SAP和PEG對(duì)水泥凈漿強(qiáng)度與干縮性能的影響研究

摘要：為探究高吸水樹脂（SAP）和聚乙二醇（PEG）的摻入對(duì)水泥基材料性能的影響，文章設(shè)計(jì)了基準(zhǔn)組、單摻SAP組及復(fù)摻SAP和PEG組的配合比，通過(guò)水泥凈漿強(qiáng)度、干縮率試驗(yàn)研究了SAP、PEG對(duì)水泥凈漿強(qiáng)度和干縮性能的影響，并采用掃描電鏡分析了水泥凈漿試件的微觀形貌特性。結(jié)果表明：?jiǎn)螕饺隨AP減小了水泥凈漿的抗壓強(qiáng)度和干縮率，但稍微改善了其抗折強(qiáng)度；復(fù)摻SAP和PEG導(dǎo)致水泥凈漿不同齡期的強(qiáng)度下降，早期強(qiáng)度降低尤為顯著；復(fù)摻使水泥凈漿干縮率的降低幅度高于單摻，提高PEG的摻量進(jìn)一步降低了水泥凈漿的強(qiáng)度和干縮率；SAP顆粒分散不均導(dǎo)致的團(tuán)聚現(xiàn)象可引起材料強(qiáng)度的衰減，PEG通過(guò)抑制水泥水化反應(yīng)而降低了材料的強(qiáng)度，PEG對(duì)SAP釋放水后的微孔洞及水泥水化產(chǎn)物的微縫隙起填料作用，從而降低了材料的干縮率。

關(guān)鍵詞：水泥凈漿；強(qiáng)度；干縮；高吸水樹脂；聚乙二醇

中圖分類號(hào)：U416.03A120384

0 引言

高吸水樹脂（SAP）存在許多羧基和羥基等親水基團(tuán)，使其具備很強(qiáng)的吸水性，SAP三維交聯(lián)式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可確保自由水固定在空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)部，因此具有很強(qiáng)的保水能力。國(guó)內(nèi)外混凝土材料領(lǐng)域的研究人員將SAP視為內(nèi)養(yǎng)生材料，認(rèn)為SAP對(duì)混凝土早期收縮開裂方面具有較好的效果［1-6］，但是關(guān)于SAP對(duì)水泥膠結(jié)料強(qiáng)度的影響，存在不同的研究成果：郭紹武、魏曉帆等［2-3］發(fā)現(xiàn)SAP對(duì)混凝土早期強(qiáng)度的降低影響明顯高于后期，鄒凌凱［4］認(rèn)為SAP摻量＜0.5%（膠凝材料重量）時(shí)，混凝土的強(qiáng)度雖有降低，可降低幅度最小，盧艷春等［5］的研究成果也認(rèn)為過(guò)高的SAP摻量會(huì)顯著降低混凝土的力學(xué)性能。然而，劉成虎等［6］指出，SAP與水合適的比例可將水泥砂漿的強(qiáng)度提高10%～15%。摻入SAP引起水泥膠凝材料力學(xué)強(qiáng)度降低的原因?yàn)椋篠AP吸水后在拌和物中難以分散均勻從而團(tuán)聚，使其在釋放水后形成的較大的空隙，導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生缺陷，進(jìn)而影響強(qiáng)度［7］。聚乙二醇（PEG）作為一種相變儲(chǔ)能材料可添加至混凝土中，利用其相變過(guò)程中熱量的吸收或釋放來(lái)調(diào)節(jié)混凝土內(nèi)部的溫度，在調(diào)節(jié)大體積混凝土內(nèi)外部溫差［8］、抗火混凝土內(nèi)部溫度均勻性［9］以及主動(dòng)調(diào)控和抑制混凝土路面結(jié)冰［10］等方面均有相關(guān)研究和應(yīng)用。有研究表明［11］，PEG相變材料雖可調(diào)節(jié)混凝土內(nèi)部的溫度場(chǎng)，但對(duì)混凝土的力學(xué)強(qiáng)度有一定的衰減。

雖然SAP和PEG摻入水泥膠凝材料中均可影響水泥基材料的強(qiáng)度和收縮性能，但是兩者對(duì)力學(xué)性能和體積穩(wěn)定性調(diào)控的機(jī)理卻截然不同，現(xiàn)有文獻(xiàn)針對(duì)SAP和PEG復(fù)合對(duì)水泥基材料影響的報(bào)道也較少?；诖?，本文以抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、干縮率為指標(biāo)研究SAP和PEG的復(fù)摻下對(duì)水泥基材料強(qiáng)度和干縮性能的影響，并利用掃描電鏡分析其微觀形貌特征，鑒于水泥混凝土中骨料紋理、形貌及級(jí)配等特性的差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的干擾，本文以水泥凈漿為研究對(duì)象，以期為水泥基材料的收縮開裂研究提供參考。

