复掺高倍吸水树脂与MgO膨胀剂对砂浆性能的影响研究

胡玉庆 ，邢德进 ，张敦福 ，张波 ，刘元强

（1.山东大学 土建与水利学院，山东 济南 250061；2.山东交通学院 交通土建工程学院，山东 济南 250357；3.山东省路桥集团有限公司，山东 济南 221116）

在混凝土应用中，混凝土收缩变形导致混凝土开裂的问题越发引起重视。混凝土一旦开裂，不仅影响结构的安全，而且有害物质会透过裂缝渗透到结构内部，引起钢筋的锈蚀，降低混凝土结构的使用寿命[1]。

高倍吸水树脂（SAP）内养护技术最早是由丹麦工业大学Jensen提出，主要是通过在砂浆或混凝土中掺加SAP内养护剂，利用SAP释放的储蓄水，改善浆体内部湿度，提高水泥水化程度，降低砂浆与混凝土的自收缩，提高耐久性。但是SAP的引入会对混凝土的流动性与强度产生不利的影响[2]。

MgO膨胀剂因其反应过程需水量少，膨胀过程可调性强以及反应产物稳定等特性[3]，常被应用到大体积混凝土中，其膨胀变形可以补偿混凝土的温度收缩变形，减少混凝土温度裂缝。国内学者对于MgO膨胀剂的特点与应用做了大量研究。李承木[4]研究发现：MgO膨胀剂可以提高混凝土的力学性能与耐久性能；张守冶等[5]研究了轻烧MgO膨胀剂对水泥浆体自收缩的影响，结果表明，轻烧MgO膨胀剂可以抑制水泥浆体的自收缩；李延波等[6]研究发现，MgO膨胀效能的发挥主要是在7 d以后。

鉴于MgO膨胀剂与SAP内养护剂在使用过程中都有一定的优点与局限性，本文提出了在砂浆中复掺SAP内养护剂与MgO膨胀剂，研究二者对砂浆性能的影响，具有一定的实际意义。

1 试验

1.1 原材料

（1）水泥：P·O42.5，日照中联水泥生产，安定性合格，主要性能指标见表1。

表1 水泥的主要性能指标

（2）砂：ISO标准砂。

（3）外加剂：北京金盾生产的JD-1型聚羧酸减水剂，固含量28%，减水率30%。

（4）MgO膨胀剂：轻烧MgO膨胀剂，武汉三源特种建材有限责任公司生产，活性较高，后期体积稳定性好，可以起到较理想的补偿收缩效果。外掺4%、8%时压蒸试验所得安定性合格。

（5）SAP内养护剂：聚丙烯酸酯类SAP，颗粒细度为80～100目，采用茶袋法测得SAP在水中1 h后达到饱和状态，饱和吸水量为115 g/g。

1.2 试验配合比

本研究通过设置对照试验，横向比较了复掺SAP内养护剂与MgO膨胀剂对砂浆性能的影响。试验所用水灰比为0.4，砂灰比为3∶1；MgO膨胀剂采用外掺法，掺量分别为水泥质量的4%、8%；SAP内养护剂掺量为水泥质量的0.2%，预吸水25倍后掺入，SAP引入水量占水泥质量的5%[7]；减水剂掺量为胶凝材料质量的1.0%。砂浆的试验配合比见表2。

表2 砂浆的试验配合比

1.3 试验方法

（1）砂浆的干燥收缩：依据JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》，将拌合好的砂浆装入试模中，振动密实，预埋砂浆测头，置于（20±5）℃的养护室中，4 h后将砂浆表面抹平。砂浆带模标准养护，温度为（20±2）℃、相对湿度为90%以上，养护24 h后拆模，置于温度为（20±2）℃、相对湿度为（60±5）%的环境中，测得初始长度及不同龄期的干缩变形。

