效果，并從自收縮、早期水化進(jìn)程及抗壓強(qiáng)度3個方面研究采用2種不同分子量SAP進(jìn)行內(nèi)養(yǎng)護(hù)的優(yōu)劣。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

水泥：駱駝牌P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥，天津水泥股份有限公司生產(chǎn)；硅灰：98微硅灰，鄭州吉興有限公司生產(chǎn)，比表面積為25 000 m2/kg；粉煤灰：I級粉煤灰，比表面積為340 m2/kg；石英砂：粒徑范圍為1.18～0.35 mm，二氧化硅含量大于96%；石英粉：粒徑范圍0.30～0.075 mm，二氧化硅含量大于96%；減水劑：聚羧酸系減水劑JM-PCA(IV)，按膠凝材料質(zhì)量比摻入，減水率35%，江蘇蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)；拌合水：實(shí)驗(yàn)室普通自來水；SAP-H：高分子量聚丙烯酸鈉，白色粉末狀，分子量為2 000萬；SAP-L：低分子量聚丙烯酸鈉，白色粉末狀，分子量為4 000。兩種SAP的吸水倍率如表1所示。

表1 SAP吸水倍率 g/g

SAP分子量不同主要影響分子鍵的擴(kuò)展度，分子量越低則分子鍵擴(kuò)展度越高[9]。粒徑相同的情況下，高分子量的SAP顆粒內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)空間更大，可以儲存更多的水分子，進(jìn)而吸水倍率高，保水后體積膨脹量更大；低分子量的SAP可儲藏水分子的三維空間有限，但由于其更好的分子鍵擴(kuò)展度，使親水基團(tuán)吸附的水分不容易散失，故釋水緩慢。

1.2 引入水量的確定

對于SAP的摻入方式，不同學(xué)者給出了不同建議。張珍林等[4]、胡曙光等[6]、鄒凌凱[7]先將SAP按一定吸水倍率進(jìn)行預(yù)吸水處理，與膠凝材料混合均勻后再加水?dāng)嚢?；黃政宇等[10]、李明等[11]按照膠凝材料的一定比率將SAP以粉末形式直接與膠凝材料混合均勻再加水?dāng)嚢?。?dāng)SAP以粉末狀形式直接摻入時，吸水過程與水泥拌和過程同時進(jìn)行，不能保證SAP吸水飽和，不能充分保證其儲存足夠的內(nèi)養(yǎng)護(hù)水供后期釋放；但是相反如果將SAP充分吸水至飽和后加入混凝土中，在水泥漿體離子濃度影響下，可能出現(xiàn)過早釋水的情況，影響混凝土的工作性能及內(nèi)養(yǎng)護(hù)效果[12]。結(jié)合孔祥明等[13]的建議，將SAP按照在飽和Ca(OH)2溶液中的吸水倍率進(jìn)行預(yù)吸水，靜置30 min后摻入RPC中。這樣能夠在保證一定的預(yù)吸水量條件下，同時加入水泥基材料后減小離子濃度對SAP釋水行為的影響。

對于引入水量的確定，按照膠凝材料水化過程中的理論用水量確定。根據(jù)Powers et al[14]提出的水泥水化模型，可推導(dǎo)出額外引入水膠比Wi/C的計(jì)算公式為

(1)

1.3 試驗(yàn)配合比

表2為試驗(yàn)所用配合比。采用水膠比為0.17作為對照組配比，通過式(1)確定的最理想額外引入水膠比為0.03，為方便描述，將此摻量定義為基準(zhǔn)摻量。2種分子量的SAP各增加一組額外引入水膠比為0.06的配比作摻量對比分析，定義為對比摻量。由于額外引入水膠比的行為實(shí)質(zhì)上增加了混凝土中的總水膠比(拌合水膠比和內(nèi)養(yǎng)護(hù)水較比之和)，故引入2組總水膠比不變的對照組H1-0、H2-0與H1、H2進(jìn)行比較。

