高吸水樹脂對混凝土性能影響的研究現狀

魏曉帆,陳衛(wèi)東,柯國炬

(1.河北工業(yè)大學土木工程學院,天津 300401;2.交通運輸部公路科學研究院,北京 100088; 3.烏海市公路管理局,內蒙古 016000)

高吸水樹脂對混凝土性能影響的研究現狀

魏曉帆1,2,3,陳衛(wèi)東3,柯國炬2

(1.河北工業(yè)大學土木工程學院,天津 300401;2.交通運輸部公路科學研究院,北京 100088; 3.烏海市公路管理局,內蒙古 016000)

高吸水樹脂內含親水性基團可以快速結合大量自由水,保水能力強,并且具有很好的釋水能力,作為新型內養(yǎng)護材料相對于飽水輕集料養(yǎng)護具有非常明顯的優(yōu)勢,摻量小、養(yǎng)護效果明顯。使用預吸水高吸水樹脂作為內養(yǎng)護劑摻入混凝土中可以十分顯著地減少低水灰比混凝土構件的塑性收縮、自收縮和干縮;同時,由于高吸水樹脂可以優(yōu)化混凝土的孔結構,因此其抗凍性耐久性得到了提高;另外,由于引入額外的養(yǎng)護水導致超吸水樹脂對混凝土力學性能有一定影響,但是目前尚未得到一致的結論。最后該文探討了高吸水樹脂內養(yǎng)護的使用方法和摻量,提出了其目前使用過程中存在的問題,并對其未來的研究方向進行了展望。

內養(yǎng)護; 高吸水樹脂; 混凝土收縮; 孔結構

美國混凝土協會(ACI 308—2001)[1]對內養(yǎng)護材料的定義為:由存在混凝土中額外的水而非拌和用水引起的水泥水化過程的材料。RILEMTC—ICC2003[2]對內養(yǎng)護材料的定義為:向混凝土中引入可以作為養(yǎng)護因子的組分。具體來說混凝土的內養(yǎng)護是指在混凝土拌合時加入吸水材料來引入額外的水,當混凝土因水化反應內部相對濕度下降時內養(yǎng)護材料可以釋放出水分進行補充。研究表明,低水膠比混凝土由自干燥引起的內部相對濕度的降低,是自收縮的主要原因[3]。通過內養(yǎng)護可以使混凝土內部的相對濕度維持在比較高的水平上,從而有效地減少混凝土的自干燥現象和由此而引起的收縮。高性能混凝土成型后早期大量的塑性泌水以及快速水化會導致其內部水分不足,這也是其在養(yǎng)護時比較突出的問題[4]。如果內部水分不能及時得到補充,水泥在水化過程中混凝土基體的自干燥會使其發(fā)生較大變形,當混凝土結構的自收縮變形被限制,其內部會產生拉應力,拉應力超過混凝土的抗拉強度時就會產生裂縫。

1 內養(yǎng)護材料的養(yǎng)護機理

對于混凝土內養(yǎng)護的研究始于上世紀九十年代,混凝土內養(yǎng)護的概念是在1991年由Philleo首次明確提出[5],實際上早在1957年,Shideler發(fā)現預濕輕集料可以減小混凝土自收縮[6]。2001年Janson等首先進行了以高吸水樹脂作為內養(yǎng)護材料的研究[7]。內養(yǎng)護按照養(yǎng)護材料可以分為兩類:輕集料(LWA)內養(yǎng)護技術和高吸水樹脂(SAP)內養(yǎng)護技術[2]。對于飽水LWA內養(yǎng)護,由于輕骨料作為內養(yǎng)護材料需要具有多孔且能吸收和釋放水分的性質,相比其替代的骨料來說比較脆弱,摻量過大會對混凝土的強度和彈性模量等產生不利影響,并且由于水分在混凝土內部遷移的距離有限,使用飽水輕集料進行養(yǎng)護會使混凝土中仍然會存在未被養(yǎng)護的部分,從而導致內部水化程度不一而產生有害影響。此外LWA的成本相對來說較高,大量使用會提高混凝土的成本。目前國內對于輕骨料(LWA)內養(yǎng)護混凝土的研究主要集中在較低強度混凝土上,因此主要的承重結構上對于飽水LWA養(yǎng)護的混凝土研究以及應用很少。高吸水樹脂作為一種新型的內養(yǎng)護技術,具有摻量小,吸水速率快、吸水倍率高等特點,具有十分廣闊的發(fā)展前景。對于內養(yǎng)護材料的研究還在不斷的探索之中:Mitsuo OZAWA等[8]使用黃麻纖維作為混凝土內養(yǎng)護材料進行了研究。Kawashima S等[9]對紙漿纖維應用于混凝土內養(yǎng)護進行了研究。