（2）砂浆的自收缩：试件成型方法同干燥收缩试件。试件成型后表面立即覆盖塑料薄膜，在（20±2）℃环境下标准养护（24±2）h后拆模。拆模后用薄膜包裹使试件处于绝湿状态，测得试件的初始长度，然后将试件置于温度（20±2）℃、相对湿度为（60±5）%的环境中，测试不同龄期的自收缩变形。

（3）砂浆的抗冻性依据JGJ/T 70—2009进行测试，砂浆的流动性、抗压与抗折强度依据JTG E30—2005《水泥与水泥混凝土试验规程》进行测试。

2 试验结果与分析

2.1 SAP和MgO对砂浆流动性的影响（见表3）

表3 SAP和MgO对砂浆流动性的影响

由表3可知，单掺SAP和MgO膨胀剂均会使砂浆流动度有所降低，但是预吸水SAP对砂浆的流动度影响不明显，单掺膨胀剂比单掺SAP对砂浆流动度影响稍大；复掺SAP与MgO时，砂浆的流动度明显降低，SSP-4的流动度降幅最大。这主要是因为，预吸水SAP的掺入会增大砂浆的粘聚性，外掺MgO膨胀剂降低实际水灰比，增加粘聚性，二者复合掺入不仅影响实际水灰比而且会影响其粘聚性，对砂浆流动性影响较大。

2.2 SAP和MgO对砂浆自收缩性能的影响（见图1）

图1 SAP和MgO对砂浆自收缩性能的影响

由图1可见，掺入预吸水SAP可以减小砂浆10 d之前的自收缩变形，但是在10 d以后随着SAP中储存的水分逐渐释放完毕，SAP的减缩作用逐渐变弱。SAP可降低砂浆最终的自收缩变形，但对最终的自收缩变形抑制作用较弱。单掺MgO膨胀剂在7 d龄期之前对自收缩的抑制作用较弱，7 d之后MgO逐渐发挥膨胀作用，可降低砂浆的自收缩变形，28 d龄期时自收缩变形趋于稳定；复掺的减缩作用比单掺好，MgO膨胀剂掺量为8%时，减缩效果更佳。复掺预吸水SAP与MgO膨胀剂之所以可以有效地降低砂浆的自收缩，主要是因为，早期SAP引入的水分逐步释放，改善了砂浆内部的自干燥程度，减小了砂浆的自收缩；10 d后 SAP的水分逐渐释放完毕，减缩效果变差，但MgO膨胀剂在此时发挥作用，弥补了SAP的不足，减小了砂浆的自收缩。

2.3 SAP和MgO对砂浆干燥收缩性能的影响

（见图2）

图2 SAP和MgO对砂浆干燥收缩性能的影响

由图2可见，MgO膨胀剂可以减小砂浆的干燥收缩变形，这主要是因为MgO水化需水量较低；但从抑制效果看，MgO膨胀效能较低，减缩效果不明显。预吸水SAP的掺入同样可以减小砂浆的干燥收缩变形，但复掺对干燥收缩的抑制更加明显，MgO膨胀剂掺量为8%时有更好的减缩效果。此现象产生的原因是MgO膨胀剂的掺入一方面增加了砂浆的粘聚性，降低水分的蒸发，另一方面在水泥水化过程中MgO水化形成氢氧化镁晶体，结晶生长产生膨胀变形，另外结晶填充在凝胶孔隙中，降低孔隙率，改善孔结构。

2.4 SAP和MgO对砂浆强度的影响（见表4）

表4 SAP和MgO对砂浆强度的影响

由表4可见：

（1）单掺SAP对砂浆的抗折、抗压强度有一定的不利影响，7 d龄期时SS1的抗折强度较SK0降低4.6%，28 d龄期时SS1的抗折强度较SK0降低5.8%，这是因为SAP中储存的水在浆体水化过程中逐渐释放，当释放完毕后，SAP坍缩成孔，增大了浆体的孔隙率，减小了有效承载截面积，导致强度下降；但是SAP的掺入可提高浆体的水化程度，后期强度较前期强度有一定的增长。

