引入吸水樹脂以減小低水膠比混凝土自收縮的研究與優(yōu)化

【摘要】本文研究了吸水樹脂（SAP）在不同條件下的吸釋水特性，以及在水泥漿體中的釋水特性。通過在低水膠比混凝土中引入吸水樹脂（SAP）作為內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料，得出其對(duì)混凝土早齡期內(nèi)部相對(duì)濕度與自收縮的影響規(guī)律以及兩者的關(guān)系。在進(jìn)行以上研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了以吸水樹脂（SAP）作為低水膠比混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

【關(guān)鍵詞】吸水樹脂（SAP）；內(nèi)部相對(duì)濕度；自收縮；內(nèi)養(yǎng)護(hù)；強(qiáng)度

1、緒論

1.1影響混凝土自收縮的因素分析

自收縮是因混凝土自干燥引起的本身不可避免的現(xiàn)象。一般認(rèn)為，引起混凝土自收縮的因素主要有水膠比、膠凝材料、礦物摻合料、骨料等。當(dāng)水膠比很低，混凝土的密實(shí)度高、滲透性低，即使在外界水中養(yǎng)護(hù)，水汽也很難滲透到混凝土內(nèi)部，混凝土內(nèi)部也會(huì)發(fā)生干燥自收縮現(xiàn)象。礦物摻合料的礦物組成、活性和細(xì)度與混凝土自收縮大小有密切關(guān)系。不同摻合料對(duì)自收縮的影響不同。骨料在混凝土中起骨架作用。自收縮因水泥漿體水化引起，骨料的彈性模量、品種與單位用量等都能引起混凝土自收縮。其他包括外加劑、養(yǎng)護(hù)溫度、試件尺寸等因素對(duì)混凝土自收縮的影響也是不可忽略的。

1.2 混凝土自收縮的研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)于混凝土自收縮的研究，起步相對(duì)較早。目前，國(guó)外對(duì)混凝土自收縮的機(jī)理研究認(rèn)為主要是毛細(xì)孔張力理論，對(duì)于各種現(xiàn)象的解釋也主要采用毛細(xì)管理論，但各種因素對(duì)自收縮的影響程度并沒有一致意見。從國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展來看，自收縮的研究工作側(cè)重于混凝土內(nèi)部濕度與自收縮的變化規(guī)律、低水膠比混凝土的長(zhǎng)期強(qiáng)度和內(nèi)部裂紋與自收縮的關(guān)系以及早期混凝土自收縮有效測(cè)量方法等幾個(gè)方面。

1.3 混凝土自收縮的測(cè)量方法

對(duì)于混凝土自收縮的測(cè)量，世界各國(guó)都無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)可依，根據(jù)實(shí)際條件采用不同的方法。混凝土早期自收縮的測(cè)量方法主要可歸納如下：

1）傳感器法：LVDT 傳感器、電感應(yīng)式傳感器、振動(dòng)電圈儀、埋入式應(yīng)變片等；

2）光學(xué)測(cè)量法：激光測(cè)量?jī)x、光學(xué)顯微測(cè)量?jī)x；

3）千分表法：兩端預(yù)埋或側(cè)面粘貼收縮測(cè)頭測(cè)量；

4）體積法：測(cè)量體積變化。

2、原材料及試驗(yàn)方法

2.1 原材料

1）水泥（C）：采用某水泥廠生產(chǎn)的42.5普通硅酸鹽水泥（OPC），其化學(xué)組成和物理性能指標(biāo)參見表2-1；

2）硅灰（SF）：某鋼鐵公司生產(chǎn)的硅灰，比表面積20000 m2/kg，其礦物組成和物理性能指標(biāo)參見表2-1；

表2-1 原材料的物理化學(xué)性能

3）粗集料（G）：石灰石碎石，粒徑5～20mm。

4）細(xì)集料（S）：中砂，粒徑≤5mm，細(xì)度模數(shù)2.8，含泥量小于1.0%。

5）吸水樹脂（SAP）：聚丙烯酸鈉吸水樹脂。

6）減水劑（WRA）：萘系高效緩凝減水劑，減水率20%～25%。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 SAP在自然環(huán)境中吸釋水特性的測(cè)量方法