1 原材料與試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：P·O 42.5水泥，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。水：采用市政自來(lái)水。SAP：聚丙烯酸鹽的SAP內(nèi)養(yǎng)生材料的性能指標(biāo)見表2，滿足有關(guān)規(guī)范技術(shù)要求。PEG：分子量為6 000，固體顆粒狀，化學(xué)分析純。

1.2 試驗(yàn)方法

水泥凈漿的水膠比為0.45，根據(jù)同類型SAP摻量的范圍和本文水泥凈漿水膠比較高的情況，SAP的摻量定為水泥質(zhì)量的0.2%。通過(guò)PEG水溶液和SAP的吸水試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，PEG摻量為水泥質(zhì)量的2%～4%時(shí)，SAP的吸水倍率較高，故選擇PEG摻量為水泥質(zhì)量的2%～4%。為了比較和分析PEG、SAP對(duì)水泥凈漿強(qiáng)度和干縮性能的影響，本文設(shè)計(jì)了不添加PEG和SAP、僅添加SAP及PEG與SAP組合試驗(yàn)，各試驗(yàn)組材料組成設(shè)計(jì)見表3。

本文含PEG和SAP水泥凈漿的制備方法為：（1）將PEG加入拌和水中，攪拌使得PEG完全溶解形成PEG水溶液；（2）將SAP加入PEG水溶液中，待SAP完全吸水后，充分?jǐn)嚢枋沟肧AP成微小顆粒；（3）將吸附有PEG、水的SAP和水泥先后投入鍋內(nèi)，參考《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3420-2020）攪拌至規(guī)定時(shí)間即可。其他試驗(yàn)組參考上述步驟實(shí)施即可。

本文研究的水泥凈漿中雖然未添加ISO標(biāo)準(zhǔn)砂，但是強(qiáng)度和干縮試驗(yàn)方法與現(xiàn)行JTG 3420-2020標(biāo)準(zhǔn)基本類似，故強(qiáng)度、干縮試驗(yàn)參考JTG 3420-2020標(biāo)準(zhǔn)中的T0506-2005和T0511-2005執(zhí)行。其中強(qiáng)度主要測(cè)試試件3 d、7 d和28 d的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，干縮試驗(yàn)的測(cè)試齡期為7 d、14 d、21 d和28 d。硬化后的水泥凈漿微觀形貌分析采用Phenom Pro臺(tái)式掃描電鏡，放大倍數(shù)80～150 000，分辨率＜8 nm，加速電壓5～15 kv，抽真空時(shí)間＜15 s。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)強(qiáng)度

不同齡期的水泥凈漿試件的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見圖1～3。由圖1～3可知：

（1）與基準(zhǔn)試件JC相比，僅含SAP的試件JC-SAP的3 d和28 d抗折強(qiáng)度分別提高了4.44%和2.33%，但7 d的抗折強(qiáng)度降低了15.87%；不同齡期下JC-SAP抗壓強(qiáng)度發(fā)生不同程度的下降，其中7 d抗壓強(qiáng)度降低程度最小，為1.09%，而28 d的抗壓強(qiáng)度降低程度最大，為11.96%。試驗(yàn)結(jié)果表明：SAP對(duì)水泥凈漿的抗折強(qiáng)度略有改善，但是會(huì)減小材料的抗壓強(qiáng)度，尤其是后期的（28 d）抗壓強(qiáng)度；部分齡期的抗折強(qiáng)度略有提升，其他齡期的抗折強(qiáng)度均發(fā)生不同程度的減小。原因可能是SAP吸水后在水泥中分散不均勻，一些顆粒尺寸合適的SAP可為水泥水化提供內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用，有利于提升材料的力學(xué)強(qiáng)度，但是部分顆粒也發(fā)生團(tuán)聚，使其內(nèi)部空間因水分釋放而產(chǎn)生一些較大微孔洞形成質(zhì)量缺陷。由于吸水后的SAP顆粒在水泥凈漿中分布的隨機(jī)性，使一些齡期的強(qiáng)度降低，一些齡期的強(qiáng)度得以提高［12］。

（2）試件SP-2、SP-4比JC、JC-SAP的抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度都明顯地降低，尤其是PEG摻量較高的SP-4。與JC-SAP相比，SP-4試件的3 d、7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度分別降低了45.41%、[JP+1]34.43%和29.62%，抗折強(qiáng)度也分別降低了34.04%、32.08%和23.86%，因此在SAP的基礎(chǔ)上再摻入PEG對(duì)水泥凈漿的強(qiáng)度發(fā)展不利，尤其是早期強(qiáng)度。

