王瑞，王文彬，王育江，田倩，李磊

（1.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211103；2.高性能土木工程材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江蘇省建筑科學(xué)研究院有限公司，江蘇 南京 210008）

1 標(biāo)準(zhǔn)制定的背景與意義

隨著高性能減水劑的性能提升和廣泛使用，混凝土水膠比越來越低，強(qiáng)度越來越高。根據(jù)Powers的模型，水泥完全水化的水膠比約為0.42，低于這一數(shù)值時(shí)，水膠比越低，自收縮越大，需要從外界補(bǔ)充水分避免內(nèi)部的自干燥。然而，由于高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)致密、滲透性差，常規(guī)的外部養(yǎng)護(hù)水很難進(jìn)入混凝土內(nèi)部[1]，導(dǎo)致自收縮已成為高強(qiáng)混凝土早期收縮開裂的主要原因。近年來，采用高吸水性樹脂內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑的吸水和釋水作用，補(bǔ)充低水膠比混凝土膠材水化所需的水分，減小自收縮，從而解決開裂問題受到了廣泛的研究及應(yīng)用[2-5]。

國內(nèi)外已經(jīng)有較多廠家生產(chǎn)混凝土高吸水性樹脂內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑，并在眾多的工程中得到了應(yīng)用，取得了良好的效果[6-8]。為規(guī)范混凝土高吸水性樹脂內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑產(chǎn)品的品質(zhì)和性能，推進(jìn)混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)技術(shù)的發(fā)展，由中國建筑材料聯(lián)合會(huì)提出，全國水泥制品標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)歸口，江蘇蘇博特新材料股份有限公司和江蘇省建筑科學(xué)研究院有限公司等單位起草制定了建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC/T 2551—2019《混凝土高吸水性樹脂內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑》。該標(biāo)準(zhǔn)已于2019年12月24日發(fā)布，2020年7月1日實(shí)施。為貫徹實(shí)施該標(biāo)準(zhǔn)的具體要求和規(guī)定，結(jié)合實(shí)施1年來的應(yīng)用情況，本文對(duì)主要條款進(jìn)行解讀，以期對(duì)該產(chǎn)品在混凝土工程中的正確使用提供指導(dǎo)，為該標(biāo)準(zhǔn)的后續(xù)修訂和應(yīng)用提供參考。

2 標(biāo)準(zhǔn)制定的主要內(nèi)容與依據(jù)

2.1 標(biāo)準(zhǔn)的名稱

本標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的產(chǎn)品特指應(yīng)用于混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)的高吸水性樹脂，為區(qū)別于GB/T 22905《紙尿褲高吸收性樹脂》和輕集料內(nèi)養(yǎng)護(hù)技術(shù)，在標(biāo)準(zhǔn)制定過程中將標(biāo)準(zhǔn)名稱定為《混凝土高吸水性樹脂內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑》，對(duì)應(yīng)的英文名稱為“Superabsorbent polymer for internal curing of concrete”。

2.2 術(shù)語和定義

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了混凝土高吸水性樹脂內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑、內(nèi)養(yǎng)護(hù)、自收縮、吸液倍率、額外引水量和自收縮率比等6個(gè)術(shù)語的具體定義。

高吸水性樹脂內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑最突出的特點(diǎn)在于其可以吸收數(shù)倍甚至數(shù)百倍于自身質(zhì)量的水。吸液倍率指在規(guī)定條件下，混凝土高吸水性樹脂內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑吸收液體的質(zhì)量與其自身質(zhì)量之比。因?yàn)槠渚哂谐瑥?qiáng)的吸水能力，為保障施工性能，在實(shí)際應(yīng)用中，通常的做法是多加水或?qū)⑵漕A(yù)吸水[9]，用額外引水量進(jìn)行描述，其指在使用混凝土高吸水性樹脂內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑時(shí)額外增加的水的質(zhì)量。

2.3 分類和標(biāo)記

本標(biāo)準(zhǔn)為首次制定，為兼顧不同廠家產(chǎn)品性能，鼓勵(lì)本領(lǐng)域新技術(shù)的進(jìn)步，按照混凝土高吸水性樹脂內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑自收縮率比分為Ⅰ型和Ⅱ型。產(chǎn)品名稱代號(hào)為SAP-IC。標(biāo)記順序依次為產(chǎn)品名稱、型號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)號(hào)。2.4要求與試驗(yàn)方法

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了外觀、通用性指標(biāo)和性能指標(biāo)。

2.4.1 外觀

混凝土高吸水性樹脂內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑外觀需為顏色均勻的粉末，試驗(yàn)方法為觀察法。標(biāo)準(zhǔn)編制中，收集的樣品均為白色或略帶黃色的粉末。

2.4.2 通用性指標(biāo)

混凝土高吸水性樹脂內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑通用性指標(biāo)應(yīng)符合表1的規(guī)定，主要對(duì)影響其抑制自收縮性能的理化性能進(jìn)行了規(guī)定。

