SAP的吸水性能及其對混凝土強度的影響

秦子凡,張士萍,牛龍龍,楊 慧

(1. 安徽建筑大學土木工程學院, 安徽 合肥 230601;2. 南京工程學院建筑工程學院, 江蘇 南京 211167;3. 江蘇雙龍集團有限公司, 江蘇 南京 211106)

高性能吸水樹脂(super-absorbent polymer,SAP)是一種具有親水基的合成高分子樹脂,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];優(yōu)良的吸-釋水性能是SAP作為內(nèi)養(yǎng)護劑使用的必要前提[2];SAP被加入混凝土時前期會吸水保水,養(yǎng)護過程中緩慢釋水,使后期內(nèi)部水化更加充分,通過這種吸水、釋水過程會減小水泥基內(nèi)部不同區(qū)域的濕度差,有效抑制水泥基材料的早期自收縮[3-5];在高強混凝土中加入SAP作為內(nèi)養(yǎng)護劑可以抑制混凝土早期的開裂風險[6];SAP吸水再釋水會進一步提高混凝土的抗?jié)B、抗凍和抗碳化能力,對抗壓強度也有影響[7-9].研究發(fā)現(xiàn),當SAP作為內(nèi)養(yǎng)護劑時,摻量過多會影響混凝土的抗壓強度,當SAP摻量不超過膠凝材料總質(zhì)量的0.5%時,對抗壓強度基本沒有影響,摻量超過0.5%時,抗壓強度明顯下降[10],被用于超高性能混凝土(UHPC)中時對強度的不利影響更大[11].上述研究均未考慮SAP對水泥凈漿的影響,本文選擇不同摻量SAP在標準稠度用水量的情況下對抗壓強度的影響進行分析研究.

1 材料和試驗

1.1 SAP的制備

試驗用SAP為實驗室自行制備,丙烯酸、丙烯酰胺為單體,二者進行共聚.以過硫酸銨為引發(fā)劑,N,N-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑,水為溶劑,將丙烯酰胺與N,N-亞甲基雙丙烯酰胺加入20 mL水中超聲溶解;準備一個四口燒瓶,加入40 mL水,水浴升溫到60 ℃,加入丙烯酸、溶解好的丙烯酰胺與N,N-亞甲基雙丙烯酰胺;將Ce(AA)3溶于丙烯酸中進行混合;將四甲基乙二胺+過硫酸銨溶解后通過蠕動泵加入到四口燒瓶,凝膠化生成,停止試驗;將水凝膠進行水護24 h、烘干12 h后粉碎.

1.2 吸水倍率的測定

采用茶袋法,將茶袋放入蒸餾水溶液中吸水浸濕,消除吸水誤差;將一次性塑料杯放置于天平上,去皮;把浸濕后的茶袋用鑷子夾取,放入塑料杯中稱重,記錄濕茶袋的質(zhì)量;稱取0.5 g SAP樣品倒入濕茶包中,扎緊封口,防止漏出;取250 mL水倒入塑料杯中,確保裝有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,分別稱重各時間點茶袋和SAP的質(zhì)量;用茶袋和SAP的質(zhì)量減去濕茶袋的質(zhì)量除以SAP質(zhì)量得到每克SAP的吸水倍率.將吸水24 h完成后的SAP放于烘箱中,調(diào)節(jié)烘箱溫度為80 ℃,烘干至恒重;重復24 h吸水試驗步驟多次,記錄數(shù)據(jù).

1.3 模擬孔溶液吸水率的測定

實驗室配置模擬孔溶液成分見表1,測試SAP在模擬孔溶液中的吸水率.考慮到試驗時SAP吸水后材料的可稱量性,本試驗采用茶袋法,將SAP裝入茶袋中,連同茶袋一起放入溶液中吸水.試驗步驟與SAP在蒸餾水中的吸水率測試步驟一致,記錄下1/6、1/3、1/2、1、2、4、8、24 h的吸水量.