在低水膠比水泥體系中自干燥現象十分顯著,并會隨著水灰比的降低而愈發(fā)嚴重。使用內養(yǎng)護劑引入額外水分可以有效改善混凝土構件內部濕度狀態(tài)以及分布狀況,有效地減少由于自收縮和干燥收縮引起的破壞。此外亦有少數研究證明高吸水樹脂內養(yǎng)護可以減少水泥基材料的塑性收縮[13]。

高吸水樹脂的養(yǎng)護機理在于高吸水樹脂分子中含有大量的強親水性基團如羧基(—COOH)和羥基(—OH)等,這些強親水性基團可以與自由水形成氫鍵,因此高吸水樹脂可以吸收大量的自由水,理論上高吸水樹脂的吸水量可以達到自身質量幾百倍甚至上千倍。高吸水樹脂的飽和吸水率和其與外界溶液的滲透壓有很大關系,當外界溶液中離子濃度升高會導致滲透壓降低,進而導致高吸水樹脂的吸收能力降低,另外混凝土中的二價鈣等陽離子與羧酸酯的絡合作用也會降低高吸水樹脂的吸水能力[10,11]。高吸水樹脂具有三維交聯網絡結構,可通過溶脹作用將自由水固定在聚合物網絡內部,所以其具有很強的保水能力。高吸水樹脂的吸水速率相較輕集料要快很多,如廣泛應用的聚丙烯酸類內養(yǎng)護劑,在數分鐘之內就可以基本達到飽和吸水率。當外界PH值或者離子濃度變大時SAP會釋放出水分從而起到內養(yǎng)護作用。

2 SAP內養(yǎng)護對混凝土性能的影響

高吸水樹脂作為內養(yǎng)護材料的主要目的是為了減緩高強度混凝土收縮開裂,但是內養(yǎng)護材料和額外水量的引入會對混凝土各項性能造成不同程度的影響。

2.1 SAP內養(yǎng)護對混凝土收縮的影響

內養(yǎng)護的主要目的就是保證混凝土內部濕度,減少混凝土由于內部干燥造成的收縮和開裂。何真等[12]通過使用非金屬礦物高分子吸水釋水復合材料對混凝土進行內養(yǎng)護,使混凝土的自收縮和干燥收縮得到了明顯改善,提高了混凝土的抗開裂性能。朱長華等[13]通過研究得出:SAP可顯著減小混凝土的塑性收縮, SAP的粒徑對于養(yǎng)護效果有一定影響,其減小塑性收縮的效果隨著粒徑的增大而提高,最大可降低至基準混凝土的50%左右?？紫槊鞯萚14]研究發(fā)現預吸水SAP的摻入對高強混凝土的早期自收縮的減縮效果非常顯著,減縮率達90%以上。內養(yǎng)護減少混凝土收縮這一性質已經被充分證明并且得到了廣泛的認可。

以上研究結果表明,由于水化反應、蒸發(fā)所消耗的水分被內養(yǎng)護所引入的額外水分補償,水泥基材料毛細孔溶液負壓降低,水泥及材料內部相對濕度的降低得到了緩解,因此超吸水樹脂具有十分明顯的減縮效果,最大減縮率可達90%,是一種非常有效的減少高強混凝土收縮開裂的內養(yǎng)護材料。

2.2 SAP內養(yǎng)護對混凝土力學性能的影響

Lam和Hooton[15]通過在0.35水灰比的混凝土中摻入相當于水泥質量0.3%的高吸水樹脂,結果發(fā)現抗壓強度降低了50%以上。Piérard等[16]通過在水灰比0.35的混凝土中加入相當于水泥質量0.3%和0.6%的預吸水SAP,發(fā)現混凝土強度在28 d時分別降低7%和13%。Lura等[17]發(fā)現摻入相對于水泥質量0.4%的預吸水SAP對于水灰比0.3的水泥砂漿強度幾乎沒有影響,對于水灰比0.4的水泥凈漿則使其7 d強度降低了20%。Mechtcherine等[18]對0.22水灰比混凝土摻加相對于水泥質量0.3%和0.6%的預吸水SAP,混凝土的7 d抗壓強度分別降低了12%和30%,28 d抗壓強度分別降低了4%和20%。還有一些文獻得出了與前述文獻相反的結果。Geiker M R等[19]的研究表明,由于摻入SAP提高了混凝土的水化程度,因此混凝土的抗壓強度相較于對照組變高了。Gao等[20]對水灰比為0.4的鋁酸鹽水泥凈漿分別摻入相對于水泥質量為0.2%和0.6%的無預吸水的SAP,水泥凈漿的抗壓強度由空白組的36.1 MPa提高為40.5 MPa和44.4 MPa。

