全 文 ：第 10 卷第 2 期
2007年 4月
建　筑　材　料　学　报
JOURNAL OF BUILDING M ATERIALS
　 Vol. 10 , No . 2
Apr. , 2007
收稿日期:2006 - 04 - 29;修订日期:2006 - 08 - 23
基金项目:合肥工业大学科学研究基金资助项目(040803F)
作者简介:詹炳根(1964 -),男 ,安徽庐江人 ,合肥工业大学副教授 ,硕士.
　　文章编号:1007 - 9629(2007)02 - 0148 - 06
掺聚丙烯酸酯类 SAP低水灰比水泥浆水化研究
詹炳根 , 　丁以兵
(合肥工业大学 土木建筑工程学院 ,安徽 合肥 230009)
摘要:在新拌水泥浆中掺入不同数量的聚丙烯酸酯类高分子超强吸水剂(SAP),然后置
于温度 35 ℃、相对湿度 10%的环境中养护 56 d ,再采用 TG 测量水泥浆的水化度并用
XRD进行验证.结果表明 ,与未掺聚丙烯酸酯类 SAP 水泥浆相比 ,掺聚丙烯酸酯类 SAP
水泥浆的水化度更高 ,整体水化更均匀 ,因此聚丙烯酸酯类 SAP 可作为高性能混凝土的
自养护剂.
关键词:高性能混凝土;自养护;水化;高分子超强吸水剂
中图分类号:TU528　　　文献标识码:A
Hydration of Cement Paste with Low Water-Cement Ratio
Incorporating Polyacrylate Super-absorbent Polymer
Z H AN B ing-gen , 　DING Yi-bing
(School of Civil Eng ineering , Hefei Unive rsity of Techno logy , Hefei 230009 , China)
Abstract:To understand the self-curing effect of poly acry late super-absorbent polymer(SA P) in
high performance concrete(HPC), the hydrat ion of cement paste inco rpo rating poly acry late SAP
under ho t and dry condi tion w as investigated. Vary ing amounts o f po lyacry late SAP w ere added
to cement paste , the specimens w ere exposed to a temperature of 35 ℃ and a rela tive humidity of
10% for 56 d. The degree of hydration of cement paste w ith various mix ture designs w as mea-
sured by the rmog ravimetry(TG). M oreover , the conclusion w as test ified by X-ray diff raction
(XRD). The results show that the higher deg ree of hydration and mo re uniform in hydration
were found in cement paste w ith po lyacry late SAP compared w ith the specimens wi thout poly-
acry late SAP. The study suggests poly acrylate SAP could be used as a self-curing agent in HPC.
Key words:high perfo rmance concrete;self-curing;hydration;super-abso rbent polyme r(SA P)
　　高性能混凝土(HPC)通常采用低水灰比技术途径获得 ,这样其易产生较大的自收缩而引起结
构开裂 ,同时未完全水化水泥后期的水化也会产生“湿涨开裂”问题[ 1] . 解决上述问题的关键是提高
HPC内部的相对湿度 ,促进水泥水化.然而 HPC 通常结构致密 ,采用常规养护方法从外部引入养
护水比较困难[ 2] ,因此 ,一些学者提出直接在 HPC内部引入水分进行自养护[ 3] .在 HPC 中采用部
分多孔轻集料[ 4 , 5] ,利用轻集料的孔隙预吸水 ,而后在水泥浆硬化过程中释放出水分以供水泥水化
就是自养护方法之一.试验证实自养护方法对抑制 HPC 自收缩有一定的作用 ,但也存在一些负面
影响 ,如 HPC 和易性变差 、强度有较大程度的降低等.为克服上述弊端 , Jenson 等提出用超强吸水
剂引水 ,并证明该方法可以提高 HPC 内部的相对湿度 ,降低其自收缩 ,是 HPC 最适宜的自养护技
术[ 6 , 7] . 但评价一种自养护技术是否适宜 ,最有说服力的证据是显示其对水泥水化是否有正面影
响 ,而至今仍未发现相关报道.为此 ,本文进行了相关的研究.
