不同粒径及掺量的高吸水树脂对灌浆料性能的影响

李殿勤

（山西路桥建设集团有限公司，山西太原 030006）

0 引言

装配式建筑以其低能耗、高效率、可持续的工程特点，在建筑领域的关注度越来越高[1-2]。对于装配式建筑来说，构件间的“可靠连接”极为重要，是整体结构安全的基本保证。钢筋套筒灌浆连接是装配式构件间连接的主要方式，因而套筒灌浆料的性能直接决定了构件间的连接质量。

套筒灌浆料还具有低水灰比（w∕c）、大流态微膨胀等特点。套筒灌浆料在工程应用中外部水分难以到达高性能混凝土内部，难以在套筒灌浆料内部提供足够的养护水分，导致水泥基材料水化作用有限，工程应用期间易出现微开裂。高吸水树脂（Super absorbent polymer，SAP）是一种具有三维亲水网络结构的高分子材料，通过渗透压、氢键和毛细压力，能够快速吸收和储存相对于自身质量的数十倍甚至数千倍的水或含水液体[3-5]。当SAP 暴露于混凝土混合料中时，在三维网络的内外之间会发生渗透压梯度和化学势的转变，导致SAP 吸水和蓄水[6]。随着水泥基材料的水化或水分的蒸发，SAP 会不断释放水泥基材料内部的水分，以补偿水泥基材料内部的水分损失，减少收缩[7]。SAP 提供的水可以提高水泥基材料的水化程度，显著减缓收缩，减少微裂缝的发生，提高水泥基材料的耐久性[8-9]。叶华等人[10]的研究表明，在混凝土中直接加入未预吸水的SAP 时，由于SAP 可以吸收部分自由水，降低内部水灰比，使新拌混凝土的工作性降低。Piérard J 等人[11]的研究结果表明，在新拌混凝土中分别加入预吸水的SAP，质量为胶凝材料的0.3%与0.6%，硬化混凝土弹性模量与28 d 抗压强度下降，但是硬化混凝土弹性模量下降幅度显著低于抗压强度下降幅度。胡曙光等[12]研究发现，在混凝土中加入预吸水的SAP，质量不大于胶凝材料总质量的0.5%，能有效地减小混凝土收缩且强度损失小。

综上所述，目前有关SAP 在水泥基灌浆材料中的应用研究仅停留在掺量对性能的影响阶段，而有关微珠粒径大小对水泥基灌浆料性能的影响尚鲜有报道，且有学者研究表明，SAP 粒径大小对自密实混凝土力学性能和体积稳定性有重要影响。鉴于此，本文采用胶凝材料中干掺SAP 的方式，系统研究SAP 的粒径与掺量对灌浆料流动度、抗压强度与灌浆料竖向膨胀率的影响，并采用扫描电镜分析灌浆料微观形貌的变化，探讨SAP 对灌浆料性能的影响机理。研究结论将为SAP 在灌浆料中的应用提供一定的理论依据。

1 试验材料及方法

1.1 原材料

胶凝材料选用选用P·Ⅰ52.5 硅酸盐水泥和粉煤灰微珠，技术指标见表1，化学组成见表2；集料选用ISO 标准砂中砂；膨胀剂选用UEA 型混凝土膨胀剂；减水剂选用西卡P 530 聚羧酸高性能减水剂，减水率25%；消泡剂选用工业级消泡剂，pH 值为6～8；拌和水使用自来水。

表1 P·Ⅰ52.5硅酸盐水泥技术指标

表2 化学组成表

选用丙烯酸型商用非离子型SAP。将其在60 ℃下干燥至恒重后采用筛网为80 目、120 目、160 目、200 目的筛子进行筛分，将筛选出125 μm～180 μm、98 μm～125 μm、和74 μm～98 μm 的SAP 分别标记为SAP-A、SAP-B 和SAP-C。