由前述可知,高吸水樹脂對于混凝土的強度影響并未有一致結論,這可能是由于:1)高吸水樹脂吸水后屬于凝膠體,在拌合時由于其吸水后顆粒發(fā)生團聚,導致養(yǎng)護材料分散不均勻影響?zhàn)B護效果。釋水后聚集成團的高吸水樹脂顆粒體積會縮小,從而在混凝土內部形成蜂窩狀空洞,對混凝土構件的耐久性和強度等產生很大影響。2)高吸水樹脂在使用時引入的額外水量并沒有相關的細則規(guī)定,在實際應用中如何適當控制其引入水量仍然存在疑問,這也是導致SAP內養(yǎng)護混凝土強度測試結果互相矛盾的原因之一。3)SAP顆粒的粒徑以及化學結構對于其養(yǎng)護效果有著很大影響,但是目前針對這一方面的系統(tǒng)科學的研究相對比較缺失。

2.3 SAP內養(yǎng)護對混凝土耐久性的影響

孔祥明等[21]通過壓汞實驗,SEM觀察以及氯離子擴散系數快速測定等手段得出以下結論:1)由于摻加預吸水SAP引入了額外內養(yǎng)護水,硬化水泥漿的總孔隙率增大了,但對閾值孔徑的影響不大;2)在水泥漿硬化干燥后,由于失水SAP顆粒粒徑變小會在水泥漿體中引入少量幾百微米大小的形狀不規(guī)則的大孔,這些孔會對混凝土的抗凍性產生一定影響。3)摻入預吸水SAP及簡單增大拌合水量都會增大混凝土的氯離子擴散系數。預吸水SAP顆粒會在水泥水化的過程中釋放出水分,進而在混凝土構件內部形成孔隙,提高了混凝土的抗凍性。王德志等[22]研究發(fā)現使用超吸水聚合物進行內養(yǎng)護可以改善混凝土的抗凍性,通過250次凍融循環(huán)試驗后,內養(yǎng)護混凝土的抗壓強度損失相比對照組減少了4%～8%。

預吸水高吸水樹脂在釋放水分后會在混凝土中留下孔隙,這些孔隙相當于在混凝土中加入引氣劑引入的氣泡,可以提高混凝土的抗凍性能[23]。SAP內養(yǎng)護對于氯離子擴散也產生了一定影響?；炷翗嫾哪途眯耘c其內部孔隙率及孔隙尺寸分布密切相關,但是對于SAP對水泥基材料孔隙的影響目前尚未統(tǒng)一: Mechtcherine等[24]使用壓汞法研究表明SAP的加入會顯著增大水泥基材料的總孔隙率;M?nnig[25]則通過壓汞法研究說明在總水灰比相同時加入SAP使總孔隙率略微降低了。由于這方面存在著分歧和矛盾,應該展開更加深入和系統(tǒng)的研究。

3 SAP內養(yǎng)護材料選擇和使用

在對混凝土構件進行內養(yǎng)護時,選擇合適的養(yǎng)護材料及其摻量和引水量非常重要,不同的材料摻量和引水量會使養(yǎng)護效果產生很大差異。Henkensiefken等[26]研究發(fā)現即使是在內部養(yǎng)護水量相等的情況下,內養(yǎng)護材料的空間分布對養(yǎng)護效果也有很大影響。對于高吸水樹脂來說由于其吸水后的凝膠性質,實際應用中同樣會存在預吸水材料分布對于養(yǎng)護效果影響的問題。除此之外內高吸水樹脂的粒徑以及引水方式對于其內養(yǎng)護效果也有很大影響。

SAP典型的摻量為水泥質量的0.3%～0.6%。SAP使用方式一般為預吸水然后在拌合混凝土時加入。也有研究直接加入干燥的高吸水樹脂[27],這樣可以解決預吸水SAP因為其凝膠性質產生的不均勻分布問題,但是干燥的SAP在加入后會吸收混凝土中的自由水分從而降低新拌混凝土的工作性。SAP內養(yǎng)護水量依據的是Powers T C和Brownyard T L在1948年提出的水泥水化模型,即Powers模型[28]。Jensen O M據此模型給出了內養(yǎng)護水量的理論計算方法[29]