1　试验
1. 1　原材料与配合比
水泥为海螺牌 P Ⅰ42. 5级硅酸盐水泥;自养护剂为聚丙烯酸酯类高分子超强吸水剂(SAP).
试验配比见表 1 ,其中:A1为基准水泥浆;为验证 Jensen[ 6] 提出的最小引水公式且实现自养护 ,在
A1基础上依 Jensen 最小引水公式增加引水量(mw /mc)e(当 mw /mc ≤0. 36 , (mw /mc)e =0. 18×
(mw /m c)),使总的水灰比达到 0. 35((mw /mc)+(mw /mc)e =0. 35),形成 A2 水泥浆;在 A2基础
上 ,掺 3种不同掺量且已预吸水的聚丙烯酸酯类 SAP ,形成对照组 A3 ,A4 , A5水泥浆.
表 1　试验配合比
Table 1　Mix proportions in test
Code Water-cemen t ratio 　Amount of water /k g Amount of cemen t /kg SAP con tent(by mass of cem en t) /%
A1 0. 30 170 567 0
A2 0. 35 198 567 0
A3 0. 35 198 567 0. 06
A4 0. 35 198 567 0. 20
A5 0. 35 198 567 0. 40
1. 2　试验方法
将水泥与聚丙烯酸酯类 SAP 混合并慢搅120 s ,同时徐徐加入拌和水.暂停搅拌15 s后再快速
搅拌 150 s ,然后将水泥浆装入圆模(直径为 75 mm ,高度为 40 mm)中成型. 用薄膜封闭圆形试件
侧面 、底面(以控制其水分蒸发),再将露出上面的圆形试件置于温度为 35 ℃、相对湿度为 10%的
养护室中养护 56 d ,取出并立即破形.取试件表层与底层浆体 ,用无水乙醇中止水化后置于 100 ℃
干燥箱中干燥至恒重(以脱去游离水分),研磨并筛取粒径小于 0. 08 mm 的粉末 ,然后以国产 ZRY
- 2综合热分析仪和日本理学 D /M ax-rB 衍射仪分别进行 TG 和 XRD分析.
2　试验结果与分析
2. 1　TG试验结果
A1 ,A2 , A5水泥浆 TG试验结果分别见图 1 ,2 ,3.
(a) Top layer (b) Bot tom layer
图 1　A1 水泥浆 TG 试验结果
Fig. 1　TG results of A1 cement paste
149　第 2 期 詹炳根 , 等:掺聚丙烯酸酯类 SAP 低水灰比水泥浆水化研究　　　
(a) Top layer (b) Bot tom layer
图 2　A2 水泥浆 TG 试验结果
Fig. 2　TG results of A2 cement paste
(a) Top layer (b) Bot tom layer
图 3　A5 水泥浆 TG 试验结果
Fig. 3　TG results of A5 cement paste
2. 2　水泥水化度
文献[ 8]依据参与水泥水化的化学结合水量 mW 与胶凝材料量 mC+S之比大致为 0. 23 ,推出胶
凝材料水化度为 mW /(0. 23 ×mC+S) .文献[ 9]认为硬化水泥浆体内部自由水分在 100 ℃左右的温
度下沸腾 ,当温度达到 140 ℃时将转化为气体释放 ,因此选取 150 ～ 950 ℃范围内的水泥浆质量损
失量为化学结合水量.文献[ 10]将 650 ～ 750 ℃左右出现的碳酸钙分解换算为氢氧化钙生成所需的
化学结合水量 ,同时扣除 SAP 热分解造成的水泥浆质量损失.笔者综合上述文献研究结果与本文
TG试验结果(见表 2),以公式(2)来计算某水化龄期(t)水泥浆的水化度α(t)
α(t) = ∑
650
i=15 0
w i +18 ×∑750
j=650
w j /44 +∑950
k=750
w k - 0. 47 ×mSAP /(mSAP +mc)
0. 23× 1 - ∑650
i=150
w i +18 ×∑750
j=650
w j /44 +∑950
k=750
wk - 0. 47 ×mSAP /(mSAP +mc)
(2)
式中:w i ,w j 和 w k 分别为温度 i , j和 k 时水泥浆的微分失重率;mSAP为 SAP 的用量;0. 47为 SAP
在 600 ℃以下的质量损失率;m c 为水泥用量.表 3列出了由公式(2)计算得到的水泥浆的水化度.
