高吸水性树脂颗粒对混凝土自收缩与强度的影响.pdf
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1、第 2 5卷第 1 期 2 0 0 8年 3月 华 中 科技 大学学报 ( 城市科学版 ) J o f HUS T ( Ur b a n S c i e n c e Ed i t i o n) V O 1 2 5 N O1 M a r 20 08 高吸水性树脂颗粒对混凝土 自收缩与强度的影响 胡曙光 , 周宇飞 , 王发洲 , 彭 波 ( 1 武汉理工大学 材 料科学与工 程学院 ,湖北 武汉4 3 0 0 7 0 ; 2 武汉市 商品混凝 土管 理站 ,湖北 武汉4 3 0 0 1 5 ) 摘 要 : 自收缩是 导致高强混凝土早期开裂 的重 要 因素 。研 究 了高 吸水性树脂 ( S A
2、P) 的掺量 、 引入 水量对不 同 水胶 比混 凝土的 自收缩与强度 的影 响规 律。 结果表 明 , 将 不超过胶凝材料 总重量 0 5 的 S AP预吸水后掺入 混 凝 土中。 可显著减小 混凝土的 自收缩 。 且抗 压强度损失 较小 。 通过研究 S AP对混凝 土内部 相对湿度变化 的影 响 规律 , 分析 了其对混凝 土 自收缩与强度 的作用机 理 , 认为 引入预 吸水 S AP可 明显延缓 混凝土早 期 内部 相对湿 度 的下降速度 。 对 混凝土起到 良好 的内养护 作用 。 减 小 自收缩 。 但 当 S AP掺量 大于胶凝材料总重量 的 0 5 时 , 作用效果 随 S
3、A P掺量的增大而不明显 , 混凝土抗 压强度也有 明显下降 。 关键词 : 混凝土 ; 高吸水性树脂 ; 自收缩 ; 内部相对 湿度 中图分类 号: TU5 2 8 0 文献标 识码 : A 文章编号 : 1 6 7 2 7 0 3 7 ( 2 0 0 8 ) 0 1 0 0 0 1 0 4 以低 水胶 比、 掺加 高 活性 矿物 掺合 料 为 特 征 的高强混凝土, 以其优 异的力学性 能在大跨度桥 梁、 高层建筑中得到 日趋广泛的应用 。 但高强混凝 土 早 期 自 干 燥 效 应 明 显 ,自 收 缩 ( a u t o g e n o u s s h r i n k a g e ,A
4、S ) 较 大 , 容易 开裂 。所 谓 自收 缩 , 是 指在 与外 界 没 有 水 分 交 换 的条 件 下 , 由于水 泥 的 不断 水化 及 矿 物 掺 合 料 的二 次水 化 作 用 , 在 混 凝 土内部产生一系列复杂的物理、 化学及力学变化 , 从 而使 混凝 土在 宏 观上表 现 出来 的一 种 体积 缩小 的现象 u J 。 B e n t u r等 L 2 在 混 凝 土 中 掺 加 经 过 预 湿 处 理 的轻集料 , 利 用轻 集 料 内水 分 的 自养 护 作用 , 在 降 低 混凝 土 的 自收 缩 方 面取 得 一 定 成效 。但 是 , 据 I u r a L
5、3 的研究结果 , 即使粗集料全部使用粒径为 4 8 mm 的轻集 料 , 也 只有 7 0 的水 泥 浆体 能 受 到养护 。 并且轻集料 自身强度较低, 若粗集料全部 使 用轻 集 料 , 会 对 混 凝 土 强度 及 其 它 一些 性 能 产 生不 利 影响 。 高 吸 水 性 树 脂 ( s u p e r a b s o r b e n t p o l y me r , S AP) 是 一种 含 有羧 基 、 羟基 等强 亲水 性 基 团 并具 有一定交联度 的水溶胀型高分子聚合物 , 能够 吸 收 自身重 量 几 百 倍 甚 至 上 千倍 的水 , 并 具 有 吸水 速率快 , 吸
