高吸水树脂对混凝土性能影响的研究现状

魏晓帆,陈卫东,柯国炬

(1.河北工业大学土木工程学院,天津 300401;2.交通运输部公路科学研究院,北京 100088; 3.乌海市公路管理局,内蒙古 016000)

高吸水树脂对混凝土性能影响的研究现状

魏晓帆1,2,3,陈卫东3,柯国炬2

(1.河北工业大学土木工程学院,天津 300401;2.交通运输部公路科学研究院,北京 100088; 3.乌海市公路管理局,内蒙古 016000)

高吸水树脂内含亲水性基团可以快速结合大量自由水,保水能力强,并且具有很好的释水能力,作为新型内养护材料相对于饱水轻集料养护具有非常明显的优势,掺量小、养护效果明显。使用预吸水高吸水树脂作为内养护剂掺入混凝土中可以十分显著地减少低水灰比混凝土构件的塑性收缩、自收缩和干缩;同时,由于高吸水树脂可以优化混凝土的孔结构,因此其抗冻性耐久性得到了提高;另外,由于引入额外的养护水导致超吸水树脂对混凝土力学性能有一定影响,但是目前尚未得到一致的结论。最后该文探讨了高吸水树脂内养护的使用方法和掺量,提出了其目前使用过程中存在的问题,并对其未来的研究方向进行了展望。

内养护; 高吸水树脂; 混凝土收缩; 孔结构

美国混凝土协会(ACI 308—2001)[1]对内养护材料的定义为:由存在混凝土中额外的水而非拌和用水引起的水泥水化过程的材料。RILEMTC—ICC2003[2]对内养护材料的定义为:向混凝土中引入可以作为养护因子的组分。具体来说混凝土的内养护是指在混凝土拌合时加入吸水材料来引入额外的水,当混凝土因水化反应内部相对湿度下降时内养护材料可以释放出水分进行补充。研究表明,低水胶比混凝土由自干燥引起的内部相对湿度的降低,是自收缩的主要原因[3]。通过内养护可以使混凝土内部的相对湿度维持在比较高的水平上,从而有效地减少混凝土的自干燥现象和由此而引起的收缩。高性能混凝土成型后早期大量的塑性泌水以及快速水化会导致其内部水分不足,这也是其在养护时比较突出的问题[4]。如果内部水分不能及时得到补充,水泥在水化过程中混凝土基体的自干燥会使其发生较大变形,当混凝土结构的自收缩变形被限制,其内部会产生拉应力,拉应力超过混凝土的抗拉强度时就会产生裂缝。

1 内养护材料的养护机理

对于混凝土内养护的研究始于上世纪九十年代,混凝土内养护的概念是在1991年由Philleo首次明确提出[5],实际上早在1957年,Shideler发现预湿轻集料可以减小混凝土自收缩[6]。2001年Janson等首先进行了以高吸水树脂作为内养护材料的研究[7]。内养护按照养护材料可以分为两类:轻集料(LWA)内养护技术和高吸水树脂(SAP)内养护技术[2]。对于饱水LWA内养护,由于轻骨料作为内养护材料需要具有多孔且能吸收和释放水分的性质,相比其替代的骨料来说比较脆弱,掺量过大会对混凝土的强度和弹性模量等产生不利影响,并且由于水分在混凝土内部迁移的距离有限,使用饱水轻集料进行养护会使混凝土中仍然会存在未被养护的部分,从而导致内部水化程度不一而产生有害影响。此外LWA的成本相对来说较高,大量使用会提高混凝土的成本。目前国内对于轻骨料(LWA)内养护混凝土的研究主要集中在较低强度混凝土上,因此主要的承重结构上对于饱水LWA养护的混凝土研究以及应用很少。高吸水树脂作为一种新型的内养护技术,具有掺量小,吸水速率快、吸水倍率高等特点,具有十分广阔的发展前景。对于内养护材料的研究还在不断的探索之中:Mitsuo OZAWA等[8]使用黄麻纤维作为混凝土内养护材料进行了研究。Kawashima S等[9]对纸浆纤维应用于混凝土内养护进行了研究。

在低水胶比水泥体系中自干燥现象十分显著,并会随着水灰比的降低而愈发严重。使用内养护剂引入额外水分可以有效改善混凝土构件内部湿度状态以及分布状况,有效地减少由于自收缩和干燥收缩引起的破坏。此外亦有少数研究证明高吸水树脂内养护可以减少水泥基材料的塑性收缩[13]。

