不同粒径及掺量的高吸水树脂对灌浆料性能的影响.pdf

Aug.2023年8 月Shanxi Science&Technology of TransportationNo.4第4期（总第2 8 3期）山西交通科技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)摘要：为了探究高吸水树脂（SAP)粒径及掺量对灌浆料性能的影响，选取了3种不同粒径（18 0 m、125m、9 8 m）的SAP通过干掺的方式掺入胶凝材料中，制备灌浆料试样，测试其初始流动度与30 min流动度、抗压强度以及竖向膨胀率，并采用扫描电镜，分析了灌浆料微观形貌的变化，探讨了SAP对灌浆料性能的影响机理。结果表明：灌浆料流动度随着SAP掺量的增加而减小，SAP粒径越小，流动度减小得越迅速；灌浆料力学性能随着SAP粒径的减小而减小，随着SAP掺量的增加，灌浆料2 8 d抗压强度呈现出先增大后减小的趋势，掺量为0.2%时，2 8 d抗压强度达到9 0.4MPa，高于空白组；当掺入SAP时，2 4h内的竖向膨胀性能均表现增长趋势；SEM微观分析显示由于SAP在水化后期向灌浆料内部释水，促进粉煤灰微珠二次水化，使粉煤灰微珠表面生成了更多的水化产物。总体来看，掺入0.2%的粒径为12 5m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。关键词：高吸水树脂；粒径；流动度；抗压强度；竖向膨胀中图分类号：U414.7文献标识码：A文章编号：10 0 6-352 8（2 0 2 3）0 4-0 0 19-0 5Influences of Grain Size and Content of Super AbsorbentPolymer on Performance of Grouting MaterialsLI Dianqin(Shanxi Road&Bridge Construction Group Co.,Ltd.,Taiyuan,Shanxi 030006,China)Abstract:To study the influences of the grain size and content of the super absorbent polymer(SAP)onthe performance of grouting materials,this paper added SAP with sizes of 180 m,125 m,and 98 m tothe cementitious material by the dry method,and the grouting samples were prepared to test the initialfluidity,30 min fluidity,compressive strength,and vertical expansion.The variations of the microstructure ofthe grouting materials were analyzed with the scanning electron microscope,and the influencing mechanismof the SAP on the performance of the grouting material was discussed.The results showed that the fluidity ofthe grouting material decreased with the increasing content of the SAP,and the smaller the SAP size,themore rapidly the fluidity decreased.The mechanical properties of the grouting material decreased with thedecreasing SAP size.With the increase of the SAP content,the compressive strength at 28 d of the groutingmaterial increased first and then decreased,and at the content of 0.2%,the compressive strength at 28 dreached 90.4 MPa,which was higher than that of the blank group.Adding the SAP,the vertical expansionwithin 24 h tended to be increased.According to the SEM micro-analysis,the SAP released water into thegrouting material at the later hydration stage,promoting the secondary hydration of the fly ash microbeads,which generated more hydration products on the surface of the fly ash microbeads.Overall,adding the SAPwith a content of 0.2%and a size of 125 m could densify the internal structure of the grouting material,enhance the mechanical properties,and improve the pore structure with a small loss of fluidity.Key words:super absorbent polymer;grain size;fluidity;compressive strength;vertical expansion收稿日期：2 0 2 3-0 7-0 3；修回日期：2 0 2 3-0 8-0 4作者简介：李殿勤（19 6 8），男，山西临汾人，高级工程师，2 0 15年毕业于北京交通大学土木工程专业。20山西交通科技2023年第4期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-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（wlc）、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（Superabsorbentpoly-mer,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0 的研究表明，在混凝土中直接加人未预吸水的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。PierardJ等人的研究结果表明，在新拌混凝土中分别加人预吸水的SAP，质量为胶凝材料的0.3%与0.6%，硬化混凝土弹性模量与2 8 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，在混凝土中加人预吸水的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P530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1PI52.5硅酸盐水泥技术指标密度/比表面积/凝结时间/min抗折强度/MPa抗压强度/MPa(gcm3)(mkg)初凝终凝3d28d3d28d3.163511261755.878.9232.1757.97表2化学组成表SioAl,0,Fe,0,CaoK,0MgoNa,0SO,成分0(M)/10-2水泥25.098.123.0354.670.723.940.323.39FAM57.4630.183.163.33 1.92 0.880.610.83选用丙烯酸型商用非离子型SAP。将其在6 0 下干燥至恒重后采用筛网为8 0 目、12 0 目、16 0 目、2 0 0 目的筛子进行筛分，将筛选出12 5m180m、9 8 m125m、和7 4m98m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1g的干SAP颗粒（m，）放置在茶包（m）的底部，茶包在去离子水、自来水和水泥滤液中预湿。将含SAP的茶包浸人去离子水、自来水和水泥滤液中18 0 min，然后将肿胀的茶包悬浮在空气中10 min；最后，对茶包称重（m）。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m3m2m一Q(1)表3SAP在不同液体中的吸液特性测试方法SAP-ASAP-BSAP-C去离子水gg)44.552.360.3自来水/gg)38.745.035.2水泥滤液八g：g）31.733.629.4水泥滤液饱和时间/min8111.2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0.2 4，胶砂比为1：1；胶凝材料中，水泥质量：粉煤灰微珠质量为0.9 5：0.0 5；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（JGT4082019）进行流动度、抗压强度测试，对灌浆料进行3h和2 4h膨胀数值的测量与记录。