高吸水性树脂对低水胶比混凝土性能的影响.pdf

2 0 1 3年第 7期 7月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA CO NC RE T E AND C EMEN T P RODUC T S 2 01 3 No 7 J u l y 高吸水性树脂对低水胶比混凝土性能的影响 王 立 霞 ( 河南建筑职业技术学院 ， 河南省建筑工程学校 ， 郑州 4 5 0 0 6 4 ) 摘 要 ： 利用高吸水性树脂 ( S AP ) 引入数量不等 的 内养护水 ， 研 究 了低 水胶 比混凝土 强度 、 重量损失、 电阻率和 收缩的变化规律。结果表明 ， S A P的加入一定程度上降低 了混凝土的抗压强度和劈 裂抗拉 强度 提 高了混凝 土的保 水性 ， 混凝土表 面和 内部 的电阻率也有所 下降， 混凝土的 自收缩大大降低 ， 且混凝土的早期干缩也有所下降。 关键词 ： 混凝 土 ； 高吸水性树脂 ； 强度 ； 保水性 ； 电阻率： 收缩 Ab s t r a c t ： B y a d d i n g s u p e r a b s o r b i n g p o l y m e r( S A P ) i n t o t h e c o n c r e t e w i t h l o w w a t e r b i n d e r r a t i o a s a n i n t e r n a l c u r i n g a g e n t ， a n d b y a d d i n g a d d i t i o n al c u r i n g wa t e r t o t h e c o n c r e t e ， t h e a u t o g e n o u s s h ri n k a g e o f t h e c o n c r e t e c a n b e s i g n i fi c a n t l y r e d u c e d T h e e f f e c t s o f t h e a d d i t i o n o f S AP o n t h e p r o p e r t i e s o f t h e c o n c r e t e wi t h w a t e r - b i n d e r r a t i o 0 3 a r e i n v e s t i g a t e d T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e a d d i t i o n o f S AP l c a d s t o t h e d e c r e a s e o f t h e c o mp r e s s i v e a n d t e n s i l e s t r e n g t h a n d t h e e l e c t ri c a l r e s i s t i v i t y T h e wa t e r r e t e n t i o n f o r t h e c o n c r e t e i n c o r p o r a t i o n S A P i s h i g h e r c o mp a r e d t o t h e c o n c r e t e w i t h o u t S AP T h e a d d i t i o n o f S AP i n t o t h e c o n c r e t e wi t h l O W w a t e r b i n d e r r a t i o c a n r e ma r k a b l y r e d u c e t h e a u t o g e n o u s s h ri n k a g e a n d i t c a n als o d e c r e a s e t h e e a r l y d r y s h ri n k a g e o f c o n c r e t e Ke y wo r d s ：C o n c r e t e ； S u p e r a b s o r b i n g p o l y me r ； S t r e n g t h ； Wa t e r r e t e n t i o n ； E l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y ； S h rin k a g e 中图分类号 ： T U 5 2 8 1 文献标识码 ： A 文章编 号： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 3) 0 7 一 O 7 0 4 0前 言 低水胶 比的高性能混凝土 由于胶凝 材料在水 化过 程 中产 生 相 当 大 的化 学收 缩 和 自干 燥 混 凝 土 硬化过程中会产生较大的自收缩变形 。