表1 通用性指標(biāo)

細(xì)度是所有粉體功能材料的重要指標(biāo)之一，其主要影響使用時(shí)的分散性能?；炷粮呶詷渲瑑?nèi)養(yǎng)護(hù)劑一旦分散不好，出現(xiàn)團(tuán)聚等現(xiàn)象，會(huì)顯著降低其抑制自收縮的性能[10]。本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的細(xì)度試驗(yàn)方法為手工篩析法，因其具有極強(qiáng)的吸水、吸潮性，限定試驗(yàn)時(shí)環(huán)境的濕度不大于60%。

典型樣品的形貌和粒徑如圖1所示，主要粒徑分布范圍為100~300 μm，標(biāo)準(zhǔn)編制中收集的樣品300 μm的篩余最高為4.1%。

圖1 典型樣品的SEM照片及粒徑

在產(chǎn)品的制備過程中，一般不會(huì)引入氯離子。但氯離子對(duì)鋼筋混凝土中鋼筋的腐蝕破壞作用強(qiáng)，為避免潛在的危害，對(duì)氯離子含量進(jìn)行了限定，試驗(yàn)方法按照GB/T 8077《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》進(jìn)行。標(biāo)準(zhǔn)編制過程中，收集的樣品氯離子含量范圍為0.012%~0.05%。

高吸水性樹脂內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑一般由丙烯酸、丙烯酸鈉或丙烯酰胺等單體聚合制備而成，具有超強(qiáng)的吸潮和吸水特性，暴露于空氣中易吸潮，從而影響計(jì)量的準(zhǔn)確性，因此有必要對(duì)其有效含量進(jìn)行檢測(cè)。除含水外，還會(huì)有部分殘留的單體等，基于此，本標(biāo)準(zhǔn)將檢驗(yàn)項(xiàng)目名稱定為揮發(fā)物含量。揮發(fā)物含量的試驗(yàn)方法參照GB/T 22905附錄B進(jìn)行，標(biāo)準(zhǔn)編制中測(cè)試樣品的揮發(fā)物含量范圍為4.0%~9.5%。

吸液倍率與高吸水性樹脂內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑抑制收縮性能息息相關(guān)[11-12]。但并非吸液倍率越高，性能越好。不同類型的產(chǎn)品，因單體組成、結(jié)構(gòu)和制備方法不同，同一個(gè)樣品吸收蒸餾水、自來水及飽和氫氧化鈣水溶液的規(guī)律并不完全相同，有時(shí)甚至完全相反，如圖2所示。

圖2 溶液類型對(duì)吸液倍率的影響

與純水和自來水相比，飽和氫氧化鈣溶液更接近水泥漿體中的孔溶液。本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的吸液倍率以其吸收飽和氫氧化鈣水溶液的能力進(jìn)行衡量。具體試驗(yàn)方法在規(guī)范性附錄A中進(jìn)行了規(guī)定。幾種典型樣品的吸液倍率如表2所示。

表2 幾種典型樣品的吸液倍率

由表2可見，幾種典型樣品的吸液倍率相差較多，最高的吸液倍率為98.0，最低值僅15.2。

2.4.3 性能指標(biāo)

混凝土高吸水性樹脂內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑的性能指標(biāo)應(yīng)符合表3的規(guī)定，表3主要規(guī)定了摻加內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑后受檢砂漿的相關(guān)性能指標(biāo)。

表3 性能指標(biāo)

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的砂漿中水泥與砂的質(zhì)量比為1∶2，受檢砂漿在基準(zhǔn)砂漿水灰比0.35的基礎(chǔ)上再增加額外的引水量，即受檢砂漿的水灰比高于基準(zhǔn)砂漿。未規(guī)定額外引水量和內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑的具體摻量，均采用廠家的推薦值。

凝結(jié)時(shí)間之差是指受檢砂漿與基準(zhǔn)砂漿的凝結(jié)時(shí)間之差，測(cè)試方法參照GB 8076《混凝土外加劑》進(jìn)行。一般情況下，實(shí)際工程中并不希望混凝土凝結(jié)硬化太早或太晚。標(biāo)準(zhǔn)編制過程中實(shí)際測(cè)試的結(jié)果表明，所有收集的樣品基本不影響凝結(jié)時(shí)間。