6、水量易于控制等特点。 在混凝土中加入 少 量 高 吸水 性 树 脂 , 可 对 水 泥 浆 体起 到 较 好 的养 护效 果 。 试验原材料与方 法 1 1原材 料 水 泥 ( C) : 湖 北华 新 P O 4 2 5普 通硅 酸盐水 泥 ; 硅 灰 ( S F ) : 武 汉 钢 铁 公 司 硅 灰 , 比表 面 积 2 0 0 0 0 m。 k g; 粗 集 料 ( G) : 石 灰 石碎 石 , 粒径 5 2 5 mm; 细 集 料 ( S ) : 中砂 , 粒 径 5 mm, 细 度 模 数 2 8 , 含泥量 1 9 5 ; 减水剂 ( F DN) : 萘系高效保塑 缓凝 减 水剂
7、 , 掺 量 为胶 凝 材 料 总量 的 0 8 ; 拌合 用水 ( W ) 与 内养护 用 水 ( We ) : 自来 水 ; 高 吸水 性 树 脂 ( S AP ) : 聚丙 烯 酸钠 吸水 树 脂 , 对 自来 水 的吸 水 倍 率见 图 1 。 瓣 图 1 S A P吸水率 1 2方 法 ( 1 ) 湿 度测 量 。试 件 尺 寸 为 1 5 0 mm 1 5 0 mm1 5 0 mm, 成 型时 在 试 件顶 部 插 入 直径 为 3 0 收 稿 日期 : 2 0 0 7 0 5 1 8 作者简 介:胡曙光 ( 1 9 5 7 一 ) , 男 湖北武汉人 , 教授 , 博 士, 研究
8、方 向为 高性 能水泥基复合材料 , f z h wa n g wh u t e d u c r l 。 基金项 目:国家 自然科学基金 ( 5 0 5 7 2 0 7 7 ) ; 武汉市青年科 技晨光计划 ( 2 0 0 5 5 0 0 3 0 5 9 8 ) 。 维普资讯 http:/ 2 华 中科技大学学报 ( 城市科学版 ) mm 的塑 料管 , 预 留内部 湿 度测 试孔 , 塑 料管 插 入 深 度为 7 5 mm。成 型后将 管 口用 凡士 林 密封 , 防 止 内外 水 分交 换 。混 凝土 脱模 后立 即用 熔融 石蜡 将 表 面密 封 。采 用 WS X 一型 内部湿 度测
9、 试仪 测 定 混凝 土 内 部 湿度 , 精 确 到 1 。测 量 时 , 将 探 头 插 入 测试 孑 L 内 , 用 凡 士 林 将 探 头与 测 试孔 之 间 的 间隙密封 , 待湿度平衡后读取数据。 ( 2 ) 自收缩 测量 L 4 。每组 混凝 土成 型 3 个 1 0 0 mm 1 O 0 mm 3 0 0 mm 的 试 样 , 成 型 时首 先 在 模具 内垫 上 一层 塑 料薄膜 , 试 件两 端预 埋铜 探头 , 成 型 1 d后 拆 模 , 然 后 先 用熔 融 石 蜡 对 试件 进 行 密封 处理 , 再套 上 塑料 薄 膜包 裹严 实 , 养 护条 件 为 2 O 3
10、 。 采用 外径 千 分尺 分别 测定 试件 在各 龄期 的收缩值 , 精确到 0 0 1 mm, 自收缩测试龄期 与 混 凝土 内部 湿 度测 试 龄期 一一对 应 。 ( 3 ) 预 吸水 S AP在 水 泥浆 体 中的 释水 特性 观 测 。在 玻璃 板上 均 匀撒 布一 层 预吸 水 S AP颗 粒 , 并 立 即倾 倒 一层 水 泥 浆 , 待 浆体 硬 化后 , 用 F C V一 2 1型混凝土裂缝 观测仪从玻璃板的另一面观察 S AP颗粒 在水 泥 浆体 中的释水 情 况 。 2结果与讨论 2 1 S A P对 混 凝 土 自收缩 与抗 压强 度 的影 响 为 考 察 S AP对
11、 低 水 胶 比混 凝 土 的 内养 护效 果 , 将 经 过 预 吸 水 处 理 的 S AP 引 入 混 凝 土 中 , S AP掺量 为 胶 凝材 料 总 重量 的 0 3 0 7 oA, 引 入水 量为胶 凝材料总重量 的 4 , 试验方案见表 1 。 表 1 试 验 方 案 ( 水 胶 比 为 0 3 4 ) 安 S AP ! 一 曼 ! ! 里 ( C +S F ) k g m一 。 R1 R1 0 3 R1 0 5 R1 0 7 宝 姆 皿 +Rl +RI 一 0 3 卜 R1 0 5 *R1 07 图 2 S A P对混凝土 自收缩 的影响 图 2是 引入 水 量 固定 时 ,
