聚丙烯酰胺系高吸水树脂对水泥砂浆性能的影响

方 严，纪林承，路文通，朱 建

(沈阳化工大学材料科学与工程学院，沈阳 110142)

高吸水树脂(SAP)是一种具有轻度交联的三维网状结构高分子材料，能吸收自身重量几百倍乃至几千倍的水，且保水性极好[1]。2000年Jensen[2]等提出了将SAP添加到混凝土中进行内养护，近些年来关于这方面研究越来越多。目前工程建筑中采用的是传统外养护方法：湿制养护(喷水、覆盖湿草袋等)、在水泥材料表面成膜的化学养护和覆盖塑料膜养护等，费工费时，且由于混凝土结构密实度较高，外部养护水很难进入混凝土内部，养护效果并不佳[3,4]。SAP在混凝土材料中的加入，为其后期水化时提供水分，混凝土可在无外部人工养护的情况下获得良好的性能。SAP在混凝土内养护方面的优越性已经得到广泛认可，其对水化程度、自收缩和耐久性等方面有着积极作用，但是在流动度和强度方面的影响说法不一，有研究人员认为其对强度有着负面影响，也有认为SAP可提高混凝土的工作性能[5-8]。

同样对于将高分子吸水树脂掺入水泥砂浆的复合材料国内研究还比较少见，其中逄鲁峰[9]研究了高吸水树脂掺入水泥等组合体系中的抗冻融效果和作用机理，詹炳根[10]对高吸水树脂在水泥浆中对其水化度是否具有正面影响进行了研究和验证，在这些研究中[11]，关于高分子吸水树脂改变混凝土自收缩和抗冻融能力的研究测试已经逐步展开，但是对于掺入高吸水树脂的水泥砂浆的工作性能以及在现实施工中的应用依然有待于进一步研究。因此，该实验将自行合成的聚丙烯酰胺系SAP加入水泥砂浆中，研究了掺拌不同吸水倍率及不同掺入量的高吸水树脂对水泥砂浆流动度、抗折和抗压强度等性能的影响。

1 实 验

1.1 原材料

水泥：诸城市杨春水泥有限公司国标425硅酸盐水泥；标准砂：厦门艾思欧标准砂有限公司ISO标准砂；高吸水树脂：实验室自制聚丙烯酸类树脂，粒径约200目；水：去离子水。

1.2 实验制备

实验采用900 g/g(A)、1 200 g/g(B)、1 500 g/g(C)吸水倍率SAP，掺入量分别为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%。砂浆配合比如表1。

表1 砂浆配合比

由于该实验采用的SAP吸水倍率较高，若采用预吸水掺入方式则加水量不足导致树脂无法完全吸水，且溶胀SAP由于团聚现象产生胶凝体，导致SAP在砂浆中难以均匀分布，对水泥性能产生负面影响。所以不采用预吸水的方式，而是以干掺的掺入方式将SAP粉末直接与水泥灰均匀掺和。

1.3 测试方法

1)采用《通用硅酸盐水泥标准》GB175—2007水泥胶砂流动度测定水泥砂浆流动度。

2)采用《聚合物改性水泥砂浆试验规程》DL/T 5126—2001的有关规定做抗折强度的测试，试件大小为40 mm×40 mm×160 mm的棱柱体，计算公式如下

式中，Rf为抗折强度,MPa；P为折断时施加于中部的载荷,N；L为支撑试件之间的间距,mm；b为棱柱体正方形截面边长,mm。

3)采用《建筑砂浆基本性能实验》JGJ/T 70—2009抗压强度试验，计算公式如下

式中，Fm,cu为砂浆抗压强度,MPa；Nu为试件破坏载荷,N；A为试件承压面积,mm2；K为换算系统，取1.35。

2 结果与分析

2.1 SAP对水泥砂浆流动度的影响

不同吸水倍率SAP的掺入量对水泥砂浆流动度的影响见图1。由图可知，在相同掺入量下，SAP吸水倍率越高，流动度也就越小。且随着掺量的增大，高吸水倍率SAP与低吸水倍率SAP的砂浆流动度差距也随之增大，说明SAP的吸水倍率影响着水泥砂浆的流动度，吸水率越高则在水泥砂浆中吸收的自由水越多，对其成型有一定程度的影响。

