摘要：為探究高吸水樹脂（SAP）和聚乙二醇（PEG）的摻入對水泥基材料性能的影響，文章設計了基準組、單摻SAP組及復摻SAP和PEG組的配合比，通過水泥凈漿強度、干縮率試驗研究了SAP、PEG對水泥凈漿強度和干縮性能的影響，并采用掃描電鏡分析了水泥凈漿試件的微觀形貌特性。結果表明：單摻入SAP減小了水泥凈漿的抗壓強度和干縮率，但稍微改善了其抗折強度；復摻SAP和PEG導致水泥凈漿不同齡期的強度下降，早期強度降低尤為顯著；復摻使水泥凈漿干縮率的降低幅度高于單摻，提高PEG的摻量進一步降低了水泥凈漿的強度和干縮率；SAP顆粒分散不均導致的團聚現(xiàn)象可引起材料強度的衰減，PEG通過抑制水泥水化反應而降低了材料的強度，PEG對SAP釋放水后的微孔洞及水泥水化產物的微縫隙起填料作用，從而降低了材料的干縮率。

關鍵詞：水泥凈漿；強度；干縮；高吸水樹脂；聚乙二醇

中圖分類號：U416.03A120384

0 引言

高吸水樹脂（SAP）存在許多羧基和羥基等親水基團，使其具備很強的吸水性，SAP三維交聯(lián)式網絡結構可確保自由水固定在空間網絡結構內部，因此具有很強的保水能力。國內外混凝土材料領域的研究人員將SAP視為內養(yǎng)生材料，認為SAP對混凝土早期收縮開裂方面具有較好的效果［1-6］，但是關于SAP對水泥膠結料強度的影響，存在不同的研究成果：郭紹武、魏曉帆等［2-3］發(fā)現(xiàn)SAP對混凝土早期強度的降低影響明顯高于后期，鄒凌凱［4］認為SAP摻量＜0.5%（膠凝材料重量）時，混凝土的強度雖有降低，可降低幅度最小，盧艷春等［5］的研究成果也認為過高的SAP摻量會顯著降低混凝土的力學性能。然而，劉成虎等［6］指出，SAP與水合適的比例可將水泥砂漿的強度提高10%～15%。摻入SAP引起水泥膠凝材料力學強度降低的原因為：SAP吸水后在拌和物中難以分散均勻從而團聚，使其在釋放水后形成的較大的空隙，導致材料內部產生缺陷，進而影響強度［7］。聚乙二醇（PEG）作為一種相變儲能材料可添加至混凝土中，利用其相變過程中熱量的吸收或釋放來調節(jié)混凝土內部的溫度，在調節(jié)大體積混凝土內外部溫差［8］、抗火混凝土內部溫度均勻性［9］以及主動調控和抑制混凝土路面結冰［10］等方面均有相關研究和應用。有研究表明［11］，PEG相變材料雖可調節(jié)混凝土內部的溫度場，但對混凝土的力學強度有一定的衰減。

雖然SAP和PEG摻入水泥膠凝材料中均可影響水泥基材料的強度和收縮性能，但是兩者對力學性能和體積穩(wěn)定性調控的機理卻截然不同，現(xiàn)有文獻針對SAP和PEG復合對水泥基材料影響的報道也較少?；诖耍疚囊钥拐蹚姸?、抗壓強度、干縮率為指標研究SAP和PEG的復摻下對水泥基材料強度和干縮性能的影響，并利用掃描電鏡分析其微觀形貌特征，鑒于水泥混凝土中骨料紋理、形貌及級配等特性的差異對試驗結果的干擾，本文以水泥凈漿為研究對象，以期為水泥基材料的收縮開裂研究提供參考。

1 原材料與試驗

1.1 原材料

水泥：P·O 42.5水泥，其各項技術指標如表1所示。水：采用市政自來水。SAP：聚丙烯酸鹽的SAP內養(yǎng)生材料的性能指標見表2，滿足有關規(guī)范技術要求。PEG：分子量為6 000，固體顆粒狀，化學分析純。

1.2 試驗方法

水泥凈漿的水膠比為0.45，根據同類型SAP摻量的范圍和本文水泥凈漿水膠比較高的情況，SAP的摻量定為水泥質量的0.2%。通過PEG水溶液和SAP的吸水試驗發(fā)現(xiàn)，PEG摻量為水泥質量的2%～4%時，SAP的吸水倍率較高，故選擇PEG摻量為水泥質量的2%～4%。為了比較和分析PEG、SAP對水泥凈漿強度和干縮性能的影響，本文設計了不添加PEG和SAP、僅添加SAP及PEG與SAP組合試驗，各試驗組材料組成設計見表3。