12、 S AP掺 量对 低 水 胶 比混凝 土各 龄 期 自收缩 的影 响规 律 。在低 水胶 比 混凝 土 中引 入 预 吸水 S AP, 可 有 效抑 制 混凝 土 各 龄 期 的 自收缩 , 且在 7 d龄期之 前 , 其 效果 随 S AP 掺 量增 大有 显著 改善 , 由于 S AP掺人 混凝 土后 继 续 吸水 肿胀 , 掺有 S AP的试 样在 早 期 还产 生 了微 膨 胀 。但 当 S AP掺 量超 过 0 5 时 , 其 减 小 混 凝 土 1 4 d龄 期之 后 自收缩 的 效果 随 S AP掺 量增 大 并 没 有 明显改 善 。 图 3是混凝 土抗 压 强 度与 S A
13、P掺 量 的关 系 。 引 入 少 量 S A P对 混 凝 土 7 d强 度 影 响 不 大 , 且 S AP掺 量 为 0 3 时 , 7 d强 度还 略有 提 高 。2 8 d 强 度 则 随 S AP掺 量 增 大 而 降 低 , 当 S AP掺 量达 到 0 7 时 , 7 d和 2 8 d强 度均 有 明显 下降 。 口 Rl皿 R1 O 目 R1 0 5团 R 1 0 7 图 3 S AP对 抗 压 强 度 的影 响 2 2 S AP对 不 同水胶 比混 凝 土 自收 缩 与抗 压 强 度的影 响 表 2是 引 入 胶 凝 材 料 总 重 量 0 5 的 S A P, 4 的水
14、对不 同水 胶 比混 凝 土 自收 缩 和 强 度影 响 的试验 方案 。 表 2试 验 方 案 ( 不 同水 胶 比 ) 方案 W+ W e w e w c S F G s F DN _ -R2 卜 _ R2 0 3 广 R 2 0 3 2 图 4 S AP对 不 同水 胶 比混 凝 土 自收 绢 的影 响 图 4是 不 同 水 胶 比 的 混 凝 土 引 入 预 吸 水 S AP后 , 自收缩 随 时 间 的变 化 规 律 。引 入 预吸 水 S AP后 , 各 水 胶 比混 凝 土 的 自 收 缩 比 不 掺 S AP 的基 准组 均 有 明 显减 小 , 且 水 胶 比的 降低 并 未
15、 对 自收 缩 造 成 显 著 影 响 。这 说 明 即 使 在 水 胶 比为 0 3 0 的条件 下 , 预吸 水 S AP仍 然 能够 实 现 对水 泥 6 5 4 3 2 l O 。 姆 皿 船 4 5 6 L 0 1 5 6 o 9 2 0 5 0 o 1 o 0 3 5 7 0 0 0 5 4 3 2 。 o 叫 维普资讯 http:/ 第 1 期 胡曙光等 : 高吸水性树 脂颗粒对 混凝土 自收缩 与强度的影 响 。3。 浆 体 的充 分 养护 , 有 效缓 解 水 泥 水 化 导致 的 自干 燥 现 象 , 并 克 服 由此 产生 的 自收缩 。 图 5是 S AP对 不 同水
16、胶 比混 凝 土 强 度 的 影 响 。引入 胶 凝材 料 总量 0 5 的 S AP对 各 水 胶 比 混 凝 土强 度 的影 响 规律 基 本相 同。对 7 d强 度影 响较 小 , 2 8 d强 度下 降 比较 明显 。 f R2 目R2 0 3 0 口R2 0 3 2 囹R2 0 3 4 图R2 0 3 6 日 山 羔 慧 图 5 S AP对不 同水胶 比混凝土抗压强度 的影 响 2 3 S AP引入 水 量 对 混凝 土 自收缩 与 抗 压 强 度 的影 响 表 3是 在 水 胶 比 为 0 3 0的 R2配 比 中 引入 胶凝 材 料总 重量 0 5 的 S AP, 并 分别 引
17、入 2 , 4 和 6 9 6 的水 对 混 凝 土 自收 缩 和 抗 压 强 度 的 影 响规 律 的试验 方 案 。 表 3 试验 方案 ( 水胶 比为 0 3 ) 2 撩 皿 图 6引入水量对混凝 土 自收缩 的影响 口 R2 皿R2 0 0 2目 R2 0 0 4囹 R2 0 0 6 山 羔 想 图 7 引入水量对 混凝土抗压强度的影响 图 6是 在 混 凝 土 中引 入 不 同水 量 时 , 自收缩 随时 间的变 化规 律 。 由 图可见 , 混凝 土在 相 同龄 期 的 自收缩 随 引 入水 量 的增 大而 减 小 , 但 当引入 水 量 大 于 4 时 , S AP减 小 自收
