不同粒徑及摻量的高吸水樹脂對灌漿料性能的影響

李殿勤

（山西路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，山西太原 030006）

0 引言

裝配式建筑以其低能耗、高效率、可持續(xù)的工程特點(diǎn)，在建筑領(lǐng)域的關(guān)注度越來越高[1-2]。對于裝配式建筑來說，構(gòu)件間的“可靠連接”極為重要，是整體結(jié)構(gòu)安全的基本保證。鋼筋套筒灌漿連接是裝配式構(gòu)件間連接的主要方式，因而套筒灌漿料的性能直接決定了構(gòu)件間的連接質(zhì)量。

套筒灌漿料還具有低水灰比（w∕c）、大流態(tài)微膨脹等特點(diǎn)。套筒灌漿料在工程應(yīng)用中外部水分難以到達(dá)高性能混凝土內(nèi)部，難以在套筒灌漿料內(nèi)部提供足夠的養(yǎng)護(hù)水分，導(dǎo)致水泥基材料水化作用有限，工程應(yīng)用期間易出現(xiàn)微開裂。高吸水樹脂（Super absorbent polymer，SAP）是一種具有三維親水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高分子材料，通過滲透壓、氫鍵和毛細(xì)壓力，能夠快速吸收和儲存相對于自身質(zhì)量的數(shù)十倍甚至數(shù)千倍的水或含水液體[3-5]。當(dāng)SAP 暴露于混凝土混合料中時，在三維網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)外之間會發(fā)生滲透壓梯度和化學(xué)勢的轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致SAP 吸水和蓄水[6]。隨著水泥基材料的水化或水分的蒸發(fā)，SAP 會不斷釋放水泥基材料內(nèi)部的水分，以補(bǔ)償水泥基材料內(nèi)部的水分損失，減少收縮[7]。SAP 提供的水可以提高水泥基材料的水化程度，顯著減緩收縮，減少微裂縫的發(fā)生，提高水泥基材料的耐久性[8-9]。葉華等人[10]的研究表明，在混凝土中直接加入未預(yù)吸水的SAP 時，由于SAP 可以吸收部分自由水，降低內(nèi)部水灰比，使新拌混凝土的工作性降低。Piérard J 等人[11]的研究結(jié)果表明，在新拌混凝土中分別加入預(yù)吸水的SAP，質(zhì)量為膠凝材料的0.3%與0.6%，硬化混凝土彈性模量與28 d 抗壓強(qiáng)度下降，但是硬化混凝土彈性模量下降幅度顯著低于抗壓強(qiáng)度下降幅度。胡曙光等[12]研究發(fā)現(xiàn)，在混凝土中加入預(yù)吸水的SAP，質(zhì)量不大于膠凝材料總質(zhì)量的0.5%，能有效地減小混凝土收縮且強(qiáng)度損失小。

綜上所述，目前有關(guān)SAP 在水泥基灌漿材料中的應(yīng)用研究僅停留在摻量對性能的影響階段，而有關(guān)微珠粒徑大小對水泥基灌漿料性能的影響尚鮮有報道，且有學(xué)者研究表明，SAP 粒徑大小對自密實(shí)混凝土力學(xué)性能和體積穩(wěn)定性有重要影響。鑒于此，本文采用膠凝材料中干摻SAP 的方式，系統(tǒng)研究SAP 的粒徑與摻量對灌漿料流動度、抗壓強(qiáng)度與灌漿料豎向膨脹率的影響，并采用掃描電鏡分析灌漿料微觀形貌的變化，探討SAP 對灌漿料性能的影響機(jī)理。研究結(jié)論將為SAP 在灌漿料中的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 原材料

膠凝材料選用選用P·Ⅰ52.5 硅酸鹽水泥和粉煤灰微珠，技術(shù)指標(biāo)見表1，化學(xué)組成見表2；集料選用ISO 標(biāo)準(zhǔn)砂中砂；膨脹劑選用UEA 型混凝土膨脹劑；減水劑選用西卡P 530 聚羧酸高性能減水劑，減水率25%；消泡劑選用工業(yè)級消泡劑，pH 值為6～8；拌和水使用自來水。

表1 P·Ⅰ52.5硅酸鹽水泥技術(shù)指標(biāo)

表2 化學(xué)組成表

選用丙烯酸型商用非離子型SAP。將其在60 ℃下干燥至恒重后采用篩網(wǎng)為80 目、120 目、160 目、200 目的篩子進(jìn)行篩分，將篩選出125 μm～180 μm、98 μm～125 μm、和74 μm～98 μm 的SAP 分別標(biāo)記為SAP-A、SAP-B 和SAP-C。