表1 模擬孔溶液成分表

1.4 標準稠度用水量的測定

試驗用水泥為江南-小野田水泥有限公司的P·Ⅱ52.5硅酸鹽水泥,SAP為實驗室自制.分別測試SAP摻量為0%、0.1%、0.25%和0.5%時的水泥凈漿標準稠度用水量,試驗編號為A0、A1、A2、A3.

試驗方法參照GB/T 1346—2011《水泥標準稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法》.將拌合水倒入攪拌鍋內(nèi),再將500 g水泥加入水中,拌合時先低速拌合120 s,停15 s,將葉片上的水泥漿刮入鍋中,再高速拌合120 s后停機;立即取適量水泥裝入已經(jīng)置于玻璃底板的試模中,抹去多余凈漿,使表面光滑,再整體移到維卡儀上,降低試桿至其與凈漿平面接觸,停2 s后,突然放松,使試桿自由下落至水泥凈漿內(nèi),記錄試桿距底板之間的距離,以(6±1)mm的水泥凈漿為標準稠度用水量.

1.5 凝結(jié)時間的測定

凝結(jié)時間的測定試驗方法參照GB/T 1346—2011《水泥標準稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法》.由水泥全部加入水中至初凝狀態(tài)的時間為水泥的初凝時間;由水泥全部加入水中至終凝狀態(tài)的時間為水泥的終凝時間.測定時,用已經(jīng)測得的不同SAP摻量下的標準稠度用水量制作凈漿,從濕氣養(yǎng)護箱中取出試模放到試針下,降低試針至其與水泥凈漿表面接觸,試針垂直自由地沉入水泥凈漿;觀察試針停止下沉或釋放試針時指針的讀數(shù);當試針沉至距底板(4±1)mm時,為水泥達到初凝狀態(tài);在完成初凝時間測定后,立即將試模連同漿體以平移的方式從玻璃板取下翻轉(zhuǎn),大端向上,小端向下放在玻璃板上,當試針沉入試體0.5 mm時,即環(huán)形附件不能在試體上留下痕跡時為水泥達到終凝狀態(tài).

1.6 水泥凈漿試塊制作

選用標準稠度用水量作為SAP材料的用水量,在水泥水化時,部分水泥水化用水會被SAP材料吸收,采用標準稠度用水量作為不同試驗組的用水量可以保證水泥在水化過程中用水量足夠.不同試塊的材料成分如表2所示.

表2 水泥凈漿試塊材料成分表 g

試驗前在成型模具上刷上脫模劑,成型模具為六聯(lián)試模,尺寸為20 mm×20 mm×20 mm(見圖1).按照材料成分質(zhì)量,將SAP與水泥充分攪拌混合均勻,攪拌用的攪拌鍋和攪拌機葉片事先用濕抹布擦拭干凈并濕潤;將膠凝材料和水倒入攪拌鍋中,添加順序為先倒入水再倒入膠凝材料,先低速攪拌120 s,停止30 s,在此期間用刮鏟將攪拌機葉片上的砂漿刮入鍋中,然后高速攪拌120 s,整個攪拌時間持續(xù)270 s.裝模時將凈漿分兩次裝入模具中,每裝一次用振動臺振實,振實后用金屬刮尺將試模上多余的砂漿刮去,并用直尺將試件表面抹平,用保鮮膜覆蓋,完成后放置于溫度為20 ℃、濕度為95%的環(huán)境下;裝模成型24 h后拆卸模具進行脫模.為避免擾動,拆模過程中盡量輕拿輕放,保證試塊的完整性;拆模后按照不同試驗分組進行編號,置于溫度為20 ℃、濕度為95%的環(huán)境下進行養(yǎng)護.

(a) 六聯(lián)試模

2 結(jié)果與討論

2.1 SAP吸水性能

試驗測得24 h每克SAP在蒸餾水和模擬孔溶液中的吸水倍率如表3所示.