高吸水树脂的养护机理在于高吸水树脂分子中含有大量的强亲水性基团如羧基(—COOH)和羟基(—OH)等,这些强亲水性基团可以与自由水形成氢键,因此高吸水树脂可以吸收大量的自由水,理论上高吸水树脂的吸水量可以达到自身质量几百倍甚至上千倍。高吸水树脂的饱和吸水率和其与外界溶液的渗透压有很大关系,当外界溶液中离子浓度升高会导致渗透压降低,进而导致高吸水树脂的吸收能力降低,另外混凝土中的二价钙等阳离子与羧酸酯的络合作用也会降低高吸水树脂的吸水能力[10,11]。高吸水树脂具有三维交联网络结构,可通过溶胀作用将自由水固定在聚合物网络内部,所以其具有很强的保水能力。高吸水树脂的吸水速率相较轻集料要快很多,如广泛应用的聚丙烯酸类内养护剂,在数分钟之内就可以基本达到饱和吸水率。当外界PH值或者离子浓度变大时SAP会释放出水分从而起到内养护作用。

2 SAP内养护对混凝土性能的影响

高吸水树脂作为内养护材料的主要目的是为了减缓高强度混凝土收缩开裂,但是内养护材料和额外水量的引入会对混凝土各项性能造成不同程度的影响。

2.1 SAP内养护对混凝土收缩的影响

内养护的主要目的就是保证混凝土内部湿度,减少混凝土由于内部干燥造成的收缩和开裂。何真等[12]通过使用非金属矿物高分子吸水释水复合材料对混凝土进行内养护,使混凝土的自收缩和干燥收缩得到了明显改善,提高了混凝土的抗开裂性能。朱长华等[13]通过研究得出:SAP可显著减小混凝土的塑性收缩, SAP的粒径对于养护效果有一定影响,其减小塑性收缩的效果随着粒径的增大而提高,最大可降低至基准混凝土的50%左右。孔祥明等[14]研究发现预吸水SAP的掺入对高强混凝土的早期自收缩的减缩效果非常显著,减缩率达90%以上。内养护减少混凝土收缩这一性质已经被充分证明并且得到了广泛的认可。

以上研究结果表明,由于水化反应、蒸发所消耗的水分被内养护所引入的额外水分补偿,水泥基材料毛细孔溶液负压降低,水泥及材料内部相对湿度的降低得到了缓解,因此超吸水树脂具有十分明显的减缩效果,最大减缩率可达90%,是一种非常有效的减少高强混凝土收缩开裂的内养护材料。

2.2 SAP内养护对混凝土力学性能的影响

Lam和Hooton[15]通过在0.35水灰比的混凝土中掺入相当于水泥质量0.3%的高吸水树脂,结果发现抗压强度降低了50%以上。Piérard等[16]通过在水灰比0.35的混凝土中加入相当于水泥质量0.3%和0.6%的预吸水SAP,发现混凝土强度在28 d时分别降低7%和13%。Lura等[17]发现掺入相对于水泥质量0.4%的预吸水SAP对于水灰比0.3的水泥砂浆强度几乎没有影响,对于水灰比0.4的水泥净浆则使其7 d强度降低了20%。Mechtcherine等[18]对0.22水灰比混凝土掺加相对于水泥质量0.3%和0.6%的预吸水SAP,混凝土的7 d抗压强度分别降低了12%和30%,28 d抗压强度分别降低了4%和20%。还有一些文献得出了与前述文献相反的结果。Geiker M R等[19]的研究表明,由于掺入SAP提高了混凝土的水化程度,因此混凝土的抗压强度相较于对照组变高了。Gao等[20]对水灰比为0.4的铝酸盐水泥净浆分别掺入相对于水泥质量为0.2%和0.6%的无预吸水的SAP,水泥净浆的抗压强度由空白组的36.1 MPa提高为40.5 MPa和44.4 MPa。

由前述可知,高吸水树脂对于混凝土的强度影响并未有一致结论,这可能是由于:1)高吸水树脂吸水后属于凝胶体,在拌合时由于其吸水后颗粒发生团聚,导致养护材料分散不均匀影响养护效果。释水后聚集成团的高吸水树脂颗粒体积会缩小,从而在混凝土内部形成蜂窝状空洞,对混凝土构件的耐久性和强度等产生很大影响。2)高吸水树脂在使用时引入的额外水量并没有相关的细则规定,在实际应用中如何适当控制其引入水量仍然存在疑问,这也是导致SAP内养护混凝土强度测试结果互相矛盾的原因之一。3)SAP颗粒的粒径以及化学结构对于其养护效果有着很大影响,但是目前针对这一方面的系统科学的研究相对比较缺失。

2.3 SAP内养护对混凝土耐久性的影响

孔祥明等[21]通过压汞实验,SEM观察以及氯离子扩散系数快速测定等手段得出以下结论:1)由于掺加预吸水SAP引入了额外内养护水,硬化水泥浆的总孔隙率增大了,但对阈值孔径的影响不大;2)在水泥浆硬化干燥后,由于失水SAP颗粒粒径变小会在水泥浆体中引入少量几百微米大小的形状不规则的大孔,这些孔会对混凝土的抗冻性产生一定影响。3)掺入预吸水SAP及简单增大拌合水量都会增大混凝土的氯离子扩散系数。预吸水SAP颗粒会在水泥水化的过程中释放出水分,进而在混凝土构件内部形成孔隙,提高了混凝土的抗冻性。王德志等[22]研究发现使用超吸水聚合物进行内养护可以改善混凝土的抗冻性,通过250次冻融循环试验后,内养护混凝土的抗压强度损失相比对照组减少了4%～8%。