采用茶包法研究SAP 的吸收特性[9]。將重量約為1 g 的干SAP 顆粒（m1）放置在茶包（m2）的底部，茶包在去離子水、自來水和水泥濾液中預(yù)濕。將含SAP 的茶包浸入去離子水、自來水和水泥濾液中180 min，然后將腫脹的茶包懸浮在空氣中10 min；最后，對茶包稱重（m3）。吸水率（Q）可由式（1）計(jì)算。每批茶包和試液中至少有3 個個體，結(jié)果如表3所示。

表3 SAP在不同液體中的吸液特性

1.2 試驗(yàn)方案

為探究SAP 的粒徑與摻量對灌漿料性能的影響，以SAP 粒徑與摻量為變量進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。固定水膠比為0.24，膠砂比為1∶1；膠凝材料中，水泥質(zhì)量∶粉煤灰微珠質(zhì)量為0.95∶0.05；外加劑中，減水劑摻量為1%，膨脹劑摻量為0.5%，消泡劑摻量為0.1%。

1.3 測試方法

根據(jù)《鋼筋連接用套筒灌漿料》（JGT 408—2019）進(jìn)行流動度、抗壓強(qiáng)度測試，對灌漿料進(jìn)行3 h 和24 h膨脹數(shù)值的測量與記錄。將養(yǎng)護(hù)28 d 灌漿料試塊破碎成0.8 g 左右的小塊，并放入丙酮中脫水24 h，干燥至恒重并密封保存，采用Hitachi S-4800 冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡，觀察灌漿料內(nèi)部水化產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 SAP對工作性能的影響

流動度是評價灌漿料工作性能的重要指標(biāo)，它直接反應(yīng)了灌漿料施工的難易程度及其均勻性。不同粒徑與摻量下SAP 對灌漿料初始流動度和30 min 流動度的影響分別如圖1 和圖2所示。

圖1 SAP粒徑與摻量對灌漿料初始流動度的影響

圖2 SAP粒徑與摻量對灌漿料30 min流動度的影響

從圖1和圖2可以看出，灌漿料初始流動度和30 min流動度隨SAP 摻量的增加總體上呈現(xiàn)減小的趨勢。當(dāng)SAP 粒徑一定時，其初始流動度與30 min 流動度隨SAP 摻量的增加而減小，SAP 摻量每增加0.1%，初始流動度減小10～15 mm，30 min 流動度減小10～20 mm，而且SAP 粒徑越小，降低幅度越大。當(dāng)摻入0.4% 的SAP-A 和SAP-C 后，灌漿料初始流動度比未摻SAP 的空白組初始流動度降低了11.5%和14.7%。這一現(xiàn)象在30 min 流動度中更明顯，當(dāng)摻入0.4%的SAP-A 和SAP-C 后，灌漿料30 min 流動度比未摻SAP 的空白組30 min 流動度分別降低了12.5%和18.8%。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是SAP 具有高吸水率，在灌漿料漿體中前期快速吸水膨脹，使?jié){體內(nèi)部自由水減少，降低灌漿料內(nèi)局部水膠比，造成灌漿料流動度下降；同時SAP 的吸水速率隨著粒徑的減小而增大，在低水膠比情況下，摻加的SAP 吸收了本就不多的自由水，使得顆粒間的摩阻力快速增加，其宏觀表現(xiàn)為灌漿料流動度迅速減小。由表3 可知SAP 的吸水行為會持續(xù)8～11 min，在等待測試30 min 流動度過程中，SAP 還在吸入自由水，所以隨SAP 粒徑的減小，灌漿料30 min 流動度減小得更為迅速。

2.2 SAP對力學(xué)性能的影響

強(qiáng)度是灌漿料的基礎(chǔ)性能，通過固定SAP 摻量為0.2%，研究SAP 粒徑對灌漿料力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示；通過選用SAP-C 摻入灌漿料，研究SAP摻量對灌漿料力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖3 SAP粒徑對灌漿料抗壓強(qiáng)度的影響