1）吸水規(guī)律：先稱取內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料干燥時(shí)重量，然后將內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料飽水一定時(shí)間，取出后擦凈表面附著的水分，再稱取其重量，再計(jì)算出其吸水率。

2）釋水規(guī)律：將已吸水內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料盛于容器中在不同溫度環(huán)境下放置，稱量放置不同時(shí)間后內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的重量，再計(jì)算出其含水率。

2.2.2 SAP在水泥漿體中釋水特性的測(cè)量方法

用引入內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料前后水泥漿體的濕度變化規(guī)律表征內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料在水泥漿體中的釋水特性，測(cè)量方法見圖2-1。

圖2-1 濕度測(cè)量示意圖

試件尺寸為150×150×150mm，成型時(shí)在試件頂部插入直徑為30mm的塑料管，預(yù)留內(nèi)部濕度測(cè)試孔，塑料管插入深度為75mm。成型后將管口用凡士林密封，防止內(nèi)外水分交換。混凝土脫模后立即用熔融石蠟將表面密封。采用WSX-Ⅱ型內(nèi)部濕度測(cè)試儀測(cè)定混凝土內(nèi)部濕度，精確到1%。測(cè)量時(shí)，將探頭插入測(cè)試孔內(nèi)，用凡士林將探頭與測(cè)試孔之間的間隙密封，待濕度平衡后讀取數(shù)。

2.2.3 自收縮的測(cè)量方法

試件成型時(shí)首先在模具內(nèi)墊上一層塑料薄膜，試件兩端預(yù)埋銅探頭，成型1d后拆模，然后先用熔融石蠟對(duì)試件進(jìn)行密封處理，再套上塑料薄膜包裹嚴(yán)實(shí)，養(yǎng)護(hù)條件為20±3℃。砂漿試件尺寸為20×20×280mm，用比長(zhǎng)儀測(cè)量其收縮；混凝土試件尺寸為100×100×515mm，采用混凝土收縮測(cè)試儀測(cè)量其收縮，二者均精確到0.01mm，自收縮測(cè)試齡期與混凝土內(nèi)部濕度測(cè)試齡期一一對(duì)應(yīng)。

3、結(jié)果與討論

3.1 溫度對(duì)SAP吸釋水特性的影響

分別考察SAP在20℃、50℃、100℃下的吸釋水特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3-1、3-2。

由圖3-1可見，SAP在不同溫度下的吸水能力很強(qiáng)，相對(duì)在20℃和50℃環(huán)境下，其在100℃環(huán)境下的吸水能力尤為突出，吸水速率也很快。由圖3-2可見，SAP的釋水規(guī)律受溫度的影響較大。環(huán)境溫度越高，釋水速率越快。

3.2 SAP在水泥砂漿漿體中的釋水特性

考察內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料在水泥砂漿中的釋水規(guī)律，基本配比見表3-1：

、

由圖3-3可見，在相同齡期內(nèi)，摻入SAP的砂漿普遍比未摻入SAP的砂漿濕度要大，在前期和后期，摻入SAP的砂漿濕度基本都比未摻入SAP的砂漿濕度要高。SAP具有自身數(shù)十倍乃至數(shù)百上千倍的吸水能力和電解質(zhì)效應(yīng)。溶漲的SAP會(huì)在環(huán)境pH值或離子濃度變大的情況下釋放出水分。因此，SAP可以使水化水泥體系在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持較高的內(nèi)部相對(duì)濕度，以保證水泥的水化持續(xù)進(jìn)行，抑制早期干燥，達(dá)到控制自收縮的目的。

3.3 SAP對(duì)水泥砂漿性能的影響

SAP對(duì)水泥砂漿自收縮與強(qiáng)度的影響見下圖。

由以上兩圖可見，SAP對(duì)于改善砂漿的收縮有著明顯的作用。同時(shí)，摻入SAP后，水泥砂漿的力學(xué)性能并沒有受到太多的影響。

3.4 SAP作為內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

3.4.1 SAP作為低水膠比混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的優(yōu)選

綜合前面實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們可以發(fā)現(xiàn)，摻入SAP后，砂漿試塊中的濕度比對(duì)比試塊的濕度要高，下降速率也慢一些，在早齡期時(shí)，砂漿試塊的自收縮要明顯好于對(duì)比試塊，有效的抑制了自收縮的發(fā)展，其強(qiáng)度與對(duì)比試塊強(qiáng)度基本一致，沒有出現(xiàn)較大變化。