采用茶包法研究SAP 的吸收特性[9]。将重量约为1 g 的干SAP 颗粒（m1）放置在茶包（m2）的底部，茶包在去离子水、自来水和水泥滤液中预湿。将含SAP 的茶包浸入去离子水、自来水和水泥滤液中180 min，然后将肿胀的茶包悬浮在空气中10 min；最后，对茶包称重（m3）。吸水率（Q）可由式（1）计算。每批茶包和试液中至少有3 个个体，结果如表3所示。

表3 SAP在不同液体中的吸液特性

1.2 试验方案

为探究SAP 的粒径与掺量对灌浆料性能的影响，以SAP 粒径与掺量为变量进行试验设计。固定水胶比为0.24，胶砂比为1∶1；胶凝材料中，水泥质量∶粉煤灰微珠质量为0.95∶0.05；外加剂中，减水剂掺量为1%，膨胀剂掺量为0.5%，消泡剂掺量为0.1%。

1.3 测试方法

根据《钢筋连接用套筒灌浆料》（JGT 408—2019）进行流动度、抗压强度测试，对灌浆料进行3 h 和24 h膨胀数值的测量与记录。将养护28 d 灌浆料试块破碎成0.8 g 左右的小块，并放入丙酮中脱水24 h，干燥至恒重并密封保存，采用Hitachi S-4800 冷场发射扫描电子显微镜，观察灌浆料内部水化产物的微观结构形貌。

2 结果与讨论

2.1 SAP对工作性能的影响

流动度是评价灌浆料工作性能的重要指标，它直接反应了灌浆料施工的难易程度及其均匀性。不同粒径与掺量下SAP 对灌浆料初始流动度和30 min 流动度的影响分别如图1 和图2所示。

图1 SAP粒径与掺量对灌浆料初始流动度的影响

图2 SAP粒径与掺量对灌浆料30 min流动度的影响

从图1和图2可以看出，灌浆料初始流动度和30 min流动度随SAP 掺量的增加总体上呈现减小的趋势。当SAP 粒径一定时，其初始流动度与30 min 流动度随SAP 掺量的增加而减小，SAP 掺量每增加0.1%，初始流动度减小10～15 mm，30 min 流动度减小10～20 mm，而且SAP 粒径越小，降低幅度越大。当掺入0.4% 的SAP-A 和SAP-C 后，灌浆料初始流动度比未掺SAP 的空白组初始流动度降低了11.5%和14.7%。这一现象在30 min 流动度中更明显，当掺入0.4%的SAP-A 和SAP-C 后，灌浆料30 min 流动度比未掺SAP 的空白组30 min 流动度分别降低了12.5%和18.8%。产生这一现象的原因是SAP 具有高吸水率，在灌浆料浆体中前期快速吸水膨胀，使浆体内部自由水减少，降低灌浆料内局部水胶比，造成灌浆料流动度下降；同时SAP 的吸水速率随着粒径的减小而增大，在低水胶比情况下，掺加的SAP 吸收了本就不多的自由水，使得颗粒间的摩阻力快速增加，其宏观表现为灌浆料流动度迅速减小。由表3 可知SAP 的吸水行为会持续8～11 min，在等待测试30 min 流动度过程中，SAP 还在吸入自由水，所以随SAP 粒径的减小，灌浆料30 min 流动度减小得更为迅速。

2.2 SAP对力学性能的影响

强度是灌浆料的基础性能，通过固定SAP 掺量为0.2%，研究SAP 粒径对灌浆料力学性能的影响，试验结果如图3所示；通过选用SAP-C 掺入灌浆料，研究SAP掺量对灌浆料力学性能的影响，试验结果如图4所示。