将养护2 8 d灌浆料试块破碎成0.8 g左右的小块，并放人丙酮中脱水2 4h，干燥至21李殿勤：不同粒径及掺量浆料性能的影响2023年第4期恒重并密封保存，采用HitachiS-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2.1SAP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350SAP-A340-SAP-B-SAP-C330320310F300290F0.00.10.20.30.4SAP掺量/%图1SAP粒径与掺量对灌浆料初始流动度的影响340330SAP-A-SAP-B320A-SAP-C3103002902802702600.00.10.20.30.4SAP掺量/%图2SAP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 15mm，30 m i n 流动度减小10 2 0 mm，而且SAP粒径越小，降低幅度越大。当掺人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，当掺人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30min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 11min，在等待测试30 min流动度过程中，SAP还在吸人自由水，所以随SAP粒径的减小，灌浆料30 min流动度减小得更为迅速。2.2SAP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掺人灌浆料，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，3d1007d28d9080706050SAP-ASAP-BSAP-CSAP粒径/m图3SAP粒径对灌浆料抗压强度的影响110r3d1007d28d90807060504000.10.20.30.4SAP掺量/%图4SAP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3d和7 d抗压强度随着SAP粒径的减小而减小，而灌浆料28d抗压强度随着粒径的减小而增大。掺人SAP-C的灌浆料和掺人SAP-A的灌浆料3d和7 d抗压强度分别减小了2.9 MPa和3.3MPa，而掺人SAP-C的灌浆料比掺入SAP-A的灌浆料2 8 d抗压强度增加了3.2 MPa。从图4可以看出，当掺人SAP-C时，灌浆料3d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3d抗压强度和7 d抗压强度分别为53.4MPa和6 6 MPa，相比较于空白组的3d抗压强度7 0 MPa和7d抗压强度8 0 MPa，分别下降了2 3.7%和17.5%；而灌浆料2 8 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2 8 d抗压强度最大，为9 0.4MPa，相比较于空白组的2 8 d抗压强度8 6.4MPa，提升了4.2%。造成这一现象的原因22山西交通科技2023年第4期为在水化早期，SAP的掺人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3d、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2 8 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2 8 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2 8 d的抗压强度随掺人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。2.3SAP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0.250.243h24h24h与3h差值0.200.150.15b.13Q.10.100.090Q60.050.028P.00120.00220.0060.000.001-0.004-0.015-0.014-0.0500.10.20.30.4SAP掺量/%图5SAP掺量对灌浆料竖向膨胀的影响0.0300.0283h24h0.02524h与3h差值.0240.0200.0160.015F0.0130.0110.0120.0100.0050.0050.000-0.0050.003-0.010-0.008SAP-ASAP-BSAP-CSAP粒径/m图6SAP粒径对灌浆料竖向膨胀的影响由图5可以看出，2 4h内的竖向膨胀性能各试验组整体表现增长趋势。对于3h和2 4h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3h竖向尺寸数值分别较空白组减少了0.0 2 mm、0.0 9 5m m、0.114mm和0.12 5mm，灌浆料2 4h竖向尺寸数值分别较空白组减小了0.0 9 mm.0.212mm、0.2 38 mm和0.2 54mm。由图6 可以看出，2 4h内的竖向膨胀性能各试验组均表现增长趋势。对于3h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。当分别掺人SAP-A和SAP-B时，灌浆料竖向尺寸数值分别为0.0 13mm和0.0 16 mm；当掺人SAP-C时，灌浆料竖向尺寸数值为-0.0 0 8 mm，对于掺人SAP-A和SAP-B时，分别减小了0.0 2 1mm和0.0 2 4mm。对于2 4h的竖向膨胀影响，竖向膨胀数值变化趋势与3h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2 8 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，未掺人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)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，掺人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23李殿勤：不同粒径及掺量吸水树脂对灌浆料性能的影响2023年第4期耗Ca(OH),形成C-S-H凝胶，覆盖了粉煤灰微珠外部。水化初期SAP掺人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SiO,和Al,O,发生二次水化反应，消耗的Ca(OH),有利于生成致密的水化硅酸钙凝胶。综上所述，SAP的掺人，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 2 0 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的掺人，灌浆料3d和7 d抗压强度随着掺量的增加而减小，灌浆料2 8 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2 8 d抗压强度最大，为9 0.4MPa，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 MPa3.3MPa，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3h和2 4h竖向膨胀的测量与分析，各试验组2 4h内的竖向膨胀性能均表现增长趋势。对于3h和2 4h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2 4h与3h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SiO,和Al,O,的二次水化反应，消耗了大量的Ca(OH)，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12 5m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。参考文献：1 Liu S,Li ZF,Teng Y,et al.A dynamic simulation study on thesustainability of prefabricated buildingsJ.Sustainable Cities andSociety,2022,77(2):103551.2李伟民.我国装配式建筑发展关键影响因素研究 D.南京：东南大学，2 0 2 0.3 D Snoeck,O M Jensen,N De Belie.The influence of superabsorbentpolymers on the autogenous shrinkage properties of cement pasteswith supplementary cementitious materialsJ.Cement&ConcreteResearch,2015,74:59-67.4 Ramazani-Harandi M J,Zohuriaan-Mehr M J,Yousefi A A,et al.Rheological determination of the swollen gel strength ofsuperabsorbent polymer hydrogelsJ.Polymer Testing,2006,25(4):470-474.5 Wang F,Yang J,Cheng H,et al.Study on Mechanism of DesorptionBehavior of Saturated Superabsorbent Polymers in ConcreteJ.ACI Materials Journal,2015,112(3):463-469.6Lee H X D,Wong H S,Buenfeld N R.Effect of 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