表 2　水泥浆质量损失率
Table 2　Mass loss rate of cement paste %
Temperature /℃ A1 t A1b A2t A2 b A3t A3b A4 t A4b A5t A5b
150～ 300(CSH , AFt) - 1. 99 - 2. 07 - 0. 78 - 2. 02 - 1. 86 - 1. 95 - 2. 07 - 2. 45 - 2. 57 - 2. 63
300～ 500(CH , CAH) - 3. 66 - 3. 83 - 1. 61 - 3. 71 - 2. 65 - 3. 80 - 4. 03 - 5. 31 - 4. 85 - 4. 79
500～ 950(CAH ,
CAFH , CaCO 3) - 2. 30 - 3. 42 - 5. 29 - 4. 72 - 7. 14 - 3. 82 - 4. 81 - 2. 59 - 3. 03 - 3. 03
650～ 750 (CaCO 3) - 0. 78 - 1. 65 - 3. 18 - 2. 96 - 4. 79 - 2. 40 - 2. 85 - 1. 08 - 1. 36 - 1. 42
350～ 600 (SAP) 0 0 0 0 - 0. 03 - 0. 03 - 0. 09 - 0. 09 - 0. 19 - 0. 19
　　Note:t rep resents the top layer of cement pas te;brepres ents the bot tom layer of cem en t paste.
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2. 3　TG试验结果分析
(1)A 1 ,A2水泥浆在 50 ～ 150 ℃时的游离水质量损失结果(见图 1 ,2)表明 ,水泥浆表层游离水
的含量小于底层 ,其中尤以 A2更显著.这说明水分迁移造成了水泥水化的不均匀性.水灰比越大 ,
水泥浆游离水质量损失越显著[ 11] ,其水化的不均匀性也更加剧 ,相应的干缩与塑性变形也会更严
重.但是在 A2内部引入聚丙烯酸酯类 SA P ,其游离水含量有不同程度的提高 ,尤其是表层区域(见
图 3),说明聚丙烯酸酯类 SAP 通过自身对水分子的拖曳改变了混凝土内部的湿度分布梯度 ,控制
了混凝土水分的过量散失 ,降低了不同区域水泥的水化差异.
表 3　水泥浆的水化度
Table 3　Degree of hydration of cement paste
Cement pas te
Am ount of w ater /g
Water in cement
paste at t=0
Water chemically
bound for α=1
Water ch emically
bound by measured
α(t)
A1t 170 130 45. 8 0. 35
A1b 170 130 51. 5 0. 40
A2t 198 130 34. 8 0. 27
A2b 198 130 53. 9 0. 41
A3t 198 130 54. 7 0. 42
A3b 198 130 52. 0 0. 39
A4t 198 130 57. 5 0. 44
A4b 198 130 60. 8 0. 46
A5t 198 130 59. 6 0. 45
A5b 198 130 60. 1 0. 45
　　(2)由表 3可见:虽然 A 2的水灰比较 A1高 ,但是其游离水质量损失较大 ,因而其水化程度并
不比 A1高.而 A3 ,A4 ,A5水化度基本上比 A2有大幅度的提高 ,尤其是表层 , 且不同区域水泥浆
水化的差异性缩小了.这是因为具有保水性能的聚丙烯酸酯类 SAP 通过吸水控制了 HPC 水分的
散失 ,而饱水后的聚丙烯酸酯类 SAP 会随着水化的进行 ,在毛细孔负压以及其对水分子拖曳的共
同作用下释放额外的水以供微区水泥水化 ,并且具有足够细度的聚丙烯酸酯类 SAP 能避开 HPC
致密的结构层而直接分散于混凝土内部 ,形成多个均匀的高湿度微区 ,有效地降低了其内部的湿度
分布梯度 ,促进了水泥水化 ,控制了其自收缩变形.因此自养护技术可克服 HPC 外部养护效果不
敏感的问题 ,取得良好的养护效果.