图3 SAP粒径对灌浆料抗压强度的影响

图4 SAP掺量对灌浆料抗压强度的影响

从图3 可以看出，当SAP 掺量为0.2%时，灌浆料3 d和7 d 抗压强度随着SAP 粒径的减小而减小，而灌浆料28 d 抗压强度随着粒径的减小而增大。掺入SAP-C 的灌浆料和掺入SAP-A 的灌浆料3 d 和7 d 抗压强度分别减小了2.9 MPa和3.3 MPa，而掺入SAP-C 的灌浆料比掺入SAP-A 的灌浆料28 d 抗压强度增加了3.2 MPa。从图4 可以看出，当掺入SAP-C 时，灌浆料3 d 和7 d 抗压强度随着SAP 掺量的增加而减小，当SAP 掺量为0.4%时，灌浆料3 d 抗压强度和7 d 抗压强度分别为53.4 MPa和66 MPa，相比较于空白组的3 d 抗压强度70 MPa 和7 d 抗压强度80 MPa，分别下降了23.7%和17.5%；而灌浆料28 d 抗压强度随着SAP 掺量的增加呈现先增大后减小的趋势，其中当SAP-C 掺量为0.2%时，灌浆料28 d抗压强度最大，为90.4 MPa，相比较于空白组的28 d 抗压强度86.4 MPa，提升了4.2%。造成这一现象的原因为在水化早期，SAP 的掺入要吸收体系中的水分，造成灌浆料内部湿度较低，早期水化不充分，影响灌浆料力学性能，导致灌浆料3 d、7 d 抗压强度降低；到了水化后期，随着灌浆料孔隙中相对湿度的降低，SAP 内养护功能可促进其周围胶凝浆体的水化，SAP 会逐渐释放前期吸收的水分，促进粉煤灰的火山灰反应，生成致密的水化硅酸钙产物，形成致密的界面过渡区，使掺入SAP 的灌浆料28 d 抗压强度略高于未掺SAP 的空白组；但SAP 掺量超过0.2%后，仍会对灌浆料28 d 抗压强度有损害，这是因为过量的SAP 易分散不均匀，产生团聚，使灌浆料中存在较大孔隙，对强度有损害。同时SAP 粒径越小，SAP 吸水速率越快，导致水化前期，灌浆料抗压强度随着SAP 粒径的减小而减小；到了水化后期，灌浆料28 d 的抗压强度随掺入SAP 粒径的减小而增加，粒径较小的SAP 形成的球形孔洞较小，且孔隙分布均匀，对于灌浆料抗压强度的负面作用较弱。

2.3 SAP对竖向膨胀的影响

为确保套筒、灌浆料及钢筋三者紧密配合，竖向膨胀为灌浆料所必需具备的特性。通过选用SAP-C 掺入灌浆料，研究SAP 掺量对灌浆料竖向膨胀的影响，试验结果如图5所示；通过固定SAP 掺量为0.2%，研究SAP粒径对灌浆料竖向膨胀的影响，试验结果如图6所示。

图5 SAP掺量对灌浆料竖向膨胀的影响

图6 SAP粒径对灌浆料竖向膨胀的影响

由图5 可以看出，24 h 内的竖向膨胀性能各试验组整体表现增长趋势。对于3 h 和24 h 的竖向膨胀影响，膨胀数值随着SAP 掺量的增加而减小。当SAP 掺量由0%增加到0.1%、0.2%、0.3%和0.4%时，灌浆料3 h 竖向尺寸数值分别较空白组减少了0.02 mm、0.095 mm、0.114 mm 和0.125 mm，灌浆料24 h竖向尺寸数值分别较空白组减小了0.09 mm、0.212 mm、0.238 mm和0.254 mm。由图6 可以看出，24 h 内的竖向膨胀性能各试验组均表现增长趋势。对于3 h 的竖向膨胀影响，随着SAP 粒径的减小，膨胀数值先增大后减小。当分别掺入SAPA 和SAP-B 时，灌浆料竖向尺寸数值分别为0.013 mm和0.016 mm；当掺入SAP-C 时，灌浆料竖向尺寸数值为-0.008 mm，对于掺入SAP-A 和SAP-B 时，分别减小了0.021 mm 和0.024 mm。对于24 h 的竖向膨胀影响，竖向膨胀数值变化趋势与3 h 变化趋势相似。由于SAP 粒径越小，吸水速率越快，灌浆料浆体内部水分减少，导致当掺入SAP-C 时，竖向膨胀数值出现负值，发生收缩现象。由此可以看出，当掺入SAP-B 时，竖向膨胀效果优于掺入SAP-A 和SAP-C，这是因为水分从较大粒径的SAP 颗粒中脱离速度要快于较小粒径的，因而减小SAP 粒径会导致两个相反的过程：较小颗粒空间距离可提高内养护有效性，水分子的较高控制力则会降低内养护的有效性[14]。因此，当SAP 粒径较大时，SAP 颗粒间距较大，不利于内养护水迁移到水泥石的每个部分；当SAP 粒径过小时，SAP 中的内养护水向其周围水泥迁移的有效性降低。

