高吸水性聚合物对水泥砂浆物理力学性能的影响_张国防

网络出版时间：2016-12-22 14:58:24

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高吸水性聚合物对水泥砂浆物理力学性能的影响

张国防，王亚文，和瑞，王培铭

（1同济大学 先进土木工程材料教育部重点实验室，上海 201804；2 同济大学 材料科学

与工程学院，上海 2010804）

摘要：研究了高吸水性聚合物（SAP ）对水泥砂浆在不同养护温度下的流动度、凝结时间、抗折强度和抗压强度等物理力学性能的影响。结果表明，在0、10、20和40℃养护温度下，SAP

不同。10℃关键词

Abstract studied. The results show that the SAP has great influences on the properties of cement mortar SAP can greatly improve the fluidity (up to 5%), decrease the fluidity loss and prolong the setting time of cement mortar under curing temperatures of 0 to 40 ℃, with slight influences of its addition variations on these properties. Besides, with the curing temperature decreasing, the improvement of SAP on the fluidity gradually increases. SAP can improve the flexural strength and the early aged compressive strength of cement mortar under curing temperatures of 20 and 40 ℃, but is not beneficial to the development of compressive strength at late age under these two curing temperatures. Additionally, SAP can slightly decrease the flexural strength and compressive strength of cement mortar under the curing temperature of 10 ℃.

Key words: Cement mortar; super absorbent polymers (SAP); fluidity; setting time; strength;

收稿日期：2016年8月30日；修订日期：2016年9月23日 基金资助：国家自然科学基金资助项目(51102182); “十三五”国家重点研发计划项目(2016YFC0700905); 高性能土木工程材料国家重点实验室开放基金项目(2014CEM006).

作者简介：张国防(1977— ), 男, 河南鹿邑人, 同济大学副研究员, 研究生导师, 博士. E-mail: [email protected]

curing temperature

水泥基材料具有良好的物理力学性能是其能够应用于建筑工程的首要前提，而工作性能和强度是最重要的物理力学性能。作为水溶胀型高分子聚合物，高吸水性聚合物（SAP ）能大量吸收新拌水泥浆体中的水分，并在水泥水化过程中缓慢释放出来，促进水泥基材料的性能发展[1-2]。因此，高吸水性聚合物正逐渐被广泛用作水泥基材料的内养护材料[3-4]。

一些文献已研究了高吸水性聚合物对水泥基材料工作性能的影响规律。刘芳[5]研究发现高吸水性聚合物能使新拌水泥砂浆的流动度提高，黏聚性和保水性也有所改善；孔祥明等[6-7]则认为高吸水性聚合物一定程度上会降低新拌水泥砂浆的流动度；而王嘉[8]则研究提出加入高吸水性聚合物后，水泥砂浆早期的流动度减小，后期流动度增大，尤其是在搅拌好30min 后的流动度增幅显著。既有研究结果表明，高吸水性聚合物会显著影响到水泥砂浆的工作性能，但研究结论并不一致，甚至存在相互矛盾之处。

[9-11]认为，其掺量越大，抗压强度降幅越大；同时其吸水作用导致水泥早期水化程度降低。文献[12]料的总水灰比增大是抗压强度降低的主要原因。0.5%时，水泥基材料早期抗压强度的降幅很小。28d 抗压强度逐渐降低。文献[16]吸水性聚合物能缓慢释放出水分，强度[5, 8]。

同的环境温度条件下，影响到实际应用。但甚少涉及到高吸水性聚因此，本文选取常以期为高吸水性聚合物更好地应用于

1 试验

1.1 原材料

水泥为安徽海螺水泥厂生产的海螺牌P·II52.5R硅酸盐水泥，其物理力学性能如表1所示。高吸水性聚合物（SAP ）为上海禹伊实业有限公司提供的丙烯酸/丙烯酸钠共聚物，其基本物性参数如表2所示。ISO 标准砂；实验室自来水。

表1 水泥的物理力学性能

Table 1 Physical properties of Portland cement

Density /(g·cm-3)

Surface Area /(m2·kg-1)

Setting time/min Initial

Final

Compressive strength /MPa3 d

28 d

Flexural strength /MPa 3 d

28 d

3.20 380 150 210 29.7 59.6 6.0 8.6

表2 高吸水性聚合物的基本物性参数

Table 2 Parameters of the SAP

Bulk density /(kg/·m-3)

Particle size

/μm

Water absorption ( mass

ratio to water)

128

Appearance Water content /%White spherical particles

700 75-160 0.42

1.2 试验配合比

参照GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》进行水泥砂浆强度试件的成型和测试。试件成型后，先在(20±1) ℃、(95±5)%RH的养护箱内养护24h ，拆膜，然后将试件分别放在不同养护温度室内进行养护到规定龄期后测试抗折强度和抗压强度；养护条件分别为(10±1)℃/(60±5)%RH，(20±1)℃/(60±5)%RH，以及(40±1)℃/(60±5)%RH。