表2 試驗(yàn)配合比

注：We/C為試件成型時的拌合水膠比，Wi/C為通過SAP預(yù)吸水量算得的額外引入水膠比。

1.4 試驗(yàn)方法

(1)試件制備。將SAP進(jìn)行預(yù)吸水處理，拌和均勻后靜止30 min至吸水充分，然后與膠凝材料混合干攪30 s至SAP顆粒分散均勻，加入拌合水、減水劑、細(xì)骨料，攪拌240 s至狀態(tài)良好后澆筑，振搗30 s。

(2)自收縮試驗(yàn)。試件尺寸采用40 mm×40 mm×160 mm，每個配比成型6個試件。試件兩端埋設(shè)銅頭，成型24 h后拆模，用熔融石蠟進(jìn)行密封處理，置于溫度為20±2 ℃、濕度為95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)。采用配置千分表(精度1 μm)的標(biāo)準(zhǔn)比長儀在指定齡期進(jìn)行測量。

(3)等溫量熱試驗(yàn)[15]。采用美國TM微熱測量儀測試水泥漿體早期的水化放熱情況。試驗(yàn)前24 h開啟儀器使其達(dá)到熱平衡狀態(tài)。將SAP進(jìn)行預(yù)吸水處理后與其它材料混合，將拌合漿體置于試管中放入微熱測試通道，記錄48 h的水化放熱速率，將結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

(4)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。采用YAW-2000D型微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)，按GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 自收縮特性

2.1.1 不同分子量SAP摻入對RPC自收縮的影響

圖1(a)為改變SAP分子量時，試驗(yàn)測得的不同齡期RPC的收縮率，未摻SAP的0組收縮率較大，56 d達(dá)到了4.81×10-8，2種SAP的摻入均降低RPC的自收縮。

摻入高分子量SAP具有更好的減縮效果，養(yǎng)護(hù)56 d后，H1組收縮率下降了46.6%，H2組下降了44.3%，減縮效果不如H1組。可見SAP的摻量并不是越多越有利于減縮，原因是SAP摻量過大增加了早期膠凝材料水化產(chǎn)生的化學(xué)收縮。

摻入低分子量SAP時，前期(1 d至7 d)的減縮效果不佳，收縮率與對照組相差不多，但是隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，后期(7 d至56 d)的收縮率增加緩慢，56 d后L1組收縮率下降了41.2%，L2組下降了39.5%。故采用低分子量的SAP可以延長內(nèi)養(yǎng)護(hù)周期，對后期收縮率的控制優(yōu)于高分子量SAP；當(dāng)摻量增加時，減縮效果并沒有太明顯的改變。

2.1.2 總水膠比對RPC自收縮的影響

圖1(b)對比了0，H1，H2，H1-0，H2-0這5組配比在不同齡期的收縮率。可以看出總水膠比的不同對RPC的收縮率有一定的影響。從H1-0與H2-0 2組數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)控制總水膠比不變時，減縮效果不如直接額外引入內(nèi)養(yǎng)護(hù)水，56 d的收縮率分別下降了37.0%和34.7%。

圖1 SAP的摻入對RPC自收縮的影響

2.2 SAP的引入對水化進(jìn)程的影響

等溫量熱測量的試驗(yàn)結(jié)果見圖2。從圖2(a)可以看出，水泥基材料在前48 h水化放熱過程中出現(xiàn)了3次峰值速率。此外，峰值速率的大小受總水膠比的影響很大，對于總水膠比不變的H1-0，H2-0組，峰值速率明顯大于其它組，可見總水膠比是影響膠凝材料水化峰值放熱速率的主要因素。