当混凝土的 自收缩变形受到约束时 。 就会在混凝土 内部产生应 力 ， 而一旦 内应力超过混凝土 的抗拉强度 ， 将导致 混凝 土早期开裂 ，继而严重地降低混凝土的耐久 性。同时 ， 由于低水胶 比的高性能混凝土具有较低 的渗透性 ， 传统养护手段提供的外部水很难进入混 凝土内部 ， 以至传统养护手段对防止混凝土内部 的 自干燥效果很差 。因此 ， 自养护是解决 自收缩难题 的最有效办法 自养护是将饱水轻骨料 ( L WA) 或高吸水树脂 ( S A P ) 等饱水 多孔材料掺人混凝土中 在混凝土 内 部形成水源。在胶凝材料水化过程中 ， 饱水 多孔材 料作为 内养护剂 ，释放所吸收 的水进入混凝土 内 部 ， 供未水化水 泥继续水化 ， 维持混凝土 内部处 于 高湿状态 ， 从而 降低混凝土水化过程 的 自收缩【 1 - 4 。 用 L WA内养护阻止混凝土 自干燥 ，存在 的主要 问 题是难于控制混凝土 的均匀性及导致混凝土强度 和弹性模量的降低 5 。 超吸水性树脂 ( S A P ) 是一种强亲水性 的高分子 化合物 。由于 S A P分子结构中存在大量的羟基 、 羧 基及氨基等强亲水基 因， 因此 ， S A P具有极高的吸收 水分的能力 ， 有时吸收水 的重量可以超过其 自身重 量的 5 0 0倍6 - 7 。S A P与混凝土一起搅拌后 ， 吸收部 分搅拌水 。 在胶凝材料水化期间 ， 由于混凝土 自干 燥 S A P逐渐释放其 吸收 的水分供胶凝材料进 一步 水化 ，降低混凝土 自收缩。与 L WA不 同的是 ， S A P 可以避免在混凝土中掺入力学性能较差的集料 ， 提 高混凝土力学性能和均匀性嘲 。 O l e M l h e d e J e n s e n等 5 用 详细阐述 了将超 吸水 性树脂细颗粒掺人混凝土 中。 为混凝土提供 内养护 水源 通过设计孔结构控制混凝土 白干燥 的原理和 理论背景 并经试验研究表明 。在混凝土 中加入 S A P ， 可 以有效减小甚至完全消除混凝土的自收缩 ， 但他们也认为由于实际的养护温度 、 湿度条件差异 很大 ， 掺 S A P内养护混凝土 的力学性 能还需要进一 步的试验研究 。国内学者孔祥明6 q 等研究了 S A P对 不 同水灰 比新拌砂浆的流动度 、 砂浆在干燥养护过 程 中的体积收缩 以及力学性能 的影 响。研究发现 ， S A P的加入 降低了砂浆的流动度 砂浆的体积收缩 与水灰 比的关系明显 ， 低水灰 比的砂浆， S A P的加入 可 以明显减小其体积收缩 ，而对高水灰 比的砂浆 ， S A P的加入对砂浆体积收缩 的改善作用不明显。总 之 国内外对掺 S A P内养护混凝土的研究还比较有 限 鉴于此 ， 研究 内养护剂 S A P对混凝 土性能的影 响具有 非 常重要 的意 义 。 一7一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 7期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 7期 本文主要研究了饱水 S A P对混凝 土抗压 、 抗拉 强度 、 混凝土保水性 、 电阻率及体积收缩的影响。 1 试 验 1 1 原材料 水泥( C) ： 选用 P O 4 2 5级普通硅酸盐水泥 ， 基 本物理力学性能和化学组成分别见表 1 、 表 2。 表 1 水泥的基本性 能 Ca O 5 467 Mg O 3 4 9 A l 2 0 3 6 0 2 S i O 2 S O 3 F e 2 0 3 R 2 0烧失量 2 2 6 6 2 42 3 68 0 50 2 4 7 硅灰( S F ) ： 比表面积 2 0 0 0 0 m 2 k g 。 细骨料 ( S ) ： 天然河砂 ， 细度模 数 2 6 ， 中砂 ， 区级配 粗骨料 ( G) ： 5 - 2 0 m m连续级配碎石 ， 压碎值指 标 5 O 。 水( W) ： 自来水 ， 符合 J G J 6 3 -2 0 0 6 ( 混凝土用 水标准 要求。 