(3)由表 3还可以看到 ,即使是采用自养护方式 ,各配比水泥浆的水化也不完全 ,水泥水化度仍
然较低. Pow ers认为:1 g 水泥约需结合 0. 23 g 化学结合水以及 0. 19 g 凝胶水(水灰比约为0. 42)
才能完全水化 ,否则就会存在大量的未水化水泥 ,而大量的未水化水泥颗粒的后期水化作用可能会
对 HPC结构产生不良影响[ 12] . 由于本研究中聚丙烯酸酯类 SA P 引水量是依据 Jensen公式[ 6] 确定
的 ,因此该公式有修正的必要.
2. 4　XRD试验结果与分析
图4 ,5分别为A2 ,A5水泥浆的 XRD试验结果.由图 4 ,5可以看出 ,二者水化产物的区别首先
表现为 Ca(OH)2 数量的不同. A2表层水泥浆 Ca(OH)2(001)晶面衍射峰计数峰强为 994 cps ,而
A5表层水泥浆Ca(OH)2(001)晶面衍射峰计数峰强为1 611 cps ,即掺聚丙烯酸酯类 SAP 的A5表
层水泥浆 Ca(OH)2(001)晶面衍射峰计数峰强比未掺加聚丙烯酸酯类 SA P 的A 2表层水泥浆上升
了 62%.同样 ,A5底层水泥浆 Ca(OH)2(001)晶面衍射峰计数峰强也比 A2底层水泥浆高. 由于峰
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高比客观地反映了水泥水化程度[ 13 , 14] ,再加上 A2与 A5水泥浆成分相同 ,质量相同 ,且 Ca(OH)2
(001)晶面衍射峰为非叠合峰 ,故其计数强度反映了 2种水泥浆不同的水化程度 ,即掺聚丙烯酸酯
类 SAP 水泥浆 A5在水化过程中生成的 Ca(OH)2 的数量明显多于 A2.
(a) Top layer (b) Bot tom layer
图 4　A2 水泥浆 XRD 试验结果
Fig. 4　XRD of A2 cement paste
(a) Top layer (b) Bot tom layer
图 5　A5 水泥浆 XRD 试验结果
Fig. 5　XRD of A5 cement paste
　　由图 4 , 5还可以看出 ,A2表层与底层水泥浆 Ca(OH)2(001)晶面衍射峰计数峰强相差 - 228
cps ,未水化物质 Alite ,Beli te , β-C2S 在 d=0. 303 nm 处的叠合峰计数峰强相差405 cps ,说明A2表
层与底层水泥水化程度差异显著;而 A5表层与底层水泥浆 Ca(OH)2(001)晶面衍射峰计数峰强
相差 62 cps ,未水化物质 Alite , Belite , β-C2S 在 d=0. 303 nm 处的叠合峰计数峰强相差 30 cps ,说
明 A5表层与底层水泥水化程度有一定差异 ,但不明显. 产生上述现象的原因是:干热环境下 ,样品
水分损失严重 ,其内部湿度呈梯度变化 ,表层湿度较低 ,水化不完全;而底层由于上部水泥较快硬化
形成致密结构而避免了一定的水分损失 ,使水化更为完全.
XRD分析结果表明 ,掺加聚丙烯酸酯类 SAP 不仅提高了水泥浆的水化程度 ,而且还大幅度减
小了其内部不同区域的水化差异. 该结论与 TG 试验结果一致 ,说明掺聚丙烯酸酯类 SAP 的水泥
浆体水化较充分且均匀 ,因此 SAP 可作为高性能混凝土自养护剂使用.
3　结论
1. 高水灰比水泥浆在不利的养护环境下若不采取保水措施 ,其水化程度可能比低水灰比水泥
浆低 ,尤其是表层区域.而掺加聚丙烯酸酯类 SAP 可有效控制水分散失 ,有利于水泥水化 ,并使不
同部位水化趋于均匀.
2. 按 Jensen公式计算所得的引水量不足以使自养护水泥浆完全水化 ,需进行改进 ,以利用聚
丙烯酸酯类 SA P 多引水来进一步提高水泥的水化.
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