高吸水樹脂改性水泥砂漿的耐久性研究

張同同,劉杰勝,龔曉強,朱 嬌,楊 玲

(武漢輕工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院,湖北 武漢 430023)

1 引言

高吸水樹脂(Super Absorbent Polymer，簡稱SAP)，是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分子材料，可以迅速吸收和保存水分，其吸水質(zhì)量可為自身質(zhì)量幾百倍甚至上千倍。[1]高吸水樹脂材料是從20世紀(jì)60年代末開始研究并發(fā)展的，美國、日本相繼開發(fā)研究了這種材料，上個世紀(jì)末期，在世界各國迅速發(fā)展，國內(nèi)研究高吸水樹脂是最近十幾年才剛剛興起。[2]綜合這些國內(nèi)外的研究可知，高吸水樹脂主要作用是自養(yǎng)護劑，它能夠很好地改善水泥基材料的性能。[3]

利用SAP將水泥砂漿改性，開展抗?jié)B性能實驗、硫酸鹽干濕循環(huán)實驗和凍融循環(huán)試驗，系統(tǒng)地論證了SAP可提高水泥砂漿的耐久性，為以后SAP改性水泥砂漿的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

2 實驗部分

2.1 原材料

水泥：均采用華新水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其各項性能均符合GB175-2007等有關(guān)規(guī)范的各項規(guī)定。

砂：采用標(biāo)準(zhǔn)砂，其各項性能均符合JGJ52-2006等規(guī)范的有關(guān)規(guī)定。

水：滿足試驗規(guī)范要求的自來水。

高吸水樹脂：選取交聯(lián)型丙烯酸/丙烯酸鈉共聚物，外觀呈白色顆粒狀的粉末，其基本性能如表1所示。

表1 SAP性能指標(biāo)

2.2 配合比確定

由于SAP的吸水性能對水泥水化凝結(jié)硬化產(chǎn)生影響,所以本試驗選擇添加附加水的試驗方法，來降低對水泥的不良影響。[5]本實驗按照DL/T5126-2001的有關(guān)要求設(shè)計配合比，膠砂比為1∶2，水灰比為0.4，摻入的SAP與水泥的質(zhì)量比范圍為0.1%～1%，根據(jù)以前的研究附加水的摻量為mSAP∶m水=1∶15。

2.3 SAP改性水泥砂漿測試與表征

2.3.1 抗?jié)B試驗

水泥砂漿的抗?jié)B性能參考JGJ/T70-2009，將六組試塊按規(guī)定放在儀器上，密封完成后，打開砂漿抗?jié)B儀的開關(guān)，抗?jié)B壓力的確定方法如下：

(1)某次加壓后，8小時內(nèi)，滲水試塊為兩個，P=10H；

(2)某次加壓后，8小時內(nèi)，滲水試塊為三個，P=10H-1；

(3)加至規(guī)定水壓，8小時內(nèi)，滲水試塊小于兩個，P>10H

式中P—水泥砂漿抗?jié)B壓力值(MPa)；

H—停止試驗時的水壓力(MPa)。

(1)試驗中的6個試件有3個已經(jīng)發(fā)生滲水；

(2)當(dāng)水壓到達規(guī)定壓力時，8小時內(nèi)發(fā)生滲水的試件小于3個。

2.3.2硫酸鹽干濕循環(huán)試驗

硫酸鹽干濕循環(huán)試驗根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB-T50082-2009的規(guī)定，試驗所用的試塊尺寸為100mm×100mm×100mm，將養(yǎng)護了28天的試塊在烘箱里恒溫(80±5℃)干燥48小時，冷卻完成后放入試驗設(shè)備中，然后將調(diào)配好的溶液加至沒過試件，最后打開開關(guān)調(diào)好試驗次數(shù)進行試驗。