减水剂 ( WR A) ： 采用 萘系高效减水剂干粉 ， 掺 量为水泥重量的 0 8 ， 减水率为 2 0 。 高吸水性树脂 ( S A P ) ： 一种商用 的 S A P ( 直径在 1 9 0 3 2 0 1 a m之 间) ， 是丙烯酰胺和丙烯酸 的共 聚物。 5 m i n后的吸水性为 6 0 g g 。 1 2 需要 的 内养护水 有效的内养护主要取决 于加 到混凝 土中的 内 养护水的重量 并且在胶凝材料水化期间能从 S A P 中释放出来 ， 使硬化中的胶凝材料获得这些水 。所 需 内养护水的数量从理论上可 以通过 P o w e r s m o d e l 来估计is ： ( 罟 0 1 8 ( ) 当 ( ) 3 6 ( 1 ) 本试验的混凝土配合 比， 水胶 比为 0 3 。 胶凝材 料用量为 5 0 0 k g ， 按公式 ( 1 ) 计算 ， 所需 内养护水为 2 7 k g 。公式( 1 ) 过低估计 了所需内养护水 的数量。 由于在混凝土中 ， S A P中的水分释放被 限制 ， 根据以往研究的成果t 5 , 7 1 本项研究将较高的内养护 水加到混凝土 内以降低 自收缩 。引入 内养护的水量 分别为 4 0 k m 3 , 6 0 k m 和 8 0 k g m 。 对应 S A P的量 分别为 O 6 7 k g 、 l k g和 1 3 3 k g 。 1 3 混凝土配合 比 本次试验采用的水胶 比为 0 3 0 ， 具体配合 比见 表 3 。 一 8 一 表 3 混凝土配 合 比 k g m 3 编号 S AP C S F S G W WRA S AP O 0 S A P4 0 O 6 7 S Ap 6 0 1 0 S AP 8 0 1 3 3 1 4 养护条件 养护条件分为湿养护 R H 9 5 ， ( 2 0 2 ) C 、 干 养护f ( 6 O 5 ) ， ( 2 0 2 ) c c 】 和 自然养护 ， 分别用 W、 D 和 N表示。试件成型后 的 2 8 d内， 室外环境平均最 低和最高温度分别为 4 1 和 1 3 0 ； 室外环境平均 最低和最高相对湿度分别为 3 8 8 和 7 6 6 。 1 5 抗压强度和劈裂抗拉强度 混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度试件 的尺寸 均 为 1 5 0 m mx l 5 0 mmx 1 5 0 ra m， 试 验按 G B T 5 0 0 8 1 2 0 0 2 ( 普通混凝土力学性能试验方法标准 进行 。 1 6 保水性 将混凝土注入 1 5 L的塑料桶 中以确定混凝 土 的重量损失 。塑料桶 的内径为 1 2 0 m m， 高 1 3 0 mm。 将注入混凝土 的容器放在温度为( 2 0 2 ) o C、 相对湿 度为 ( 6 0 5 ) 的环境中。不同的时间间隔下测定容 器的重量 以确定混凝土的重量随时间的损失 ， 最 后所得结果是两个相同试样的平均值 。 1 7 电阻率 将 1 0 0 mmx 1 0 0 mmx 5 1 5 m m 的棱柱体试件用 于 确定混凝土的电性能。厚 0 3 mm的紫铜铜片 ， 作为 电极 相互平 行埋 入混 凝 土 中 ，两 电极 问距 约 为 4 0 m m 电极埋入深度分别 为 2 0 ra m 和 5 0 ram， 电极 部 分绝缘 ， 只有其端部与混凝 土接触 ， 电极尺寸为 1 0 m mx 2 0 m m， 接触面积为 2 c m 。 试件及 电极布置见 图 1 。 每个试件中埋入同样深度的电极各三对 。 试验 结果为三个结果的平均值。电阻的测量用 P S 一 6型 恒 电位仪进行 ， 试验原理见文献 1 0 。 图 1 混凝土试 件中的电极布 置( 单位 ： m i l 1 ) ；( 5 5 5 5 0 0 0 O 凹 5 5 5 5 钾 钾 钉 钉 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王立霞 高吸水性树脂对低水胶比混凝土性能的影响 1 8 自收缩 每 组 混 凝 土 成 型 6个 1 0 0 mmx l 0 0 m mx 5 1 5 m m 棱柱体试件 。成型时在试件两端预埋测头 ， 试件成 型后带模养护 l d后拆模 3个用于 自收缩测量 的试 件拆模后 即用熔融的石蜡进行密封 试件密封后再 用塑料薄膜包裹 ；另 3个试件用于干燥收缩测量 。 自收缩和干燥收缩试件均进行湿养护 。采用精度 为 0 0 0 1 m m的千分表测量试件在各龄期的收缩值 。 