（3）與SP-2相比，SP-4不同齡期的抗折與抗壓強(qiáng)度都發(fā)生顯著的下降，其中不同齡期的抗壓強(qiáng)度降低值都超過(guò)了21%，抗折強(qiáng)度均下降了13%以上，由此可知，增加PEG的摻量會(huì)顯著降低水泥凈漿的抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度。觀察可知，基準(zhǔn)試件的水化反應(yīng)充分，眾多針狀、片狀的C-S-H凝膠交織成復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，形成力學(xué)強(qiáng)度較高的水泥石；含有SAP、PEG的試件，SAP團(tuán)聚導(dǎo)致材料內(nèi)部形成較大的孔洞缺陷，影響水化產(chǎn)物Aft和C-S-H空間結(jié)構(gòu)的連續(xù)性；PEG有機(jī)相變材料與普通硅酸鹽水泥不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，PEG加入水泥凈漿中，只能填充在水化產(chǎn)物之間的微空隙中，高摻量的PEG吸附于水泥顆粒表面，在一定程度上抑制了水化反應(yīng)，從而降低了C-S-H的致密性［13］。與此同時(shí)，PEG相變材料可吸收水泥水化過(guò)程中釋放的熱量，進(jìn)而在一定程度上降低了水泥水化反應(yīng)速率，影響水化產(chǎn)物的形成。因此，SAP和PEG的雙重作用使得SP系列試件的抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度均出現(xiàn)了顯著下降，尤其是PEG摻量高的SP-4試件。

2.2 干縮性能

不同齡期的水泥凈漿試件的長(zhǎng)度變形值如圖4所示。由圖4可知，不同養(yǎng)護(hù)齡期下水泥凈漿試件的長(zhǎng)度變形值隨著齡期的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，與基準(zhǔn)試件JC相比，單摻SAP試件的長(zhǎng)度變形值減小，改善了材料的體積穩(wěn)定性，同時(shí)在SAP的基礎(chǔ)上再摻入PEG試件的長(zhǎng)度變形值明顯減小，尤其是增加PEG摻量，變形值降低幅度特別顯著。式（1）為水泥凈漿試件干縮率計(jì)算方法，由此可知長(zhǎng)度變形值與干縮率是正相關(guān)的，根據(jù)式（1）將試驗(yàn)測(cè)試的長(zhǎng)度變形值轉(zhuǎn)化為干縮率。

St=100×（L0-Lr/250）（1）

式中：St——水泥凈漿試件t齡期的干縮率（%）；

L0、Lr——分別為養(yǎng)護(hù)1 d脫模后再在水中養(yǎng)護(hù)2 d后測(cè)試的初始長(zhǎng)度和某齡期的長(zhǎng)度讀數(shù)，兩者的差值為試件的長(zhǎng)度變形值（mm）；

250——水泥凈漿試件的有效長(zhǎng)度（mm）。

不同齡期水泥凈漿試件的干縮率如圖5所示。由圖5可知：不同齡期下水泥凈漿干縮率從大到小的順序?yàn)椋篔C、JC-SAP、SP-2、SP-4。以JC為基準(zhǔn)，其他三類試件干縮率的變化趨勢(shì)為：隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，先減小后變大，其中變化趨勢(shì)的拐點(diǎn)齡期為21 d。具體表現(xiàn)為：與JC相比，JC-SAP的7 d、14 d、21 d和28 d干縮率分別降低了17.76%、9.95%、3.57%和5.66%，SP-2的7 d、14 d、21 d和28 d干縮率分別降低了32.71%、18.41%、8.33%和10.94%，而SP-4的7 d、14 d、21 d和28 d干縮率也分別降低了55.41%、37.31%、26.59%和27.55%，由此說(shuō)明：?jiǎn)螕絊AP、復(fù)摻PEG和SAG都能降低水泥凈漿的干縮率，且適當(dāng)提高PEG的摻量，更有利于改善其體積穩(wěn)定性。單摻SAP降低水泥基材料的收縮率，提高材料的抗裂性能，此研究結(jié)論與現(xiàn)有文獻(xiàn)的結(jié)果一致，主要是SAP內(nèi)養(yǎng)生材料釋放了預(yù)先吸收的水分，使得材料內(nèi)部的毛細(xì)管負(fù)壓減小，并在一定程度上改善了材料內(nèi)部的相對(duì)濕度。另外，由于PEG具有良好的水溶性，根據(jù)本文水泥凈漿試件的制備方法，SAP吸附了自由水和PEG，自由水隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行不斷釋放，最終使PEG滯留在SAP釋放水后形成的微孔洞中，并起到填料作用。PEG雖不能與水泥熟料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，甚至對(duì)水泥的水化作用有一定的抑制，不利于水泥凈漿的強(qiáng)度發(fā)展，但是PEG在水泥水化產(chǎn)物中起著良好的填充作用。同時(shí)，PEG作為相變材料具有較大的相變潛熱，在水泥水化反應(yīng)的早期可吸收水化潛熱，降低了水化反應(yīng)的環(huán)境溫度，減小了水化反應(yīng)速率，延長(zhǎng)了水化反應(yīng)時(shí)間。當(dāng)水化反應(yīng)完成后，外界溫度高于材料內(nèi)部溫度時(shí)，PEG又可吸收熱量，主動(dòng)調(diào)節(jié)溫差。綜上，PEG的填充與主動(dòng)調(diào)控溫差的耦合作用改善了水泥凈漿的體積穩(wěn)定性，減小了干縮率。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）在水泥凈漿中單摻SAP，對(duì)材料的抗折強(qiáng)度略有提升，但降低了其抗壓強(qiáng)度，可降低干縮率，提高抗開裂能力。