根據(jù)規(guī)范，試驗中發(fā)生任一情況則試驗終止：

1)當(dāng)抗壓強度耐蝕系數(shù)達到75%；

2)硫酸鹽干濕循環(huán)的次數(shù)達到150次；

3)試件達到設(shè)計規(guī)范要求的次數(shù)。

當(dāng)試驗停止后，對試塊進行測試并記錄數(shù)據(jù)。

2.3.3凍融循環(huán)試驗

凍融循環(huán)試驗主要采用質(zhì)量損失率和強度損失率來表征試件的抗凍性能。[6]將試件做成70.7mm×70.7mm×70.7mm的標(biāo)準(zhǔn)試塊，養(yǎng)護28天后放入溫水(15℃-20℃)中浸泡兩天稱重，然后將其放入試驗設(shè)備中，最后打開開關(guān)調(diào)好實驗次數(shù)進行試驗。每當(dāng)凍融循環(huán)25次，都要檢查一次試塊的外觀破損并做記錄，凍融循環(huán)的過程中，冰凍溫度應(yīng)控制在-17±2℃，融化溫度應(yīng)為8±2℃。在試驗過程中，每組3個試塊，有2個已經(jīng)發(fā)生破壞時，立即停止試驗。

當(dāng)凍融循環(huán)試驗測試完成后，試塊強度損失率不大于25%，質(zhì)量損失率不大于5%，抗凍性能才算合格。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 SAP對水泥砂漿抗?jié)B性的影響

圖1 SAP對砂漿抗?jié)B性的影響曲線

由圖1可知，當(dāng)SAP摻量在0.1%～1%之間時，伴隨著SAP摻入量的增大，水泥砂漿的抗?jié)B壓力先增后減。當(dāng)SAP摻入量為0.5%時，其抗?jié)B壓力效果最佳，達到3.2MPa，比不加SAP的空白組抗?jié)B壓強增加60%，而當(dāng)SAP摻入量為0.9%時，水泥砂漿的抗?jié)B壓力反而下降到1.8MPa，與空白組相比下降20%。

當(dāng)水泥砂漿中摻入0.1%～1%的SAP， SAP具有較強的吸水和保濕性能，使得自身體積變大，把水釋放出去后體積又減小，使水泥內(nèi)部結(jié)構(gòu)中留有一定的封閉縫隙。[7]當(dāng)SAP摻量不大于0.5%時，SAP吸水后體積變大就會充滿內(nèi)部孔隙阻礙水分在試塊的內(nèi)部的運動，從而使得水泥砂漿的抗?jié)B性能得到顯著提高。當(dāng)SAP摻量在0.5%～0.9%之間時，由于SAP吸水膨脹，失水后體積變小，使得試塊的內(nèi)部會產(chǎn)生大量的連通的孔隙，當(dāng)水進入試塊的內(nèi)部時，SAP在一定程度上加速了自由水的通過，從而使得砂漿試塊的抗?jié)B性能降低。

3.2 SAP對水泥砂漿抗硫酸鹽干濕循環(huán)的影響

由圖2和圖3可以看出，這些標(biāo)準(zhǔn)的砂漿試塊在經(jīng)過30次和60次的硫酸鹽干濕循環(huán)以后，試塊的表面均沒有出現(xiàn)裂縫，但是試塊的顏色已經(jīng)變成了土黃色。經(jīng)過測試這些標(biāo)準(zhǔn)試件的抗壓強度，發(fā)現(xiàn)未摻加SAP的試塊強度下降較大，而經(jīng)過SAP改性的砂漿試塊強度下降較小。這也證明了在水泥砂漿中摻入SAP可以提高自身的抗硫酸鹽侵蝕的性能。

圖2 30次硫酸鹽干濕循環(huán)后試塊形貌圖

圖3 60次硫酸鹽干濕循環(huán)后試塊形貌圖

圖4為水泥砂漿隨著硫酸鹽干濕循環(huán)的次數(shù)不同強度損失率的變化曲線，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，強度損失率會逐漸減小。經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)循環(huán)次數(shù)為30次，SAP摻加量為0～1%時，水泥砂漿的抗壓強度損失率為24.43%、17.62%、12.08%、6.23%、5.90%和0。當(dāng)循環(huán)的次數(shù)為60次的時候，水泥砂漿的抗壓強度損失率為26.70%、21.50%、16.01%、13.35%、10.49%和6.83%。由此分析可知，伴隨著SAP摻量的增加，水泥砂漿的抗硫酸鹽腐蝕顯著提高，試塊的抗壓強度損失率逐漸下降。未摻加SAP的水泥砂漿試塊抗壓強度損失最大。