SAP作為水泥基材料的內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料，在水泥基材料拌制過程中加入，水泥制品可在不需要外部人工養(yǎng)護(hù)的情況下，可以增大砂漿內(nèi)部濕度，有效抑制自收縮的發(fā)展，獲得較好的強(qiáng)度等性能，從而達(dá)到自養(yǎng)護(hù)的目的。還可以使水泥混凝土的養(yǎng)護(hù)工序大為簡(jiǎn)化，降低后期的人工養(yǎng)護(hù)成本，而且有望有效地解決混凝土早期自收縮嚴(yán)重和難養(yǎng)護(hù)的問題。

3.4.2 SAP作為內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料對(duì)低水膠比混凝土性能的影響及分析

3.4.2.1 SAP對(duì)低水膠比混凝土性能的影響

由圖3-6可見，摻入了占膠凝材料總重量0.3%的SAP的混凝土試塊強(qiáng)度未出現(xiàn)明顯變化；由圖3-7可見，摻入SAP的混凝土試塊在早齡期收縮比對(duì)比混凝土試塊收縮要小；由圖3-8可見，摻入SAP的混凝土試塊在早齡期內(nèi)部濕度要比對(duì)比混凝土試塊濕度要高。這說明，SAP的摻入，提高了混凝土的內(nèi)部濕度，減小了自收縮，起到了內(nèi)養(yǎng)護(hù)的作用。

3.4.2.2 SAP改善低水膠比混凝土收縮性能的原因分析

低水膠比混凝土中對(duì)收縮起主要作用的成分是水泥石。隨著水泥水化的進(jìn)行，混凝土中的水量逐漸減少，相對(duì)濕度逐步降低。由于毛細(xì)管中存在著靜水張力，小毛細(xì)管和膠孔中的水分蒸發(fā)或孔中的水出現(xiàn)凹液面后，就會(huì)在毛細(xì)管的孔壁上產(chǎn)生毛細(xì)管應(yīng)力。毛細(xì)管應(yīng)力逐漸增加，使水泥石承受負(fù)壓作用，最終導(dǎo)致混凝土的收縮。減少低水膠比混凝土的收縮最直接的方法就是保持混凝土中的相對(duì)濕度，使水泥水化有充足的水分。在低水膠比混凝土中采用SAP部分替代普通粗集料的方法可以減少混凝土的收縮，這是因?yàn)樵诨炷聊Y(jié)硬化過程、養(yǎng)護(hù)和使用過程中，由于內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料中孔的尺度遠(yuǎn)大于水泥石中毛細(xì)孔的尺度，內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料所吸收的水分，隨著混凝土表面水分的蒸發(fā)，會(huì)從內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料向水泥石遷移，返還部分的水分給水泥漿體，以供水泥顆粒進(jìn)一步的水化。因此，預(yù)濕的內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料作為在混凝土內(nèi)部的水分儲(chǔ)備，在一段時(shí)間內(nèi)能自動(dòng)補(bǔ)給水泥水化用水，起到了內(nèi)養(yǎng)護(hù)的效果，對(duì)低水膠比混凝土早期收縮起到一定的補(bǔ)償作用。

結(jié)論：

SAP作為內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料時(shí)，其吸水速率受溫度影響很大，但飽和含水量相差不大。當(dāng)向水泥漿體中引入適量的SAP后，由于SAP具有高吸水能力，在水泥漿體中摻入的量最小，能夠有效的抑制水泥漿體的早期自收縮現(xiàn)象，引起的強(qiáng)度損失也相對(duì)很小。因此，通過本實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為，在低水膠比混凝土中摻入占膠凝材料總重量的0.3%的SAP時(shí)，低水膠比混凝土的自收縮與強(qiáng)度損失均最小，達(dá)到了最佳的內(nèi)養(yǎng)護(hù)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔣正武，孫振平，王新友，等.國(guó)外混凝土自收縮研究進(jìn)展評(píng)述[J].混凝土，2001.4：30-33.

[2]管娟，鄧敏，沈洋.國(guó)內(nèi)外高性能水泥漿體自收縮研究近況[J].粉煤灰綜合利用，2005：34-38.