不同粒徑及摻量的高吸水樹脂對灌漿料性能的影響

李殿勤

（山西路橋建設集團有限公司，山西太原 030006）

0 引言

裝配式建筑以其低能耗、高效率、可持續的工程特點，在建筑領域的關注度越來越高[1-2]。對于裝配式建筑來說，構件間的“可靠連接”極為重要，是整體結構安全的基本保證。鋼筋套筒灌漿連接是裝配式構件間連接的主要方式，因而套筒灌漿料的性能直接決定了構件間的連接質量。

套筒灌漿料還具有低水灰比（w∕c）、大流態微膨脹等特點。套筒灌漿料在工程應用中外部水分難以到達高性能混凝土內部，難以在套筒灌漿料內部提供足夠的養護水分，導致水泥基材料水化作用有限，工程應用期間易出現微開裂。高吸水樹脂（Super absorbent polymer，SAP）是一種具有三維親水網絡結構的高分子材料，通過滲透壓、氫鍵和毛細壓力，能夠快速吸收和儲存相對于自身質量的數十倍甚至數千倍的水或含水液體[3-5]。當SAP 暴露于混凝土混合料中時，在三維網絡的內外之間會發生滲透壓梯度和化學勢的轉變，導致SAP 吸水和蓄水[6]。隨著水泥基材料的水化或水分的蒸發，SAP 會不斷釋放水泥基材料內部的水分，以補償水泥基材料內部的水分損失，減少收縮[7]。SAP 提供的水可以提高水泥基材料的水化程度，顯著減緩收縮，減少微裂縫的發生，提高水泥基材料的耐久性[8-9]。葉華等人[10]的研究表明，在混凝土中直接加入未預吸水的SAP 時，由于SAP 可以吸收部分自由水，降低內部水灰比，使新拌混凝土的工作性降低。Piérard J 等人[11]的研究結果表明，在新拌混凝土中分別加入預吸水的SAP，質量為膠凝材料的0.3%與0.6%，硬化混凝土彈性模量與28 d 抗壓強度下降，但是硬化混凝土彈性模量下降幅度顯著低于抗壓強度下降幅度。胡曙光等[12]研究發現，在混凝土中加入預吸水的SAP，質量不大于膠凝材料總質量的0.5%，能有效地減小混凝土收縮且強度損失小。

綜上所述，目前有關SAP 在水泥基灌漿材料中的應用研究僅停留在摻量對性能的影響階段，而有關微珠粒徑大小對水泥基灌漿料性能的影響尚鮮有報道，且有學者研究表明，SAP 粒徑大小對自密實混凝土力學性能和體積穩定性有重要影響。鑒于此，本文采用膠凝材料中干摻SAP 的方式，系統研究SAP 的粒徑與摻量對灌漿料流動度、抗壓強度與灌漿料豎向膨脹率的影響，并采用掃描電鏡分析灌漿料微觀形貌的變化，探討SAP 對灌漿料性能的影響機理。研究結論將為SAP 在灌漿料中的應用提供一定的理論依據。

1 試驗材料及方法

1.1 原材料

膠凝材料選用選用P·Ⅰ52.5 硅酸鹽水泥和粉煤灰微珠，技術指標見表1，化學組成見表2；集料選用ISO 標準砂中砂；膨脹劑選用UEA 型混凝土膨脹劑；減水劑選用西卡P 530 聚羧酸高性能減水劑，減水率25%；消泡劑選用工業級消泡劑，pH 值為6～8；拌和水使用自來水。

表1 P·Ⅰ52.5硅酸鹽水泥技術指標

表2 化學組成表

選用丙烯酸型商用非離子型SAP。將其在60 ℃下干燥至恒重后采用篩網為80 目、120 目、160 目、200 目的篩子進行篩分，將篩選出125 μm～180 μm、98 μm～125 μm、和74 μm～98 μm 的SAP 分別標記為SAP-A、SAP-B 和SAP-C。