2试 验 结果 与讨 论 2 1 抗压 强度 与劈 裂抗 拉强 度 自然养护和湿养护条件下 混凝土 2 8 d抗压强 度试验结果见表 4 。由表 4可知 ， 无论是 自然养护还 是湿养护 ， 掺 S A P内养护混凝土的抗压强度 和劈裂 抗拉强度均有所降低 。这主要是 由于内养护增加了 混凝土 中的水量 。 水胶 比增大 了， 因而造成抗压强 度和劈裂抗拉强度的降低 。从 降低 幅度来看 ， 自然 养护和湿养护条件下 ， 混凝土抗压强度降低 幅度分 别为 1 2 6 和 1 8 O 。混凝土在 自然养护条件下 ， 抗 压强度降低幅度要小 ， 这主要是 由于 内养护改善了 养护条件 ， 混凝土抗压强度降低的幅度减小 了。 表 4不同 S A P掺量下 的混凝 土强度 2 2保 水性 图 2给 出了 S A P不 同掺量下混凝土 的重量损 失随时间的变化 曲线。从图 2中可 以看出 ， 由于水 分的蒸发 ， 自养护混凝土的重量损失 比未掺 S A P混 凝 土 的重 量 损失 小 。而 引入水 量 越 多 ， 混 凝 土 的 重 量损失越大。 表明通过 S A P引入水的 自养护混凝土 的保水性要优于未掺 S A P的混凝土。 6 5 6 0 5 5 隶 5 0 4 5 1】母 】4 0 3 5 3 O 2 5 O 5 1 O 1 5 2 O 2 5 3 0 时间 d 图 2 S A P不同掺量 下混凝土重量随时间的损失 2 3 电阻率 混凝土 电阻率受其 内部含水率 的影 响非 常敏 感【 1 1 2 】 。混凝土含水率越高 ， 电阻率越低 。通过测量 混凝土 内部 的相对湿度 ， 可以反映 内养护混凝土内 部湿度的变化情况 。然而 ， 由于大多数湿度传感器 的灵敏度存在 2 的误差 ，且混凝 土内部相对湿度 的测量方法较 复杂 ， 因此 ， 本研究利用简单 的电阻 率测量方法来反映混凝土内部湿度的变化。 图 3 ( a ) 和图 3 ( b ) 是 S A P不 同掺量下混凝土电 阻率 的变化规律。从图中可 以看 出 ， 引入预吸水 的 S A P后 ， 不管 是 0 2 c m， 还是 3 - 5 c m深混凝土在各 龄期 的电阻率均有所 降低 ， 说 明通过掺人 S A P引入 内养护水 ， 可以使混凝 土的相对湿度提高 。并且在 1 4 d左右 ，掺入 S A P内养护的混凝土电阻率明显下 降 ，表明 S A P可以将其 吸附的水分较早地 释放 出 来 ， 用 于补偿胶凝材料水化所 消耗 的水分 ， 缓解 由 于 胶凝 材 料水 化 产生 的 自干燥 ， 减 小 混凝 土 的 自收 缩。1 4 d之后 ， S A P释放水的量将 十分有 限， 其 内养 护的湿度补偿功能越来越弱 。 窨 a 褂 岛 O 1 0 2 O 3 0 4 0 5 O 6 O 龄期 d ( a ) 0 - 2 c m O 1 0 2 O 3 U 4 U 5 U 6 U 龄期， d ( b) 3 5 c m 图 3 不 同内养护水量下 电阻率随龄期 的变化 2 4 收 缩 内养护可 以有效降低低水胶 比混凝土 的 自收 缩 ， 其 降低程度在混凝土水胶 比一定时 ， 与内养护 引入的水量有关。图 4 ( a ) 、 图 4 ( b ) 分别为 S A P引入 不同的 内养护水后 混凝 土 自收缩 与干燥收缩 的试 一 9 一 如 加 ：2 m O 目_ 1 、 料墨 M j m 8 6 4 2 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 7期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 7期 验结果。 5 0 o 4 0 0 b 3 0 0 祷2 0 0 婿 1 0 0 0 1 0 0 褂 姆 0 5 1 O 1 5 2 O 2 5 3 0 龄期， d ( a ) 自收缩 U 5 l U l 5 2 U 2 5 3 U 龄期， d ( b ) 干 缩 图 4 内养护 对混凝 土收缩 的影响 从 图 4 ( a ) 可以看 出， 通过 S A P引入内养护水 ， 可以明显降低低水胶 比混凝土的自收缩 且 随着引 入水量的增加 ， 自收缩降低的幅度更加显著。掺有 S A P的试件在早期还产生了微膨胀 且 随着引入水 量的增加 ， 掺 S A P试件 的收缩逐渐 向后推移 。 通过 S A P每 I n 引入 8 0 k g内养护水的混凝土 ， 1 0 d后才 产生 了收 缩 。