添加不同吸水倍率的SAP水泥砂浆的流动度都随着掺入量表现出先增大后减小的现象。这是由于SAP和外加水在同时影响着流动度的变化，开始加入较少的SAP，其只需要少量的水分来维持其网络结构，外加水的添加使其砂浆中自由水的增加，从而导致了流动度增大。SAP掺入量为0.2%，添加高吸水树脂的砂浆流动度比空白组分别增大了11.3%，9.8%，7.3%。当掺入量大于0.2%时，随着SAP掺量的增加，SAP需要吸收大量的水分来维持自身的网络结构，外加水量不能满足SAP对水分的需求，水泥砂浆中自由水减少，流动度因此下降。

2.2 SAP对水泥砂浆抗折强度影响

由图2～图4实验结果可知，掺入SAP后，水泥砂浆抗折强度有着不同程度的损失，并且随着SAP掺量的增加砂浆的强度损失程度越大。实验结果可得SAP混凝土的7 d强度损失率要远大于28 d强度损失率，0.4%掺量SAP砂浆试块在7 d抗折强度平均只达到空白样的58.8%，说明SAP对水泥砂浆早期强度的影响尤为明显。因为SAP是低强度相，在水泥成型过程中吸收了部分的自由水和碱离子，阻碍了水泥砂浆早期水化，且SAP吸水过后体积膨胀占据了砂浆中部分体积，导致水泥砂浆强度的降低。

随着龄期的增长，7～28 d掺入SAP水泥砂浆的抗折强度增长趋势均明显要高于空白样，强度损失减小。说明SAP在砂浆后期水化中为其提供水分，随着龄期的增长，砂浆内部相对湿度在不断降低，与吸水SAP内部形成湿度差，湿度差的作用下会使得处于吸水膨胀状态的SAP凝胶释放出水分到砂浆内部，供未完全水化的胶凝材料颗粒进一步水化，宏观上表现出掺加SAP的水泥砂浆中后期强度增长速率要高于空白样。

如图5所示，当掺入量为0.1%时，不同吸水倍率SAP虽然对水泥砂浆早期强度造成轻微的损失，但后期强度却有着一定的提高，28 d抗折强度相较于空白样的提高率分别为1.87%，3.27%，9.78%，说明在SAP低掺入量、高吸水率下，砂浆强度有着一定微小幅度的提高，确保了SAP对水泥砂浆进行内养护作用。

2.3 SAP对水泥砂浆抗压强度的影响

由图6～图8可知，掺加SAP会造成水泥砂浆早期抗压强度产生损失，SAP掺量越大，抗压强度的损失率也就越高，并且掺量越高的条件下吸水率越高，也会导致强度损失越多。这是因为SAP吸水膨胀后会在砂浆内部形成孔洞，且掺入量越高其形成的凝胶体积也就越多，结构致密度下降，导致砂浆的力学性能及结构承载能力降低。但在低掺入量的情况下，吸水率越高其抗压强度损失越小甚至相较于空白样砂浆强度有所提升，掺量为0.1%、0.2%时，1 500 g/g吸水倍率SAP砂浆试28 d抗压强度比900 g/g吸水倍率SAP砂浆试块分别提高了26.32%、17.03%。

胶凝材料的水化程度极大程度地影响着水泥砂浆的抗压强度。添加SAP B-1、C-1砂浆的抗压强度相较于空白样，在前期达到了基本相持，而在后期28 d强度有着明显的提高，增长率分别为14.7%、22.5%。说明到了养护龄期后期，SAP可以为砂浆内部提供水分，提高其中后期的水化速率，且低掺入量、高吸水率SAP对砂浆中后期强度的提高，说明SAP凝胶在释水后留下的孔洞虽对砂浆结构强度造成一定的影响，但其对水化程度的影响要更大，得到一个正反馈的结果，这也在一定程度上反映了SAP为水泥砂浆提供良好的内养护效果。

3 结 论

a.SAP与外加水量同时影响着水泥砂浆的流动度，随着SAP掺入量的增加，流动度表现出先增大后减小的趋势。且吸水率越大，砂浆流动度越小。

b.SAP对水泥砂浆早期抗折、抗压强度影响较大，随着龄期增长，与空白样的差距明显减少，且在0.1%掺入量时，不同吸水率SAP对砂浆强度都有着有利方面的影响。SAP在水泥砂浆后期水化过程中提供水分，为其提供良好的内养护作用。

c.养护28 d时，0.1%掺量、1 500 g/g吸水倍率SAP砂浆试块比普通砂浆试块在抗折、抗压强度提高了9.78%、22.55%。高吸水率、低掺入量的SAP对其砂浆内养护效果最好，各方面性能均超过普通水泥砂浆达到最佳。