采用茶包法研究SAP 的吸收特性[9]。將重量約為1 g 的干SAP 顆粒（m1）放置在茶包（m2）的底部，茶包在去離子水、自來水和水泥濾液中預濕。將含SAP 的茶包浸入去離子水、自來水和水泥濾液中180 min，然后將腫脹的茶包懸浮在空氣中10 min；最后，對茶包稱重（m3）。吸水率（Q）可由式（1）計算。每批茶包和試液中至少有3 個個體，結果如表3所示。

表3 SAP在不同液體中的吸液特性

1.2 試驗方案

為探究SAP 的粒徑與摻量對灌漿料性能的影響，以SAP 粒徑與摻量為變量進行試驗設計。固定水膠比為0.24，膠砂比為1∶1；膠凝材料中，水泥質量∶粉煤灰微珠質量為0.95∶0.05；外加劑中，減水劑摻量為1%，膨脹劑摻量為0.5%，消泡劑摻量為0.1%。

1.3 測試方法

根據《鋼筋連接用套筒灌漿料》（JGT 408—2019）進行流動度、抗壓強度測試，對灌漿料進行3 h 和24 h膨脹數值的測量與記錄。將養護28 d 灌漿料試塊破碎成0.8 g 左右的小塊，并放入丙酮中脫水24 h，干燥至恒重并密封保存，采用Hitachi S-4800 冷場發射掃描電子顯微鏡，觀察灌漿料內部水化產物的微觀結構形貌。

2 結果與討論

2.1 SAP對工作性能的影響

流動度是評價灌漿料工作性能的重要指標，它直接反應了灌漿料施工的難易程度及其均勻性。不同粒徑與摻量下SAP 對灌漿料初始流動度和30 min 流動度的影響分別如圖1 和圖2所示。

圖1 SAP粒徑與摻量對灌漿料初始流動度的影響

圖2 SAP粒徑與摻量對灌漿料30 min流動度的影響

從圖1和圖2可以看出，灌漿料初始流動度和30 min流動度隨SAP 摻量的增加總體上呈現減小的趨勢。當SAP 粒徑一定時，其初始流動度與30 min 流動度隨SAP 摻量的增加而減小，SAP 摻量每增加0.1%，初始流動度減小10～15 mm，30 min 流動度減小10～20 mm，而且SAP 粒徑越小，降低幅度越大。當摻入0.4% 的SAP-A 和SAP-C 后，灌漿料初始流動度比未摻SAP 的空白組初始流動度降低了11.5%和14.7%。這一現象在30 min 流動度中更明顯，當摻入0.4%的SAP-A 和SAP-C 后，灌漿料30 min 流動度比未摻SAP 的空白組30 min 流動度分別降低了12.5%和18.8%。產生這一現象的原因是SAP 具有高吸水率，在灌漿料漿體中前期快速吸水膨脹，使漿體內部自由水減少，降低灌漿料內局部水膠比，造成灌漿料流動度下降；同時SAP 的吸水速率隨著粒徑的減小而增大，在低水膠比情況下，摻加的SAP 吸收了本就不多的自由水，使得顆粒間的摩阻力快速增加，其宏觀表現為灌漿料流動度迅速減小。由表3 可知SAP 的吸水行為會持續8～11 min，在等待測試30 min 流動度過程中，SAP 還在吸入自由水，所以隨SAP 粒徑的減小，灌漿料30 min 流動度減小得更為迅速。

2.2 SAP對力學性能的影響

強度是灌漿料的基礎性能，通過固定SAP 摻量為0.2%，研究SAP 粒徑對灌漿料力學性能的影響，試驗結果如圖3所示；通過選用SAP-C 摻入灌漿料，研究SAP摻量對灌漿料力學性能的影響，試驗結果如圖4所示。