通 过 S A P每 IT I s 引入 4 0 k g 、 6 0 k g和 8 0 k g内养护水 的混凝土 ， 2 8 d自收缩分别较基准样 降低 了 3 4 0 、 6 2 _ 3 和 7 1 1 。 从图 4 ( b ) 可以看 出， 掺人 S A P引入 内养护水 ， 可 以降低混凝土早龄期的干燥收缩 ， 但随着龄期延 长 ， 其 干燥 收缩迅速增加 ， 且随着 S A P引水量 的增 加混凝土后期干燥收缩显著增加 ， 说明 S AP引入的 内养护水不足以用来补充混凝土干燥挥发的水分。 3结 论 ( 1 ) 掺人 S A P作为 内养护剂 ， 降低 了混凝 土的 抗压强度和劈裂抗拉强度 ，且 S A P引人水量越多 ， 强度降低幅度越大。 ( 2 ) 掺入 S A P内养护混凝土的保水性能优于未 掺 S A P的混凝土。通过 S A P引入越多的内养护水 ， 混凝土的重量损失越大。 ( 3 ) 掺人 S A P内养护混凝土表面和内部的电阻 率均有所 降低 ， 1 4 d前混凝土电阻率降低 明显 ， 1 4 d 一 1 0一 后混凝土电阻率的降低趋缓 。 ( 4 ) 掺人 S A P内养护混凝 土的自收缩大大降低 了， 混凝土早期干缩有所降低 ， 但随着龄期的延长 ， 其干燥收缩显著增加。 参考 文献 ： 1 C u s s o n D ， L o u n i s Z ， D a i g l e L B e n e fi t s o f i n t e r n a l c u ri n g o n s e r v i c e l i f e a n d l i f e c y c l e c o s t o f h i g h p e rf o r ma n c e c o n c r e t e b ri d g e d e c k s A c a s e s t u d y J C e me m a n d C o n c r e t e C o mp o s i t e 。 2 0 1 0 ， 3 2 ： 3 3 9 3 5 0 2 】 董 淑慧， 张 宝生， 葛勇， 等 轻 骨料对 混凝 土 自养 护减 缩 效率的影响 J 硅酸盐学报， 2 0 0 9 ， 3 7 ( 3 ) ： 4 6 5 - - 4 6 9 3 】 D h i r R K ， He w l e t t P C ， D y e r T D M e c h a n i s m s o f w a t e r r e t e n t i o n i n c e m e n t p a s t e s c o n t a i n i n g a s e rf - c u ri n g a g e n t J Ma g - a z i n e o f C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 8 ， 5 0 ( 1 ) ： 8 5 9 0 【 4 G E Yo n g ， KO N G L i j u a n ， Z HA NG B a o s h e n g ， e t a 1 E f f e c t o f l i g h t we i g h t a g g r e g a t e p r e - we t t i n g o n mi c r o s t r u c t u r e a n d p e r me a b i l i t y o f m i x e d a g gre g a t e c o n c r e t e J J o u rna l o f Wu h a n U n i v e r t y o f T e c h n o l o g y - m a t e r S c i E d ， 2 0 0 9 ， 2 4 ( 5 ) ： 8 3 8 - 8 4 2 5 1 J e n s e n O M， H a n s e n P F Wa t e r e n t r a i n e d c e m e n t b a s e d ma t e ri al s I P r i n c i p l e s a n d t h e o r e t i c al b a c k g r o u n d U C e m e n t a n d C o a e r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 1 ， 3 1 ( 4 ) ： 6 4 7 - 6 5 4 【 6 】 孔祥明， 李启宏 高吸水性树脂对水 泥砂浆体 