（2）单掺MgO膨胀剂的砂浆SP2较SK0抗折强度与抗压强度均有所提高；二者复掺的砂浆SSP3与SSP4均较SS1强度有所提高，但是低于SP2的强度，SSP4的强度提高幅度比SSP3大。这说明外掺MgO膨胀剂不仅可以提高砂浆的密实度，降低孔隙率，而且可以改善砂浆的孔结构分布，提高砂浆早期和后期的抗折与抗压强度。复掺SAP与MgO砂浆，一方面，SAP可以提供MgO水化需要的水，促进MgO的水化，更多的固体填充在凝胶孔隙中，提高砂浆的密实度；另一方面外掺膨胀剂降低了实际水灰比，强度提高。试验证明，MgO膨胀剂的掺量越高，强度提高幅度越大。

2.5 SAP和MgO对砂浆抗冻性的影响（见表5）

表5 SAP和MgO对砂浆抗冻性的影响

由表5可知，SAP和MgO膨胀剂单掺或者复掺，砂浆的抗冻性均较对照组SK0有所提高。SS1较SK0质量损失率降低了6.8%，强度损失率降低了15.9%，这表明SAP预吸水量为水泥质量的5%时，可以提高砂浆的抗冻性；SP2较SK0质量损失率降低了27.3%，强度损失率降低了31.2%，抗冻性提高幅度较大，说明外掺MgO膨胀剂可以提高砂浆的抗冻性；SSP3相对于SK0质量损失率降低了13.6%，强度损失率降低了23.6%；SSP4相对于SK0质量损失率降低了20.5%，强度损失率降低了26.8%。复掺SAP和MgO的抗冻性优于单掺SAP，但较单掺MgO膨胀剂砂浆抗冻性稍差，这主要是因为复掺的砂浆粘聚性较大，相同的振捣作用下内部存在一定的气孔，降低了砂浆的抗冻性。

3 结论

（1）单掺预吸水SAP对砂浆流动性的影响小于外掺MgO膨胀剂；复掺预吸水SAP与MgO膨胀剂，提高了砂浆的粘聚性，降低其流动度。

（2）单掺MgO膨胀剂和SAP均能减小砂浆的自收缩变形和干燥收缩变形，但是SAP的减缩作用10 d龄期之前较强，后期减缩效果不明显；复掺SAP与MgO膨胀剂可以减小砂浆的7 d和28 d自收缩变形，且MgO膨胀剂的掺量越高减缩效果越明显。

（3）复掺SAP和MgO膨胀剂的砂浆强度高于单掺SAP，与对照组强度基本持平，表明复掺对砂浆的强度影响较小。

（4）复掺SAP和MgO膨胀剂使得砂浆的抗冻性有较大幅度的提高，且MgO膨胀剂掺量越高抗冻性越好。

[1] 薛峰，孟振亚.养护方式对补偿收缩砂浆力学性能的影响[J].混凝土，2012（11）：96-99.

[2] 马先伟.高性能水泥基材料内养护剂用高吸水树脂的研究进展[J].硅酸盐学报，2015（8）：1099-1110.

[3] 莫立武，邓敏.MgO膨胀剂的研究现状[C]//中国混凝土与水泥制品协会，中国硅酸盐学会.第五届全国混凝土膨胀剂学术交流会论文集.上海：2010，14-23.

[4] 李承木.外掺MgO混凝土的基本力学与长期耐久性能[J].水利水电科技进展，2000（5）：30-35.

[5] 张守治，田倩，陆安群.掺入方式对MgO混凝土性能的影响[J].新型建筑材料，2016（9）：22-24.

[6] 李延波，邓敏，莫立武，等.不同约束条件下掺轻烧MgO混凝土的力学性能[J].中南大学学报（自然科学版），2012（7）：2534-2541.

[7] 张珍林，孔祥明.高吸水性树脂对高强混凝土早期自收缩和干燥收缩的影响[C]//吴文贵，冯乃谦.第三届两岸四地高性能混凝土国际研讨会论文集.北京：中国建材工业出版社，2012：233-240.