圖3 SAP粒徑對灌漿料抗壓強度的影響

圖4 SAP摻量對灌漿料抗壓強度的影響

從圖3 可以看出，當SAP 摻量為0.2%時，灌漿料3 d和7 d 抗壓強度隨著SAP 粒徑的減小而減小，而灌漿料28 d 抗壓強度隨著粒徑的減小而增大。摻入SAP-C 的灌漿料和摻入SAP-A 的灌漿料3 d 和7 d 抗壓強度分別減小了2.9 MPa和3.3 MPa，而摻入SAP-C 的灌漿料比摻入SAP-A 的灌漿料28 d 抗壓強度增加了3.2 MPa。從圖4 可以看出，當摻入SAP-C 時，灌漿料3 d 和7 d 抗壓強度隨著SAP 摻量的增加而減小，當SAP 摻量為0.4%時，灌漿料3 d 抗壓強度和7 d 抗壓強度分別為53.4 MPa和66 MPa，相比較于空白組的3 d 抗壓強度70 MPa 和7 d 抗壓強度80 MPa，分別下降了23.7%和17.5%；而灌漿料28 d 抗壓強度隨著SAP 摻量的增加呈現先增大后減小的趨勢，其中當SAP-C 摻量為0.2%時，灌漿料28 d抗壓強度最大，為90.4 MPa，相比較于空白組的28 d 抗壓強度86.4 MPa，提升了4.2%。造成這一現象的原因為在水化早期，SAP 的摻入要吸收體系中的水分，造成灌漿料內部濕度較低，早期水化不充分，影響灌漿料力學性能，導致灌漿料3 d、7 d 抗壓強度降低；到了水化后期，隨著灌漿料孔隙中相對濕度的降低，SAP 內養護功能可促進其周圍膠凝漿體的水化，SAP 會逐漸釋放前期吸收的水分，促進粉煤灰的火山灰反應，生成致密的水化硅酸鈣產物，形成致密的界面過渡區，使摻入SAP 的灌漿料28 d 抗壓強度略高于未摻SAP 的空白組；但SAP 摻量超過0.2%后，仍會對灌漿料28 d 抗壓強度有損害，這是因為過量的SAP 易分散不均勻，產生團聚，使灌漿料中存在較大孔隙，對強度有損害。同時SAP 粒徑越小，SAP 吸水速率越快，導致水化前期，灌漿料抗壓強度隨著SAP 粒徑的減小而減??；到了水化后期，灌漿料28 d 的抗壓強度隨摻入SAP 粒徑的減小而增加，粒徑較小的SAP 形成的球形孔洞較小，且孔隙分布均勻，對于灌漿料抗壓強度的負面作用較弱。

2.3 SAP對豎向膨脹的影響

為確保套筒、灌漿料及鋼筋三者緊密配合，豎向膨脹為灌漿料所必需具備的特性。通過選用SAP-C 摻入灌漿料，研究SAP 摻量對灌漿料豎向膨脹的影響，試驗結果如圖5所示；通過固定SAP 摻量為0.2%，研究SAP粒徑對灌漿料豎向膨脹的影響，試驗結果如圖6所示。

圖5 SAP摻量對灌漿料豎向膨脹的影響

圖6 SAP粒徑對灌漿料豎向膨脹的影響

由圖5 可以看出，24 h 內的豎向膨脹性能各試驗組整體表現增長趨勢。對于3 h 和24 h 的豎向膨脹影響，膨脹數值隨著SAP 摻量的增加而減小。當SAP 摻量由0%增加到0.1%、0.2%、0.3%和0.4%時，灌漿料3 h 豎向尺寸數值分別較空白組減少了0.02 mm、0.095 mm、0.114 mm 和0.125 mm，灌漿料24 h豎向尺寸數值分別較空白組減小了0.09 mm、0.212 mm、0.238 mm和0.254 mm。由圖6 可以看出，24 h 內的豎向膨脹性能各試驗組均表現增長趨勢。對于3 h 的豎向膨脹影響，隨著SAP 粒徑的減小，膨脹數值先增大后減小。當分別摻入SAPA 和SAP-B 時，灌漿料豎向尺寸數值分別為0.013 mm和0.016 mm；當摻入SAP-C 時，灌漿料豎向尺寸數值為-0.008 mm，對于摻入SAP-A 和SAP-B 時，分別減小了0.021 mm 和0.024 mm。對于24 h 的豎向膨脹影響，豎向膨脹數值變化趨勢與3 h 變化趨勢相似。由于SAP 粒徑越小，吸水速率越快，灌漿料漿體內部水分減少，導致當摻入SAP-C 時，豎向膨脹數值出現負值，發生收縮現象。由此可以看出，當摻入SAP-B 時，豎向膨脹效果優于摻入SAP-A 和SAP-C，這是因為水分從較大粒徑的SAP 顆粒中脫離速度要快于較小粒徑的，因而減小SAP 粒徑會導致兩個相反的過程：較小顆?？臻g距離可提高內養護有效性，水分子的較高控制力則會降低內養護的有效性[14]。因此，當SAP 粒徑較大時，SAP 顆粒間距較大，不利于內養護水遷移到水泥石的每個部分；當SAP 粒徑過小時，SAP 中的內養護水向其周圍水泥遷移的有效性降低。