2.4 微观结构分析

采用扫描电镜（SEM）对灌浆料的微结构进行了研究。选用硬化28 d 后，未掺SAP 的空白组与掺有0.2%的SAP-C 的灌浆料试样进行观察，结果如图7 和图8所示。

图7 未掺SAP的灌浆料试样

图8 掺入0.2%的SAP-C的灌浆料试样

从图7 和图8 可以看出，未掺入SAP 的空白组，水泥水化反应产物覆盖颗粒的面积小于掺入SAP 灌浆料，粉煤灰微珠的表面水化反应较低且表面附着水化产物较少，周围网状水化产物钙矾石和Ca(OH)2晶体自由生长且数量多，结构相对疏松，灌浆料内部结构不致密。与未掺SAP 的空白组相比，掺入SAP 后的灌浆料的微观结构更加致密，粉煤灰微珠的火山灰反应性消耗Ca(OH)2形成C-S-H 凝胶，覆盖了粉煤灰微珠外部。水化初期SAP 掺入灌浆料时游离水被吸收，水化不充分，水化后期水分逐渐被放出，促进粉煤灰微珠内活性SiO2和Al2O3发生二次水化反应，消耗的Ca(OH)2有利于生成致密的水化硅酸钙凝胶。综上所述，SAP 的掺入，使得灌浆料水化后期水化产物增多，灌浆料内部结构致密，改善了浆体孔隙结构，提升了灌浆料的力学性能。

3 结论

a）通过灌浆料初始流动度和30 min 流动度测试分析，SAP 具有高吸水率，随着SAP 掺量的增大，SAP 在灌浆料浆体中前期快速吸水膨胀，使浆体内部自由水减少，降低灌浆料内局部水胶比，造成灌浆料流动度下降；同时SAP 的吸水速率随着粒径的减小而增大；SAP吸水饱和时间15～20 min，使得灌浆料30 min 流动度减小得更为迅速。

b）通过对灌浆料力学性能的分析，随着SAP 的掺入，灌浆料3 d 和7 d 抗压强度随着掺量的增加而减小，灌浆料28 d 抗压强度随着掺量的增加呈现出先增大后减小的趋势，其中当掺量为0.2%时，灌浆料28 d 抗压强度最大，为90.4 MPa，且大于空白组抗压强度；灌浆料抗压强度随着SAP 粒径的减小而减小，3 种粒径之间各龄期抗压强度相差2.9 MPa～3.3 MPa，说明SAP 粒径对灌浆料力学性能的影响小于SAP 掺量对灌浆料抗压强度的影响。

c）通过对灌浆料3 h 和24 h 竖向膨胀的测量与分析，各试验组24 h 内的竖向膨胀性能均表现增长趋势。对于3 h 和24 h 的竖向膨胀影响，膨胀数值随着SAP 粒径的减小先增大后减小，而随着SAP 掺量的增加而减小；对于24 h 与3 h 差值，膨胀数值随着SAP 掺量的增加呈现减小趋势。

d）通过微观结构分析，到水化后期，SAP 在水泥及粉煤灰微珠水化反应的过程中逐渐释放水，促进了粉煤灰微珠中的活性SiO2和Al2O3的二次水化反应，消耗了大量的Ca(OH)2，使灌浆料内部形成致密均匀的水化硅酸钙凝胶。

e）综上，掺入0.2%的粒径为125 μm 的SAP，在损失较小流动度的同时，可以使灌浆料内部结构致密，提升力学性能，改善孔隙结构。