表3 每克SAP在蒸餾水和模擬孔溶液中的吸水倍率 g·g-1

SAP材料在蒸餾水中吸水1/6 h后吸水倍率達到24 h吸水倍率的60%,在后續(xù)的1 h內(nèi)吸水增速較慢,8 h后吸水倍率達到24 h吸水倍率的85%左右.SAP在前期的吸水量較大(見圖2),摻入水泥對水泥的前期水化會有一定影響.

圖2 SAP在蒸餾水和模擬孔溶液中的吸水倍率

SAP在模擬孔溶液中前期吸水速率和吸水量都高于在蒸餾水中的前期吸水速率和吸水量,在1/2 h左右,由于SAP內(nèi)外部之間離子濃度差所產(chǎn)生的滲透壓,大量的吸水使溶液內(nèi)離子濃度增加的同時降低了溶液的滲透壓,導致SAP吸水降低,出現(xiàn)了吸水的波動性.在多離子、高濃度的水泥漿體中溶液對 SAP 的吸液能力影響更大.

2.2 SAP對標準稠度用水量的影響

不同SAP摻量條件下凈漿標準稠度用水量試驗結(jié)果如表5所示.

表4 不同SAP摻量條件下凈漿標準稠度用水量表

表5 不同SAP摻量下凈漿凝結(jié)時間表

SAP的摻入量與水泥凈漿的標準稠度用水量呈正相關.在水泥與水剛混合時SAP便會立刻開始吸水,導致標準稠度用水量隨著SAP摻入量的增加逐漸增加,每增加0.1 g SAP需要多加入約2.4 g水.

2.3 SAP對凝結(jié)時間的影響

不同SAP摻量下凈漿凝結(jié)時間見表6.SAP摻入量越多,對水泥凈漿凝結(jié)時間的影響越大,不同SAP摻量條件下SAP額外的吸水量不同,間接提高了水泥凈漿的水灰比,導致單位質(zhì)量水泥的用水量增加,SAP對水泥的凝結(jié)有一定抑制作用.

2.4 SAP對水泥凈漿試塊強度的影響

四組試塊分別養(yǎng)護3、7、28 d后在壓力機上測試抗壓強度,各組試塊抗壓強度測試結(jié)果如圖3、圖4所示.

圖3 試塊養(yǎng)護3、7、28 d抗壓強度測試結(jié)果

圖4 試塊養(yǎng)護3、7、 28 d抗壓強度保留率變化曲線

從圖3、圖4可見：4組試塊的抗壓強度都隨著養(yǎng)護齡期的增長而增加；A3組的抗壓強度最低，各齡期的抗壓強度保留率都遠低于A0組，分別為50.96%、50.41%、30.3%，可知SAP摻量過多會導致試塊強度大幅度降低；養(yǎng)護28 d A1組抗壓強度為85.9 MPa，遠高于 A2、A3組的抗壓強度，低于A0組，可見適量摻入SAP對試塊的抗壓強度影響小，摻量越少對抗壓強度的影響越??；養(yǎng)護3 d A0組的抗壓強度保留率高于A1組的約10%，而養(yǎng)護7 d A1組的抗壓強度遠高于A0組，抗壓強度保留率超過A0 組的約40%，說明SAP有一定促進水泥前中期水化的作用，使試件的早期抗壓強度有提升.

3 結(jié)論

1) 由于SAP自身的吸水性,在混凝土制作中應補充額外的水來滿足SAP的吸水性,在滿足水泥凈漿標準稠度的情況下實際水泥漿體中的吸水量遠低于SAP在水中和模擬孔溶液中的吸水量.

2) 隨試塊齡期的延長,不同SAP 摻量混凝土的抗壓強度也隨著增加.適量的SAP摻量對混凝土的抗壓強度影響不大,SAP摻入增加了養(yǎng)護7 d左右的水泥材料的水化,對混凝土養(yǎng)護28 d抗壓強度的影響不大,過多的SAP摻量則會導致混凝土抗壓強度大幅度降低.