流動(dòng)度比和抗壓強(qiáng)度比均指受檢砂漿與基準(zhǔn)砂漿相同條件下的比值。其它條件相同的情況下，砂漿水膠比越大，流動(dòng)度越大，抗壓強(qiáng)度越低。摻加混凝土高吸水性內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑后，由于其超強(qiáng)的吸水性，導(dǎo)致砂漿流動(dòng)度降低。因此需要額外引水，勢(shì)必導(dǎo)致強(qiáng)度的降低[13]。如表4所示，砂漿中摻加0.1%內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑后，水膠比由基準(zhǔn)砂漿的0.35增大至0.36~0.41，砂漿流動(dòng)度比分別為55%、67%、73%、89%、95%和102%，降幅逐漸收窄直至基本相等。砂漿28 d抗壓強(qiáng)度則隨水膠比的增大而逐漸降低。其中，0.36水膠比砂漿因流動(dòng)性太差，以致不能成型；其余總水膠比從0.37增大到0.41的砂漿抗壓強(qiáng)度比分別為100%、97%、88%、88%和82%。水膠比的增大，即額外引水量的增加，雖然可以增大砂漿的流動(dòng)度，但與此同時(shí)帶來的副作用是抗壓強(qiáng)度的降低?？箟簭?qiáng)度是實(shí)際工程最重要的指標(biāo)，不能有明顯的降低；而流動(dòng)度可以通過增加減水劑等措施進(jìn)行調(diào)整。綜合編制過程中所有樣品的數(shù)據(jù)，本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定流動(dòng)度比不低于60%，7 d和28 d抗壓強(qiáng)度比不低于80%和95%。

表4 摻加典型內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑砂漿的流動(dòng)度和28 d抗壓強(qiáng)度

降低水泥基材料的自收縮，從而減小混凝土的開裂風(fēng)險(xiǎn)，是內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑最重要的作用[14-15]。本標(biāo)準(zhǔn)以7 d齡期時(shí)受檢砂漿與基準(zhǔn)砂漿自收縮率之比（自收縮率比）對(duì)混凝土高吸水性內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑抑制自收縮性能進(jìn)行評(píng)定。根據(jù)自收縮率比大小，本標(biāo)準(zhǔn)將產(chǎn)品分為Ⅰ型和Ⅱ型，其中Ⅰ型品自收縮率比介于0~50%之間；Ⅱ型品自收縮率比≤0，即意味著Ⅱ型品內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑完全抑制了受檢砂漿的自收縮，甚至產(chǎn)生膨脹。

水泥基材料的自收縮指其在恒溫、無約束且密封條件下，自身宏觀體積的減小。在實(shí)際測(cè)試中，不同組織或國家對(duì)零點(diǎn)的選取各異，RELIM是從加水開始計(jì)算，日本混凝土協(xié)會(huì)JCI從初凝開始計(jì)算，美國混凝土協(xié)會(huì)ACI從終凝開始計(jì)算，GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》早期自身體積變形從初凝開始計(jì)算。

本標(biāo)準(zhǔn)采用JCI[16]和GB/T 50082—2009的描述，自收縮定義為水泥基材料在恒溫、無約束及密封條件下，從初凝開始自身體積的減小。測(cè)試方法參考ASTM-C1698，將水泥基材料密封在低密度聚乙烯波紋管內(nèi)，通過位移傳感器監(jiān)測(cè)波紋管試件長度變化來表征其自收縮變形；并將具體方法寫進(jìn)了規(guī)范性附錄B，測(cè)試儀器如圖3所示。在實(shí)際操作中，需要同步采用貫入阻力儀進(jìn)行凝結(jié)時(shí)間測(cè)試，以便確定零點(diǎn)。

圖3 自收縮率測(cè)試儀示意

按照上述方法測(cè)試的2種典型樣品的自收縮變形曲線如圖4所示，其中膨脹變形為正值，收縮為負(fù)值。

圖4 典型樣品的自收縮變形曲線

由圖4可見，基準(zhǔn)砂漿的自收縮變形隨齡期延長，先發(fā)生膨脹變形，后轉(zhuǎn)變?yōu)槌掷m(xù)的收縮。相關(guān)研究也表明[17]，采用本方法測(cè)試變形時(shí)，試件早期通常會(huì)表現(xiàn)出階段性膨脹，造成這種膨脹的原因有泌水回吸、鈣礬石或氫氧化鈣等水化產(chǎn)物的生成和熱變形等。通常認(rèn)為泌水回吸可能是造成這種階段性膨脹的主要原因。摻加典型樣品1和樣品2的自收縮變形趨勢(shì)類似，即早期膨脹隨后收縮。但與基準(zhǔn)砂漿不同的是，摻加樣品1的砂漿7 d齡期時(shí)，自收縮變形仍為正值，即表現(xiàn)為微微的膨脹；摻樣品2的砂漿盡管7 d齡期自收縮變形為負(fù)值，即表現(xiàn)為收縮，但與基準(zhǔn)相比，收縮絕對(duì)值顯著減小；二者7 d自收縮率比分別為-11%和25%。

3 結(jié) 語

JC/T 2551—2019填補(bǔ)了國內(nèi)外混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的空白。在標(biāo)準(zhǔn)編制過程中通過廣泛調(diào)研，借鑒了國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，體現(xiàn)了高吸水性樹脂內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑的特點(diǎn)，符合我國相關(guān)法規(guī)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)要求，與現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)相協(xié)調(diào)，完善了混凝土抗裂技術(shù)，推動(dòng)了相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，有利于混凝土工程質(zhì)量的不斷提高。