本文含PEG和SAP水泥凈漿的制備方法為：（1）將PEG加入拌和水中，攪拌使得PEG完全溶解形成PEG水溶液；（2）將SAP加入PEG水溶液中，待SAP完全吸水后，充分攪拌使得SAP成微小顆粒；（3）將吸附有PEG、水的SAP和水泥先后投入鍋內，參考《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》（JTG 3420-2020）攪拌至規(guī)定時間即可。其他試驗組參考上述步驟實施即可。

本文研究的水泥凈漿中雖然未添加ISO標準砂，但是強度和干縮試驗方法與現(xiàn)行JTG 3420-2020標準基本類似，故強度、干縮試驗參考JTG 3420-2020標準中的T0506-2005和T0511-2005執(zhí)行。其中強度主要測試試件3 d、7 d和28 d的抗折強度和抗壓強度，干縮試驗的測試齡期為7 d、14 d、21 d和28 d。硬化后的水泥凈漿微觀形貌分析采用Phenom Pro臺式掃描電鏡，放大倍數80～150 000，分辨率＜8 nm，加速電壓5～15 kv，抽真空時間＜15 s。

2 試驗結果與討論

2.1 力學強度

不同齡期的水泥凈漿試件的抗折強度和抗壓強度試驗結果見圖1～3。由圖1～3可知：

（1）與基準試件JC相比，僅含SAP的試件JC-SAP的3 d和28 d抗折強度分別提高了4.44%和2.33%，但7 d的抗折強度降低了15.87%；不同齡期下JC-SAP抗壓強度發(fā)生不同程度的下降，其中7 d抗壓強度降低程度最小，為1.09%，而28 d的抗壓強度降低程度最大，為11.96%。試驗結果表明：SAP對水泥凈漿的抗折強度略有改善，但是會減小材料的抗壓強度，尤其是后期的（28 d）抗壓強度；部分齡期的抗折強度略有提升，其他齡期的抗折強度均發(fā)生不同程度的減小。原因可能是SAP吸水后在水泥中分散不均勻，一些顆粒尺寸合適的SAP可為水泥水化提供內養(yǎng)護作用，有利于提升材料的力學強度，但是部分顆粒也發(fā)生團聚，使其內部空間因水分釋放而產生一些較大微孔洞形成質量缺陷。由于吸水后的SAP顆粒在水泥凈漿中分布的隨機性，使一些齡期的強度降低，一些齡期的強度得以提高［12］。

（2）試件SP-2、SP-4比JC、JC-SAP的抗折強度與抗壓強度都明顯地降低，尤其是PEG摻量較高的SP-4。與JC-SAP相比，SP-4試件的3 d、7 d和28 d的抗壓強度分別降低了45.41%、[JP+1]34.43%和29.62%，抗折強度也分別降低了34.04%、32.08%和23.86%，因此在SAP的基礎上再摻入PEG對水泥凈漿的強度發(fā)展不利，尤其是早期強度。

（3）與SP-2相比，SP-4不同齡期的抗折與抗壓強度都發(fā)生顯著的下降，其中不同齡期的抗壓強度降低值都超過了21%，抗折強度均下降了13%以上，由此可知，增加PEG的摻量會顯著降低水泥凈漿的抗折強度與抗壓強度。觀察可知，基準試件的水化反應充分，眾多針狀、片狀的C-S-H凝膠交織成復雜的空間結構，形成力學強度較高的水泥石；含有SAP、PEG的試件，SAP團聚導致材料內部形成較大的孔洞缺陷，影響水化產物Aft和C-S-H空間結構的連續(xù)性；PEG有機相變材料與普通硅酸鹽水泥不會發(fā)生化學反應，PEG加入水泥凈漿中，只能填充在水化產物之間的微空隙中，高摻量的PEG吸附于水泥顆粒表面，在一定程度上抑制了水化反應，從而降低了C-S-H的致密性［13］。與此同時，PEG相變材料可吸收水泥水化過程中釋放的熱量，進而在一定程度上降低了水泥水化反應速率，影響水化產物的形成。因此，SAP和PEG的雙重作用使得SP系列試件的抗折強度與抗壓強度均出現(xiàn)了顯著下降，尤其是PEG摻量高的SP-4試件。