圖4 SAP摻量對灌漿料抗壓強(qiáng)度的影響

從圖3 可以看出，當(dāng)SAP 摻量為0.2%時，灌漿料3 d和7 d 抗壓強(qiáng)度隨著SAP 粒徑的減小而減小，而灌漿料28 d 抗壓強(qiáng)度隨著粒徑的減小而增大。摻入SAP-C 的灌漿料和摻入SAP-A 的灌漿料3 d 和7 d 抗壓強(qiáng)度分別減小了2.9 MPa和3.3 MPa，而摻入SAP-C 的灌漿料比摻入SAP-A 的灌漿料28 d 抗壓強(qiáng)度增加了3.2 MPa。從圖4 可以看出，當(dāng)摻入SAP-C 時，灌漿料3 d 和7 d 抗壓強(qiáng)度隨著SAP 摻量的增加而減小，當(dāng)SAP 摻量為0.4%時，灌漿料3 d 抗壓強(qiáng)度和7 d 抗壓強(qiáng)度分別為53.4 MPa和66 MPa，相比較于空白組的3 d 抗壓強(qiáng)度70 MPa 和7 d 抗壓強(qiáng)度80 MPa，分別下降了23.7%和17.5%；而灌漿料28 d 抗壓強(qiáng)度隨著SAP 摻量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，其中當(dāng)SAP-C 摻量為0.2%時，灌漿料28 d抗壓強(qiáng)度最大，為90.4 MPa，相比較于空白組的28 d 抗壓強(qiáng)度86.4 MPa，提升了4.2%。造成這一現(xiàn)象的原因?yàn)樵谒缙?，SAP 的摻入要吸收體系中的水分，造成灌漿料內(nèi)部濕度較低，早期水化不充分，影響灌漿料力學(xué)性能，導(dǎo)致灌漿料3 d、7 d 抗壓強(qiáng)度降低；到了水化后期，隨著灌漿料孔隙中相對濕度的降低，SAP 內(nèi)養(yǎng)護(hù)功能可促進(jìn)其周圍膠凝漿體的水化，SAP 會逐漸釋放前期吸收的水分，促進(jìn)粉煤灰的火山灰反應(yīng)，生成致密的水化硅酸鈣產(chǎn)物，形成致密的界面過渡區(qū)，使摻入SAP 的灌漿料28 d 抗壓強(qiáng)度略高于未摻SAP 的空白組；但SAP 摻量超過0.2%后，仍會對灌漿料28 d 抗壓強(qiáng)度有損害，這是因?yàn)檫^量的SAP 易分散不均勻，產(chǎn)生團(tuán)聚，使灌漿料中存在較大孔隙，對強(qiáng)度有損害。同時SAP 粒徑越小，SAP 吸水速率越快，導(dǎo)致水化前期，灌漿料抗壓強(qiáng)度隨著SAP 粒徑的減小而減小；到了水化后期，灌漿料28 d 的抗壓強(qiáng)度隨摻入SAP 粒徑的減小而增加，粒徑較小的SAP 形成的球形孔洞較小，且孔隙分布均勻，對于灌漿料抗壓強(qiáng)度的負(fù)面作用較弱。

2.3 SAP對豎向膨脹的影響

為確保套筒、灌漿料及鋼筋三者緊密配合，豎向膨脹為灌漿料所必需具備的特性。通過選用SAP-C 摻入灌漿料，研究SAP 摻量對灌漿料豎向膨脹的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示；通過固定SAP 摻量為0.2%，研究SAP粒徑對灌漿料豎向膨脹的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖5 SAP摻量對灌漿料豎向膨脹的影響

圖6 SAP粒徑對灌漿料豎向膨脹的影響

由圖5 可以看出，24 h 內(nèi)的豎向膨脹性能各試驗(yàn)組整體表現(xiàn)增長趨勢。對于3 h 和24 h 的豎向膨脹影響，膨脹數(shù)值隨著SAP 摻量的增加而減小。當(dāng)SAP 摻量由0%增加到0.1%、0.2%、0.3%和0.4%時，灌漿料3 h 豎向尺寸數(shù)值分別較空白組減少了0.02 mm、0.095 mm、0.114 mm 和0.125 mm，灌漿料24 h豎向尺寸數(shù)值分別較空白組減小了0.09 mm、0.212 mm、0.238 mm和0.254 mm。由圖6 可以看出，24 h 內(nèi)的豎向膨脹性能各試驗(yàn)組均表現(xiàn)增長趨勢。對于3 h 的豎向膨脹影響，隨著SAP 粒徑的減小，膨脹數(shù)值先增大后減小。當(dāng)分別摻入SAPA 和SAP-B 時，灌漿料豎向尺寸數(shù)值分別為0.013 mm和0.016 mm；當(dāng)摻入SAP-C 時，灌漿料豎向尺寸數(shù)值為-0.008 mm，對于摻入SAP-A 和SAP-B 時，分別減小了0.021 mm 和0.024 mm。對于24 h 的豎向膨脹影響，豎向膨脹數(shù)值變化趨勢與3 h 變化趨勢相似。由于SAP 粒徑越小，吸水速率越快，灌漿料漿體內(nèi)部水分減少，導(dǎo)致當(dāng)摻入SAP-C 時，豎向膨脹數(shù)值出現(xiàn)負(fù)值，發(fā)生收縮現(xiàn)象。由此可以看出，當(dāng)摻入SAP-B 時，豎向膨脹效果優(yōu)于摻入SAP-A 和SAP-C，這是因?yàn)樗謴妮^大粒徑的SAP 顆粒中脫離速度要快于較小粒徑的，因而減小SAP 粒徑會導(dǎo)致兩個相反的過程：較小顆粒空間距離可提高內(nèi)養(yǎng)護(hù)有效性，水分子的較高控制力則會降低內(nèi)養(yǎng)護(hù)的有效性[14]。因此，當(dāng)SAP 粒徑較大時，SAP 顆粒間距較大，不利于內(nèi)養(yǎng)護(hù)水遷移到水泥石的每個部分；當(dāng)SAP 粒徑過小時，SAP 中的內(nèi)養(yǎng)護(hù)水向其周圍水泥遷移的有效性降低。