當水灰比大于0.42時則無需引入內養(yǎng)護水,因此一般對于SAP的應用研究都集中在低水灰比混凝土,但是亦有較高水灰比內養(yǎng)護的相關文獻:D.Snoeck等[30]用高摻量SAP對水灰比0.5的混凝土做內養(yǎng)護的效果進行了研究。

上述公式是理論上SAP需要引入的內養(yǎng)護水質量,但是因為存儲在SAP中的水的釋放被限制,實際引入水量要大于理論計算量,但是具體細則并沒有定論。因為養(yǎng)護水在混凝土中遷移距離有限,所以部分理論認為應該增加實際引入水量,目前對于實際應引入的內養(yǎng)護水量還需要更多系統(tǒng)的研究和工程實踐經驗。

4 SAP內養(yǎng)護存在的問題及其展望

當前的施工建設中,由于對混凝土強度的要求愈來愈高,低水灰比混凝土的使用也愈來愈廣泛,其存在的問題也逐漸暴露出來,其實際應用并不成熟并且其對混凝土某些方面的影響如強度孔隙度等的影響并未得到一致的結論。沒有相關的材料選擇指導和使用技術規(guī)范,導致使用過程中存在很多問題。如對所選取的SAP材料的吸水倍率,SAP的吸水倍率不宜過低,過低會使其摻量增加,導致預吸水的SAP顆粒在失水后形成的孔洞過多從而影響混凝土性能,SAP的吸水倍率也不宜過高,過高會使SAP在拌合后繼續(xù)吸收混凝土中的拌合水從而影響新拌混凝土的工作性。SAP作為一種外加劑有其獨有的特性:需要與自由水配合使用,但是目前對于SAP的使用方式如直接增加拌合水或者預吸水等并未有統(tǒng)一意見,對于所需添加水量也沒有統(tǒng)一標準。這些都是導致目前關于SAP對于混凝土性能影響的結論出現矛盾的原因。未來對于高吸水樹脂內養(yǎng)護技術應該從以下幾個方面開展研究:

1)對于內養(yǎng)護的機理進行更深入的研究,例如國內少有對于內養(yǎng)護混凝土長齡期表現的研究。運用科學的手段精確地闡述出內養(yǎng)護與混凝土內部其他成分相互作用的機理。為高吸水樹脂內養(yǎng)護大規(guī)模應用于工程實踐打下理論基礎。

2)研發(fā)出與已大規(guī)模使用的外加劑如減水劑相容性好、與堿溶液相容性好、吸水速率快、具有更優(yōu)化分子結構的內養(yǎng)護材料,開發(fā)配套工程化技術以降低成本方便大規(guī)模應用推廣。

3)制定高吸水樹脂內養(yǎng)護材料的應用技術規(guī)程,比如SAP的粒徑和額外引水量在什么范圍以內是對于混凝土和施工來說最為合適;SAP以何種方式(干拌、預吸水)摻入混凝土以及各自的優(yōu)缺點等。

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Research Status of the Influence of Super-absorbent Polymers on the Concrete Performance

WEI Xiao-fan1,2,3,CHEN Wei-dong3,KE Guo-ju2
(1.Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China;2.Research Institute of Highway Ministry of Transport,Beijing 100088,China;3.Wuhai Highway Administration Bureau,The Inner Mongolia Autonomous Region,Neimenggu 016000,China)

Super-absorbent polymers containing hydrophilic groups can absorb a large amount of water.Both its water-retention and water-release capacity is very well.Super-absorbent polymers outperform the lightweight aggregate evidently as internal curing materials:smaller mixing amount and better curing effect.Super-absorbent polymers as admixtures can mitigates the autogenous shrinkage,self-desiccation and plastic shrinkage of the low water-cement ratio concrete effectively.Meanwhile,because super-absorbent polymers can optimize the pore structure of the concrete,so that the frost resistance durability is improved.Moreover super-absorbent polymers have an undefined influence on the mechanical properties of the concrete because of the adjunction of the extra curing water.At last,this paper disscusses the use of super-absorbent polymers,puts forward the existing problems and forecasts the prospect of research directions.

internal curing; super-absorbent polymers; concrete shrinkage; pore structure

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.05.002

2015-06-11.

國家國際科技合作專項項目(2014DFR81000);二秦高速公路科技示范工程項目(H-2014-1)和內蒙古自治區(qū)交通運輸廳建設科技項目(NJ-2013-31).

魏曉帆(1989-),碩士生.E-mail:545145098@qq.com