2.2 干縮性能

不同齡期的水泥凈漿試件的長度變形值如圖4所示。由圖4可知，不同養(yǎng)護齡期下水泥凈漿試件的長度變形值隨著齡期的增長而增長，與基準試件JC相比，單摻SAP試件的長度變形值減小，改善了材料的體積穩(wěn)定性，同時在SAP的基礎上再摻入PEG試件的長度變形值明顯減小，尤其是增加PEG摻量，變形值降低幅度特別顯著。式（1）為水泥凈漿試件干縮率計算方法，由此可知長度變形值與干縮率是正相關的，根據式（1）將試驗測試的長度變形值轉化為干縮率。

St=100×（L0-Lr/250）（1）

式中：St——水泥凈漿試件t齡期的干縮率（%）；

L0、Lr——分別為養(yǎng)護1 d脫模后再在水中養(yǎng)護2 d后測試的初始長度和某齡期的長度讀數，兩者的差值為試件的長度變形值（mm）；

250——水泥凈漿試件的有效長度（mm）。

不同齡期水泥凈漿試件的干縮率如圖5所示。由圖5可知：不同齡期下水泥凈漿干縮率從大到小的順序為：JC、JC-SAP、SP-2、SP-4。以JC為基準，其他三類試件干縮率的變化趨勢為：隨著養(yǎng)護齡期的增加，先減小后變大，其中變化趨勢的拐點齡期為21 d。具體表現(xiàn)為：與JC相比，JC-SAP的7 d、14 d、21 d和28 d干縮率分別降低了17.76%、9.95%、3.57%和5.66%，SP-2的7 d、14 d、21 d和28 d干縮率分別降低了32.71%、18.41%、8.33%和10.94%，而SP-4的7 d、14 d、21 d和28 d干縮率也分別降低了55.41%、37.31%、26.59%和27.55%，由此說明：單摻SAP、復摻PEG和SAG都能降低水泥凈漿的干縮率，且適當提高PEG的摻量，更有利于改善其體積穩(wěn)定性。單摻SAP降低水泥基材料的收縮率，提高材料的抗裂性能，此研究結論與現(xiàn)有文獻的結果一致，主要是SAP內養(yǎng)生材料釋放了預先吸收的水分，使得材料內部的毛細管負壓減小，并在一定程度上改善了材料內部的相對濕度。另外，由于PEG具有良好的水溶性，根據本文水泥凈漿試件的制備方法，SAP吸附了自由水和PEG，自由水隨著水化反應的進行不斷釋放，最終使PEG滯留在SAP釋放水后形成的微孔洞中，并起到填料作用。PEG雖不能與水泥熟料產生化學反應，甚至對水泥的水化作用有一定的抑制，不利于水泥凈漿的強度發(fā)展，但是PEG在水泥水化產物中起著良好的填充作用。同時，PEG作為相變材料具有較大的相變潛熱，在水泥水化反應的早期可吸收水化潛熱，降低了水化反應的環(huán)境溫度，減小了水化反應速率，延長了水化反應時間。當水化反應完成后，外界溫度高于材料內部溫度時，PEG又可吸收熱量，主動調節(jié)溫差。綜上，PEG的填充與主動調控溫差的耦合作用改善了水泥凈漿的體積穩(wěn)定性，減小了干縮率。

3 結語

（1）在水泥凈漿中單摻SAP，對材料的抗折強度略有提升，但降低了其抗壓強度，可降低干縮率，提高抗開裂能力。

（2）在水泥凈漿中復摻SAP和PEG，對材料的抗折強度與抗壓強度有明顯不利影響，尤其是早期強度；但其可顯著降低材料的干縮率，復摻SAP和PEG的材料抗開裂效果比單摻SAP的更佳；水泥凈漿中的SAP摻量不變，增加PEG摻量時，材料的抗折強度與抗壓強度進一步劣化，降低其干縮率，改善體積穩(wěn)定性。

（3）SAP吸水后分散不均的顆粒團聚使得水泥基材料內部形成微孔洞缺陷，影響其力學性能，PEG不利于水泥水化反應的進行，其對SAP釋放水后的微孔洞及水泥水化產物的微縫隙起填料作用，從而實現(xiàn)干縮率的減小。

參考文獻

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收稿日期：2024-03-15

基金項目：中央引導地方科技項目“廣西典型固體廢棄物道路領域綜合資源化利用技術研發(fā)中心”（編號：桂科ZY21195043）

作者簡介：劉衛(wèi)東（1985—），博士，高級工程師，主要從事道路工程研究與技術咨詢工作。