由圖2(d)可以看出，2種SAP的摻入均降低了峰值放熱速率，其中低分子量的SAP降低幅度更大。2種SAP的摻入均在一定程度上推遲了水化反應(yīng)加速期開始的時間。從圖2(c)可以看出，增加引入水量后兩次峰值放熱速率相差較大，可見增加引入水量的行為激發(fā)了前期的水化反應(yīng)，使前期反應(yīng)更加劇烈，后期相對平緩，而H1組的反應(yīng)則保持平穩(wěn)。這是由于對比摻量的水膠比超過了由Powers水泥水化模型確定的理想水膠比，增加了早期參與水化的水量，故增加了早期的反應(yīng)速率，使整體水化反應(yīng)的進(jìn)程提前，可見摻入SAP、合理引入內(nèi)養(yǎng)護(hù)水可以控制膠凝材料水化反應(yīng)平穩(wěn)的進(jìn)行，使反應(yīng)分階段平穩(wěn)進(jìn)行。

圖2(b)為由圖2(a)積分得到的總放熱量隨齡期的變化曲線?？梢钥闯?，放熱量的大小與摻入SAP的分子量高低有直接關(guān)系，與總水膠比的大小關(guān)系不大。相比之下，高分子量的SAP摻入后會明顯提高總放熱量，而低分子量的SAP摻入對總放熱量的影響不大，由此可見，摻入低分子量的SAP更有利于控制水化過程中的反應(yīng)熱。

圖2 SAP的摻入對RPC膠凝材料水化進(jìn)程的影響

2.3 SAP對RPC抗壓強(qiáng)度的影響

圖3為試驗(yàn)測得的RPC試件7 d及28 d的抗壓強(qiáng)度?？梢钥闯?，總體上SAP的摻入會降低RPC的抗壓強(qiáng)度，并且隨著SAP摻量的增加，抗壓強(qiáng)度的下降呈增長趨勢。H1、H2、L1、L2組在28 d時分別降低了16%、25%、16%和10%，故SAP對RPC抗壓強(qiáng)度的影響不大，這一現(xiàn)象也與此前學(xué)者對于普通混凝土的研究結(jié)果類似[7]。低分子量SAP更有利于保證強(qiáng)度，與高分子量SAP相比，二者對強(qiáng)度的發(fā)展影響是不同的，7 d齡期時，摻入高分子量SAP時抗壓強(qiáng)度更高，28 d則相反，可以看出高分子量的SAP更有利于提高RPC的早期強(qiáng)度，而低分子量SAP的摻入雖然早期強(qiáng)度較低，但后期強(qiáng)度增長迅速。

對比0、H1-0、H2-0組可以看出，28 d時H1-0、H2-0組比0組提高了5%和4%，這一結(jié)果與孔祥明等[11]在高強(qiáng)混凝土中的試驗(yàn)結(jié)果不同，可以看出拌合水膠比是RPC強(qiáng)度的主要影響因素。

圖3 SAP的摻入對RPC不同齡期抗壓強(qiáng)度的影響

3 結(jié)論

將2種不同分子量的SAP預(yù)吸水后引入到RPC中，研究SAP對RPC自收縮、抗壓強(qiáng)度及早期水化進(jìn)程的影響，低分子量SAP在具有較好減縮效果的同時，更好地控制了水化放熱量和強(qiáng)度損失，比高分子量SAP更適合作為內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料，得到以下結(jié)論。

(1)高分子量SAP具有更好的減縮效果，高分子量與低分子量SAP在基準(zhǔn)摻量下56 d的自收縮分別減小了46.6%和41.2%。

(2)SAP的摻入可以降低水化過程中的峰值放熱速率，低分子量SAP的效果更佳。

(3)不同分子量的SAP對RPC水化過程放熱總量產(chǎn)生差異，低分子量SAP的摻入對總放熱量影響較小。

(4)拌合水膠比相同時，SAP的摻入會降低RPC的抗壓強(qiáng)度，其中高分子SAP降低幅度更大，基準(zhǔn)摻量下達(dá)到了16%，低分子量為10%；總水膠比相同時，摻入SAP后強(qiáng)度將增加5%左右。