2 结果与讨论

2.1 SAP掺量和养护温度对水泥砂浆流动度的影响

20℃养护温度是实验室标准温度条件，所以本文首先研究了在此温度下，SAP 掺量变化对水泥砂浆初始流动度和经时流动度的影响，如图1所示。由图可知，在20℃下，随着

随着时间延长，水泥砂浆的经时流动度均明显降低。但SAP 仍能显著提高水泥砂浆的经时流动度。在60min 以内时，水泥砂浆的经时流动度随着SAP 掺量增大而逐渐提高，例如在60min 时，掺0.6%SAP的水泥砂浆的流动度达208mm ，而基准砂浆仅为191mm ；而在90~120min时，掺加SAP 的水泥砂浆流动度仍显著高于基准砂浆，但SAP 掺量变化对经时流动度影响很小。这表明，在一定掺量范围内，SAP 也能显著降低水泥砂浆的流动度经时损失，确保水泥砂浆具有良好的流动性。一些文献提出，在低水灰比的情况下，SAP 会导致水泥基材料流动度降低[6-8]。但我们研究发现，SAP 能显著提高水泥砂浆流动度及其经时流动度，其原因可能在于，虽然SAP 会吸附一定量的水分，降低水泥砂浆的实际水灰比，但吸水后会溶胀形成球形的SAP 凝胶颗粒，在水泥砂浆中起到一定的滚珠润滑效应[3-4, 17]，具有流动度增大效应，而在较大水灰

度越大（图2(a)和(b)）。这表明，相比于20℃，养护温度更低时，SAP 能进一步提高水泥砂浆的流动性。原因可能在于，在低温条件下，水泥水化速率降低，所需水分减少，SAP 吸水后颗粒溶胀的滚珠润滑作用所致的流动度增大效应远大于有效水灰比降低所致流动度损失；且随着时间延长，SAP 所吸附的水分也逐渐释放。

而在40℃高温条件下，掺加0.4%SAP的水泥砂浆初始流动度仅220mm ，小于基准砂浆（为226mm ）；30min 时二者的经时流动度相当，60min 和90min 时掺加0.4%SAP的水泥砂浆经时流动度明显高于基准砂浆，且随时间延长，二者经时流动度的差值增大（图2(c)）。这表明，与0、10和20℃时相比，水泥砂浆在40℃下的流动性损失更快，且 SAP对40℃下流动性的影响也有所不同，会使得水泥砂浆初始流动度有所降低，但仍能显著改善水泥砂浆的经时流动度。原因在于，在40℃下，由于SAP 的吸水作用，使得水泥砂浆有效水灰比降低，从而导致初始流动度降低；但由于SAP 具有水分缓释作用，一定程度上弥

补水泥砂浆中水分的经时损失，从而使得40℃下掺加SAP 的水泥砂浆流动性损失速率远小于基准砂浆。

以上分析表明，随着养护温度升高，水泥砂浆的流动性均逐渐降低；但SAP 能显著提高水泥砂浆在不同温度下的流动性，减小流动度损失；而SAP 掺量变化对水泥砂浆流动度的影响相对较小。

水泥砂浆凝结时间随SAP 掺量及环境温度的变化趋势如图3所示。由图可知，随着SAP 掺量从0增大至0.6%，水泥砂浆凝结时间逐渐延长，从133min 增至143min ，增幅相对较小，最大增幅仅10min （图3(a)）。这表明，SAP 能一定程度上延长水泥砂浆凝结时间。随着养护温度从20℃降低至10℃和0℃，水泥砂浆的凝结时间显著延长；温度升至40℃时，水泥砂浆的凝结时间有所缩短；相同温度下，掺加SAP 的水泥砂浆凝结时间均明显高于基准砂浆，增幅在10%左右（图3(b)）。这表明，无论是低温还是高温条件，SAP 均能一定程度上延长水泥砂浆的凝结时间。

150120

250

SAP 0%

S e t t i n g t i m e /m i n

90603000

0.2

S e t t i n g t i m e /m i n

[1**********]0

SAP 0.4%

SAP/%

0.40.60

Curing temperature/℃

10203040

(a) Flexural strength (b) Compressive strength

图4 20℃下SAP 掺量变化对水泥砂浆抗折强度和抗压强度的影响

Fig. 4 Flexural strength and compressive strength of cement mortar with SAPs under 20 ℃ SAP 掺量的变化趋势如图5所示。由图可知，在10℃下，掺加SAP 的水泥砂浆1~60d抗折强度均略低于基准砂浆；但掺加0.4%SAP 的水泥砂浆抗折强度仍略高于SAP 其他掺量的水泥砂浆（图5(a)）。这表明，不同于20℃时，在10℃的较低温度下，SAP 一定程度上会导致水泥砂浆的抗折强度有所降

低。在10℃下，掺加SAP 的水泥砂浆各龄期的抗压强度也略低于基准砂浆，且随着SAP 掺量的增加增大，抗压强度逐渐降低（图5(b)）。这表明，在10℃的较低温度下，SAP 并不利于改善水泥砂浆的抗压强度。

结合图4~图6可知，养护温度变化对掺加SAP 的水泥砂浆抗折强度和抗压强度发展具有明显的影响，在SAP 掺量和养护龄期相同的情况下，较低温度更有利于水泥砂浆抗折强度的发展，而较高温度则有利于水泥砂浆抗压强度的发展。且在上述养护温度下，SAP 均存在相对较佳掺量（0.4%）。相比于早期抗压强度，SAP 更不利于水泥砂浆的中后期抗压强度发展，这与文献[5, 12, 15]的研究结论基本一致。在上述不同养护温度下，SAP 均不利于水泥砂浆中后期抗压强度发展的原因可能是，随着SAP 逐渐释水，其颗粒体积坍缩，导致水泥砂浆的孔隙率增大，以及大孔增多所致[6, 10, 17]。

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