积收缩及力 学性能 的影响 J 硅 酸盐学报， 2 0 0 9 ， 3 7 ( 5 ) ： 8 5 5 8 6 1 7 C r a e y e B ， G e i ma e r t M， S c h u t t e r G D S u p e r a b o r b i n g p o l y - me r s a s a n i n t e r n a l c u ri n g a g e n t f o r mi t i g a t i o n O f e a r l y- a g e c r a c k i n g o f h i g h p e r f o rm anc e c o n c r e t e b ri d g e d e c k s J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g M a t e ri al s ， 2 0 1 l ( 2 5 ) ： 1 - 1 3 8 】J e n s e n O M，H a n s e n P F Wa t e r e n t r a i n e d c e m e n t b a s e d m a t e ri a l s I I E x p e ri m e n t a l o b s e r v a t i o n s J C e me n t a n d C o n - c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 2 ， 3 2 ( 4 ) ： 9 7 3 - 9 7 8 9 B e n t z D P ， S n y d e r K A P r o t e c t e d p a s t e v o l u m e i n c o n c r e t e ： E x t e n s i o n t o i n t e rna l c u r i n u s i n g s a t u r a t e d l i g h t w e i g h t fi n e a g g r e g a t e J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ，1 9 9 9 ， 2 9 ：1 8 6 3 1 8 6 7 【 1 0 1 L i Me i l i ， Q i a n J u e s h i ， X u S h a n s h a n ， e t a1 A s s e s s me n t o f c u ri n g e ffic i e n c y a n d mo i s t c u rin g o n p e r f o rm a n c e o f fl y a s h c o n c r e t e J J o u r n a l o f Wu h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y - Ma t e r S c i E d 2 0 1 1 ， 2 6 ( 2 ) ： 3 6 1 - 3 6 6 1 1 李美利， 钱觉时， 王立霞 ， 等 混凝 土养护效果 电阻率评 价方法 探索【 J 】 建筑材 料学报， 2 0 1 1 ， 1 4 ( 4 ) ： 4 7 3 4 7 7 【 1 2 】 R e z a F ， B a t s o n G B ， Y a m a m u r o J A ， e t a 1 V o l u me E l e c t r i c a l R e s i s t i v i t y o f C a r b o n F i b e r C e m e n t C o mp o s i t e s J A C I Ma t e ri a l s J o u rnal ， 2 0 0 1 ， 9 8( 1 ) ： 2 5 3 5 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 5 1 0 作者简介 ： 王立霞 ( 1 9 6 5 一 ) ， 女 ， 高级 工程师 。 通讯地 址： 郑州市金水 区丰乐路 4号 联 系电话 ： 1 3 7 0 3 8 6 9 8 7 8 E r n a i I ： 1 wt i x ia 1 2 6 c o m 瑚mo M驯 7 6 5 4 3 2 1 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m