（2）在水泥凈漿中復(fù)摻SAP和PEG，對(duì)材料的抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度有明顯不利影響，尤其是早期強(qiáng)度；但其可顯著降低材料的干縮率，復(fù)摻SAP和PEG的材料抗開裂效果比單摻SAP的更佳；水泥凈漿中的SAP摻量不變，增加PEG摻量時(shí)，材料的抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度進(jìn)一步劣化，降低其干縮率，改善體積穩(wěn)定性。

（3）SAP吸水后分散不均的顆粒團(tuán)聚使得水泥基材料內(nèi)部形成微孔洞缺陷，影響其力學(xué)性能，PEG不利于水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行，其對(duì)SAP釋放水后的微孔洞及水泥水化產(chǎn)物的微縫隙起填料作用，從而實(shí)現(xiàn)干縮率的減小。

參考文獻(xiàn)

［1］Igor De la Varga，Javier Castro，Dale Bentz，et al.Application of internal curing for mixtures containing high volumes of fly ash［J］.Cement and Concrete Composites，2012（34）：1 001-1 008.

［2］郭紹武.高吸水樹脂（SAP）對(duì)公路混凝土性能的影響［D］.邯鄲：河北工程大學(xué)，2016.

［3］魏曉帆，柯國(guó)炬，侯子義，等.高吸水樹脂對(duì)混凝土性能的影響研究［J］.混凝土與水泥制品，2015（11）：1-7.

［4］鄒凌凱.高吸水樹脂對(duì)混凝土強(qiáng)度和收縮性能的影響［J］.福建建材，2015（8）：21-22，11.

［5］盧艷春，張大帥.內(nèi)養(yǎng)護(hù)技術(shù)在水泥混凝土路面中的應(yīng)用分析［J］.西部交通科技，2017（9）：43-46.

［6］劉成虎，王 輝，任 冶，等.高吸水樹脂（SAP）對(duì)砂漿與混凝土性能的影響［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（交通科學(xué)與工程版），2015，39（6）：1 190-1 193.

［7］田 波，李立輝，葛 勇，等.高原混凝土［M］.北京：人民交通出版社股份有限公司，2023.

［8］劉曉龍，柯國(guó)炬，田 波.相變材料在大體積混凝土中應(yīng)用的研究現(xiàn)狀［J］.新型建筑材料，2015，42（5）：81-85.

［9］趙乘壽，倪旭萍，韓國(guó)斌，等.聚乙二醇相變儲(chǔ)能混凝土的制備及其升溫速率研究［J］.新型建筑材料，2015，42（12）：17-20.

［10］茍 珊.水泥路面抗凝冰低溫相變材料開發(fā)與性能研究［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2020.

［11］杜銀飛，劉譜晟，魏唐中，等.一種水泥基定形相變材料的制備方法［P］.中國(guó)：CN110776282A，2020.

［12］魏曉帆，陳衛(wèi)東，柯國(guó)炬.高吸水樹脂對(duì)混凝土性能影響的研究現(xiàn)狀［J］.建材世界，2015，36（5）：6-10.

［13］杜銀飛，王志杰，全先凱，等.聚乙二醇/水泥基復(fù)合相變材料的制備與表征［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2023，26（4）：361-368.

收稿日期：2024-03-15

基金項(xiàng)目：中央引導(dǎo)地方科技項(xiàng)目“廣西典型固體廢棄物道路領(lǐng)域綜合資源化利用技術(shù)研發(fā)中心”（編號(hào)：桂科ZY21195043）

作者簡(jiǎn)介：劉衛(wèi)東（1985—），博士，高級(jí)工程師，主要從事道路工程研究與技術(shù)咨詢工作。