预吸水高吸水树脂在释放水分后会在混凝土中留下孔隙,这些孔隙相当于在混凝土中加入引气剂引入的气泡,可以提高混凝土的抗冻性能[23]。SAP内养护对于氯离子扩散也产生了一定影响。混凝土构件的耐久性与其内部孔隙率及孔隙尺寸分布密切相关,但是对于SAP对水泥基材料孔隙的影响目前尚未统一: Mechtcherine等[24]使用压汞法研究表明SAP的加入会显著增大水泥基材料的总孔隙率;Mönnig[25]则通过压汞法研究说明在总水灰比相同时加入SAP使总孔隙率略微降低了。由于这方面存在着分歧和矛盾,应该展开更加深入和系统的研究。

3 SAP内养护材料选择和使用

在对混凝土构件进行内养护时,选择合适的养护材料及其掺量和引水量非常重要,不同的材料掺量和引水量会使养护效果产生很大差异。Henkensiefken等[26]研究发现即使是在内部养护水量相等的情况下,内养护材料的空间分布对养护效果也有很大影响。对于高吸水树脂来说由于其吸水后的凝胶性质,实际应用中同样会存在预吸水材料分布对于养护效果影响的问题。除此之外内高吸水树脂的粒径以及引水方式对于其内养护效果也有很大影响。

SAP典型的掺量为水泥质量的0.3%～0.6%。SAP使用方式一般为预吸水然后在拌合混凝土时加入。也有研究直接加入干燥的高吸水树脂[27],这样可以解决预吸水SAP因为其凝胶性质产生的不均匀分布问题,但是干燥的SAP在加入后会吸收混凝土中的自由水分从而降低新拌混凝土的工作性。SAP内养护水量依据的是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据此模型给出了内养护水量的理论计算方法[29]

当水灰比大于0.42时则无需引入内养护水,因此一般对于SAP的应用研究都集中在低水灰比混凝土,但是亦有较高水灰比内养护的相关文献:D.Snoeck等[30]用高掺量SAP对水灰比0.5的混凝土做内养护的效果进行了研究。

上述公式是理论上SAP需要引入的内养护水质量,但是因为存储在SAP中的水的释放被限制,实际引入水量要大于理论计算量,但是具体细则并没有定论。因为养护水在混凝土中迁移距离有限,所以部分理论认为应该增加实际引入水量,目前对于实际应引入的内养护水量还需要更多系统的研究和工程实践经验。

4 SAP内养护存在的问题及其展望

当前的施工建设中,由于对混凝土强度的要求愈来愈高,低水灰比混凝土的使用也愈来愈广泛,其存在的问题也逐渐暴露出来,其实际应用并不成熟并且其对混凝土某些方面的影响如强度孔隙度等的影响并未得到一致的结论。没有相关的材料选择指导和使用技术规范,导致使用过程中存在很多问题。如对所选取的SAP材料的吸水倍率,SAP的吸水倍率不宜过低,过低会使其掺量增加,导致预吸水的SAP颗粒在失水后形成的孔洞过多从而影响混凝土性能,SAP的吸水倍率也不宜过高,过高会使SAP在拌合后继续吸收混凝土中的拌合水从而影响新拌混凝土的工作性。SAP作为一种外加剂有其独有的特性:需要与自由水配合使用,但是目前对于SAP的使用方式如直接增加拌合水或者预吸水等并未有统一意见,对于所需添加水量也没有统一标准。这些都是导致目前关于SAP对于混凝土性能影响的结论出现矛盾的原因。未来对于高吸水树脂内养护技术应该从以下几个方面开展研究:

1)对于内养护的机理进行更深入的研究,例如国内少有对于内养护混凝土长龄期表现的研究。运用科学的手段精确地阐述出内养护与混凝土内部其他成分相互作用的机理。为高吸水树脂内养护大规模应用于工程实践打下理论基础。

2)研发出与已大规模使用的外加剂如减水剂相容性好、与碱溶液相容性好、吸水速率快、具有更优化分子结构的内养护材料,开发配套工程化技术以降低成本方便大规模应用推广。

3)制定高吸水树脂内养护材料的应用技术规程,比如SAP的粒径和额外引水量在什么范围以内是对于混凝土和施工来说最为合适;SAP以何种方式(干拌、预吸水)掺入混凝土以及各自的优缺点等。

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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.

国家国际科技合作专项项目(2014DFR81000);二秦高速公路科技示范工程项目(H-2014-1)和内蒙古自治区交通运输厅建设科技项目(NJ-2013-31).

魏晓帆(1989-),硕士生.E-mail:545145098@qq.com