圖4 抗壓強度變化曲線

這主要是由兩方面作用造成的結(jié)果：一是在試驗過程中，SAP吸水后會發(fā)生膨脹，試塊內(nèi)部的孔隙被堵住，對硫酸鹽具有一定的阻礙作用；二是SAP吸水失水在試塊內(nèi)部留下許多封閉孔隙，優(yōu)化了內(nèi)部結(jié)構(gòu)，為硫酸鹽腐蝕水泥產(chǎn)生的鈣礬石和石膏晶體提供了空間，降低體積膨脹的損害。所以，SAP改性后的水泥試塊抗硫酸鹽腐蝕的能力明顯提高，使得抗壓強度損失率變小。

3.3 SAP對水泥砂漿凍融循環(huán)的影響

如圖5和圖6所示，凍融循環(huán)試驗200次之后的試塊與普通養(yǎng)護的試塊之間對比可以發(fā)現(xiàn)，試驗200次之后，水泥砂漿的表面已經(jīng)凹凸不平，未摻加SAP的試塊有明顯的外皮脫落的痕跡，許多沙粒暴露出來，形成了麻面，孔洞，而經(jīng)過SAP改性的水泥砂漿明顯損傷較小，試塊完整度高，只有少許的不平整。并且伴隨凍融循環(huán)次數(shù)的增多，試塊的損傷越嚴(yán)重，尤其到達200次之后，這些試件的外形與之前發(fā)生明顯變形。由圖片對比可以得出，水泥砂漿經(jīng)過SAP改性之后會使自身的抗凍性能顯著提高。

圖5 凍融循環(huán)前試塊的形貌圖

圖6 200次凍融循環(huán)后試塊的形貌圖

由圖7砂漿試塊的強度損失率變化曲線，可以得出，當(dāng)SAP的摻量在0～1%之間時，凍融循環(huán)次數(shù)越多，試塊的強度損失率就越大。同時在凍融循環(huán)次數(shù)相同的情況下，未摻加SAP的試塊強度損失率最大，隨著SAP摻量的增加，水泥試塊強度損失率逐漸減小。在循環(huán)次數(shù)達到200次時，未摻加SAP的砂漿試塊強度損失率大于20%，經(jīng)過SAP改性的水泥砂漿抗壓強度損失率都在20%以下。由此可以證明，經(jīng)SAP改性的水泥砂漿的抗凍性明顯提高。

圖7 強度損失率變化曲線

根據(jù)以上數(shù)據(jù)以及圖片可以證明，經(jīng)過SAP改性的水泥砂漿抗凍性能明顯提高，SAP摻量在0.1%～1%范圍內(nèi)，隨著SAP摻量的增多，抗凍性能不斷提高。發(fā)生這種現(xiàn)象的主要原因是：SAP吸水之后體積膨脹，失水后體積恢復(fù)，使其形成一些封閉的氣孔，使得水泥砂漿試塊的內(nèi)部出現(xiàn)蜂窩狀孔洞，進行凍融循環(huán)試驗時，這些孔洞影響了熱量傳播，起到了保溫隔熱的效果；還有一個重要的原因是SAP吸水體積發(fā)生膨脹之后會處于一種凝膠的狀態(tài)，可以非常有效地緩解由于試驗時溫度變化形成的應(yīng)力損傷，主要是緩解靜水壓力以及滲透壓力對試塊造成的不良影響；而且實驗過程中試塊是先冷凍后融化，試塊在低溫條件下體積收縮而SAP吸水后低溫發(fā)生體積膨脹，兩者體積變化產(chǎn)生的應(yīng)力正好互補，最終提高了水泥砂漿試塊的抗凍性能。

4 結(jié)論

當(dāng)SAP摻入量在0.1%～1%的前提下：隨著SAP摻入量的增加，水泥砂漿抗?jié)B性能先增后減；在硫酸鹽干濕循環(huán)試驗中，砂漿抗硫酸鹽侵蝕的性是伴隨著SAP摻入量的增大而逐漸增強；摻加SAP的水泥砂漿抗凍性比未摻加SAP的空白組抗凍性好，且伴隨SAP摻加量的增大，水泥砂漿的抗凍性逐步增強。總之，在SAP摻入量為0.5%時，水泥砂漿的耐久性效果最佳。高吸水樹脂對于水泥砂漿的改性可以提高砂漿的耐久性，這對于以后SAP改性水泥砂漿材料運用于實際工程提供了可靠的保障，對于新型建筑材料的開發(fā)又提供了一個新的方向。