2.4 微觀結(jié)構(gòu)分析

采用掃描電鏡（SEM）對灌漿料的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。選用硬化28 d 后，未摻SAP 的空白組與摻有0.2%的SAP-C 的灌漿料試樣進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖7 和圖8所示。

圖7 未摻SAP的灌漿料試樣

圖8 摻入0.2%的SAP-C的灌漿料試樣

從圖7 和圖8 可以看出，未摻入SAP 的空白組，水泥水化反應(yīng)產(chǎn)物覆蓋顆粒的面積小于摻入SAP 灌漿料，粉煤灰微珠的表面水化反應(yīng)較低且表面附著水化產(chǎn)物較少，周圍網(wǎng)狀水化產(chǎn)物鈣礬石和Ca(OH)2晶體自由生長且數(shù)量多，結(jié)構(gòu)相對疏松，灌漿料內(nèi)部結(jié)構(gòu)不致密。與未摻SAP 的空白組相比，摻入SAP 后的灌漿料的微觀結(jié)構(gòu)更加致密，粉煤灰微珠的火山灰反應(yīng)性消耗Ca(OH)2形成C-S-H 凝膠，覆蓋了粉煤灰微珠外部。水化初期SAP 摻入灌漿料時游離水被吸收，水化不充分，水化后期水分逐漸被放出，促進(jìn)粉煤灰微珠內(nèi)活性SiO2和Al2O3發(fā)生二次水化反應(yīng)，消耗的Ca(OH)2有利于生成致密的水化硅酸鈣凝膠。綜上所述，SAP 的摻入，使得灌漿料水化后期水化產(chǎn)物增多，灌漿料內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，改善了漿體孔隙結(jié)構(gòu)，提升了灌漿料的力學(xué)性能。

3 結(jié)論

a）通過灌漿料初始流動度和30 min 流動度測試分析，SAP 具有高吸水率，隨著SAP 摻量的增大，SAP 在灌漿料漿體中前期快速吸水膨脹，使?jié){體內(nèi)部自由水減少，降低灌漿料內(nèi)局部水膠比，造成灌漿料流動度下降；同時SAP 的吸水速率隨著粒徑的減小而增大；SAP吸水飽和時間15～20 min，使得灌漿料30 min 流動度減小得更為迅速。

b）通過對灌漿料力學(xué)性能的分析，隨著SAP 的摻入，灌漿料3 d 和7 d 抗壓強(qiáng)度隨著摻量的增加而減小，灌漿料28 d 抗壓強(qiáng)度隨著摻量的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，其中當(dāng)摻量為0.2%時，灌漿料28 d 抗壓強(qiáng)度最大，為90.4 MPa，且大于空白組抗壓強(qiáng)度；灌漿料抗壓強(qiáng)度隨著SAP 粒徑的減小而減小，3 種粒徑之間各齡期抗壓強(qiáng)度相差2.9 MPa～3.3 MPa，說明SAP 粒徑對灌漿料力學(xué)性能的影響小于SAP 摻量對灌漿料抗壓強(qiáng)度的影響。

c）通過對灌漿料3 h 和24 h 豎向膨脹的測量與分析，各試驗(yàn)組24 h 內(nèi)的豎向膨脹性能均表現(xiàn)增長趨勢。對于3 h 和24 h 的豎向膨脹影響，膨脹數(shù)值隨著SAP 粒徑的減小先增大后減小，而隨著SAP 摻量的增加而減??；對于24 h 與3 h 差值，膨脹數(shù)值隨著SAP 摻量的增加呈現(xiàn)減小趨勢。

d）通過微觀結(jié)構(gòu)分析，到水化后期，SAP 在水泥及粉煤灰微珠水化反應(yīng)的過程中逐漸釋放水，促進(jìn)了粉煤灰微珠中的活性SiO2和Al2O3的二次水化反應(yīng)，消耗了大量的Ca(OH)2，使灌漿料內(nèi)部形成致密均勻的水化硅酸鈣凝膠。

e）綜上，摻入0.2%的粒徑為125 μm 的SAP，在損失較小流動度的同時，可以使灌漿料內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，提升力學(xué)性能，改善孔隙結(jié)構(gòu)。