2.4 微觀結構分析

采用掃描電鏡（SEM）對灌漿料的微結構進行了研究。選用硬化28 d 后，未摻SAP 的空白組與摻有0.2%的SAP-C 的灌漿料試樣進行觀察，結果如圖7 和圖8所示。

圖7 未摻SAP的灌漿料試樣

圖8 摻入0.2%的SAP-C的灌漿料試樣

從圖7 和圖8 可以看出，未摻入SAP 的空白組，水泥水化反應產物覆蓋顆粒的面積小于摻入SAP 灌漿料，粉煤灰微珠的表面水化反應較低且表面附著水化產物較少，周圍網狀水化產物鈣礬石和Ca(OH)2晶體自由生長且數量多，結構相對疏松，灌漿料內部結構不致密。與未摻SAP 的空白組相比，摻入SAP 后的灌漿料的微觀結構更加致密，粉煤灰微珠的火山灰反應性消耗Ca(OH)2形成C-S-H 凝膠，覆蓋了粉煤灰微珠外部。水化初期SAP 摻入灌漿料時游離水被吸收，水化不充分，水化后期水分逐漸被放出，促進粉煤灰微珠內活性SiO2和Al2O3發生二次水化反應，消耗的Ca(OH)2有利于生成致密的水化硅酸鈣凝膠。綜上所述，SAP 的摻入，使得灌漿料水化后期水化產物增多，灌漿料內部結構致密，改善了漿體孔隙結構，提升了灌漿料的力學性能。

3 結論

a）通過灌漿料初始流動度和30 min 流動度測試分析，SAP 具有高吸水率，隨著SAP 摻量的增大，SAP 在灌漿料漿體中前期快速吸水膨脹，使漿體內部自由水減少，降低灌漿料內局部水膠比，造成灌漿料流動度下降；同時SAP 的吸水速率隨著粒徑的減小而增大；SAP吸水飽和時間15～20 min，使得灌漿料30 min 流動度減小得更為迅速。

b）通過對灌漿料力學性能的分析，隨著SAP 的摻入，灌漿料3 d 和7 d 抗壓強度隨著摻量的增加而減小，灌漿料28 d 抗壓強度隨著摻量的增加呈現出先增大后減小的趨勢，其中當摻量為0.2%時，灌漿料28 d 抗壓強度最大，為90.4 MPa，且大于空白組抗壓強度；灌漿料抗壓強度隨著SAP 粒徑的減小而減小，3 種粒徑之間各齡期抗壓強度相差2.9 MPa～3.3 MPa，說明SAP 粒徑對灌漿料力學性能的影響小于SAP 摻量對灌漿料抗壓強度的影響。

c）通過對灌漿料3 h 和24 h 豎向膨脹的測量與分析，各試驗組24 h 內的豎向膨脹性能均表現增長趨勢。對于3 h 和24 h 的豎向膨脹影響，膨脹數值隨著SAP 粒徑的減小先增大后減小，而隨著SAP 摻量的增加而減??；對于24 h 與3 h 差值，膨脹數值隨著SAP 摻量的增加呈現減小趨勢。

d）通過微觀結構分析，到水化后期，SAP 在水泥及粉煤灰微珠水化反應的過程中逐漸釋放水，促進了粉煤灰微珠中的活性SiO2和Al2O3的二次水化反應，消耗了大量的Ca(OH)2，使灌漿料內部形成致密均勻的水化硅酸鈣凝膠。

e）綜上，摻入0.2%的粒徑為125 μm 的SAP，在損失較小流動度的同時，可以使灌漿料內部結構致密，提升力學性能，改善孔隙結構。