18、缩 的 效 果 随 引 入水 量 的增 大并 无 明显 改善 。 例如 , 在 1 4 d龄期 之前 , 引入 水 量 为 4 和 6 的 配 比 , 自收缩 基 本 相 同。 这说 明单 纯 通过 增大 引入 水 量并 不 能有 效地 减小 自收 缩 , 反 而还 会引 起抗 压 强度 的下 降 ( 图 7 ) 。 2 4 S AP对 自收 缩与 抗 压 强度 影 响机理 分 析 2 4 1 S AP颗 粒在 混凝 土 中的释 水特 性 图 8和 图 9分 别 为水 泥 水 化 3 d和 7 d时 , S AP颗 粒在 水 泥 浆 体 中的 形 态 , 图 中灰 色 区域 为 S AP 中的
19、水 在水 泥浆 体 中 的扩散 范 围 。由图 8可 见 , 至 水 泥 水 化 3 d时 , 由 于浆 体 的 自干燥 效 应 , 混凝 土 内部 相对 湿 度下 降 , S AP颗 粒 中 的水 逐渐 扩散 到水 泥 浆 体 中对 其 进 行 养 护 , 同时 自身 体积 开始 缩小 ; 到水化 7 d时 , S AP中的水 基 本 释放完 毕 , 颗 粒 尺 寸缩小 到 与未 吸水 时 相 当 , 并 在浆 体 中 留 下 蜂 窝 状 孔 洞 ( 图 9 ) , 减 小 了试 件 的 有效 截 面 积 , 试 件 受 压时在 孔 洞处 易造 成应 力 集 中 , 促 进微 裂纹的生成与发
20、展, 降低 混凝土的抗压强度 。 图 8 水 化 3 d时 S AP 形 态 图 9水 化 7 d时 SAP彤 态 2 4 2 S AP对混凝 土 内部 相 对 湿度 的影 响规律 图 1 0是 在 水 胶 比 为 0 3 0的 混 凝 土 中 , 引入 胶 凝 材 料 总 量 0 5 的 S A P 和 4 的水 , 对 混凝 土 内部 相 对 湿 度 的 影 响 规 律 。 引入 预 吸 水 S AP 后 , 混凝 土 在 各 龄 期 的 内部 相 对 湿 度 均 有 明显 提 高 。 这 表 明从试 件 成 型到 7 d左 右龄 期 时 , S AP可 将 其 吸附 的 水 释放 出来
21、, 用 以对 水 泥 浆 体 进行 湿 度 补 偿 , 缓解 由于水 泥水 化产 生 的 自干燥 现象 , 减 小 自收缩 。7 d之后 , 随着 S AP释水 过 程的结 束 , S AP失 去其 内养 护 的功 能 , 不 再对 水 泥浆 体进 行 湿 度 补 偿 , 混 凝 土 内部 相 对 湿 度 的变 化 主 要受 单 方 用水 量 控制 , 单 方用 水量 越 大 , 相 同龄 期时 混凝 土 内部相 对 湿度越 大 。 图 1 1是 混凝 土 内部 相 对 湿 度 与 自收 缩 的 关 加 如 如 加 0 维普资讯 http:/ 4 华 中科技大学学报 ( 城市科学版 ) 2 0
22、 0 8矩 靛 图 1 0 S A P对混凝土相对 温度 的影响 w b =0 3 0 , S AP = 0 , We = 0 口w b =0 3 0 S AP = 0 5 We = 4 i b o O 9 5 9 0 8 5 收缩 ; 但 S AP颗粒释水后萎缩 , 在混凝土中 留下 蜂窝状孔洞 , 降低 了混凝土的抗压强度。 1 i- 2 1- 3 婚 : 皿 1- 4 相 对 湿 厦 图 1 1 相对温度 与 自收缩之 间的关 系 系。 对图中的数据进行拟合 , 得到了内部相对湿度 与 自收缩 的函数 , 其 关系基本 符合 线性 函数 A = k RH十b L 4 。 在混 凝 土 中
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