JC/T 2551—2019《混凝土高吸水性树脂内养护剂》标准解读

2021-12-30王瑞王文彬王育江田倩李磊

新型建筑材料 2021年12期

王瑞，王文彬，王育江，田倩，李磊

（1.江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏南京 211103；2.高性能土木工程材料国家重点实验室江苏省建筑科学研究院有限公司，江苏南京 210008）

1 标准制定的背景与意义

随着高性能减水剂的性能提升和广泛使用，混凝土水胶比越来越低，强度越来越高。根据Powers的模型，水泥完全水化的水胶比约为0.42，低于这一数值时，水胶比越低，自收缩越大，需要从外界补充水分避免内部的自干燥。然而，由于高强混凝土结构致密、渗透性差，常规的外部养护水很难进入混凝土内部[1]，导致自收缩已成为高强混凝土早期收缩开裂的主要原因。近年来，采用高吸水性树脂内养护剂的吸水和释水作用，补充低水胶比混凝土胶材水化所需的水分，减小自收缩，从而解决开裂问题受到了广泛的研究及应用[2-5]。

国内外已经有较多厂家生产混凝土高吸水性树脂内养护剂，并在众多的工程中得到了应用，取得了良好的效果[6-8]。为规范混凝土高吸水性树脂内养护剂产品的品质和性能，推进混凝土内养护技术的发展，由中国建筑材料联合会提出，全国水泥制品标准化技术委员会归口，江苏苏博特新材料股份有限公司和江苏省建筑科学研究院有限公司等单位起草制定了建材行业标准JC/T 2551—2019《混凝土高吸水性树脂内养护剂》。该标准已于2019年12月24日发布，2020年7月1日实施。为贯彻实施该标准的具体要求和规定，结合实施1年来的应用情况，本文对主要条款进行解读，以期对该产品在混凝土工程中的正确使用提供指导，为该标准的后续修订和应用提供参考。

2 标准制定的主要内容与依据

2.1 标准的名称

本标准所规定的产品特指应用于混凝土内养护的高吸水性树脂，为区别于GB/T 22905《纸尿裤高吸收性树脂》和轻集料内养护技术，在标准制定过程中将标准名称定为《混凝土高吸水性树脂内养护剂》，对应的英文名称为“Superabsorbent polymer for internal curing of concrete”。

2.2 术语和定义

本标准规定了混凝土高吸水性树脂内养护剂、内养护、自收缩、吸液倍率、额外引水量和自收缩率比等6个术语的具体定义。

高吸水性树脂内养护剂最突出的特点在于其可以吸收数倍甚至数百倍于自身质量的水。吸液倍率指在规定条件下，混凝土高吸水性树脂内养护剂吸收液体的质量与其自身质量之比。因为其具有超强的吸水能力，为保障施工性能，在实际应用中，通常的做法是多加水或将其预吸水[9]，用额外引水量进行描述，其指在使用混凝土高吸水性树脂内养护剂时额外增加的水的质量。

2.3 分类和标记

本标准为首次制定，为兼顾不同厂家产品性能，鼓励本领域新技术的进步，按照混凝土高吸水性树脂内养护剂自收缩率比分为Ⅰ型和Ⅱ型。产品名称代号为SAP-IC。标记顺序依次为产品名称、型号和标准号。2.4要求与试验方法

本标准规定了外观、通用性指标和性能指标。

2.4.1 外观

混凝土高吸水性树脂内养护剂外观需为颜色均匀的粉末，试验方法为观察法。标准编制中，收集的样品均为白色或略带黄色的粉末。

2.4.2 通用性指标

混凝土高吸水性树脂内养护剂通用性指标应符合表1的规定，主要对影响其抑制自收缩性能的理化性能进行了规定。

表1 通用性指标

细度是所有粉体功能材料的重要指标之一，其主要影响使用时的分散性能。混凝土高吸水性树脂内养护剂一旦分散不好，出现团聚等现象，会显著降低其抑制自收缩的性能[10]。本标准规定的细度试验方法为手工筛析法，因其具有极强的吸水、吸潮性，限定试验时环境的湿度不大于60%。

典型样品的形貌和粒径如图1所示，主要粒径分布范围为100~300 μm，标准编制中收集的样品300 μm的筛余最高为4.1%。

图1 典型样品的SEM照片及粒径

在产品的制备过程中，一般不会引入氯离子。但氯离子对钢筋混凝土中钢筋的腐蚀破坏作用强，为避免潜在的危害，对氯离子含量进行了限定，试验方法按照GB/T 8077《混凝土外加剂匀质性试验方法》进行。标准编制过程中，收集的样品氯离子含量范围为0.012%~0.05%。

高吸水性树脂内养护剂一般由丙烯酸、丙烯酸钠或丙烯酰胺等单体聚合制备而成，具有超强的吸潮和吸水特性，暴露于空气中易吸潮，从而影响计量的准确性，因此有必要对其有效含量进行检测。除含水外，还会有部分残留的单体等，基于此，本标准将检验项目名称定为挥发物含量。挥发物含量的试验方法参照GB/T 22905附录B进行，标准编制中测试样品的挥发物含量范围为4.0%~9.5%。

吸液倍率与高吸水性树脂内养护剂抑制收缩性能息息相关[11-12]。但并非吸液倍率越高，性能越好。不同类型的产品，因单体组成、结构和制备方法不同，同一个样品吸收蒸馏水、自来水及饱和氢氧化钙水溶液的规律并不完全相同，有时甚至完全相反，如图2所示。

图2 溶液类型对吸液倍率的影响

与纯水和自来水相比，饱和氢氧化钙溶液更接近水泥浆体中的孔溶液。本标准规定的吸液倍率以其吸收饱和氢氧化钙水溶液的能力进行衡量。具体试验方法在规范性附录A中进行了规定。几种典型样品的吸液倍率如表2所示。

表2 几种典型样品的吸液倍率

由表2可见，几种典型样品的吸液倍率相差较多，最高的吸液倍率为98.0，最低值仅15.2。

2.4.3 性能指标

混凝土高吸水性树脂内养护剂的性能指标应符合表3的规定，表3主要规定了掺加内养护剂后受检砂浆的相关性能指标。

表3 性能指标

本标准规定的砂浆中水泥与砂的质量比为1∶2，受检砂浆在基准砂浆水灰比0.35的基础上再增加额外的引水量，即受检砂浆的水灰比高于基准砂浆。未规定额外引水量和内养护剂的具体掺量，均采用厂家的推荐值。

凝结时间之差是指受检砂浆与基准砂浆的凝结时间之差，测试方法参照GB 8076《混凝土外加剂》进行。一般情况下，实际工程中并不希望混凝土凝结硬化太早或太晚。标准编制过程中实际测试的结果表明，所有收集的样品基本不影响凝结时间。

流动度比和抗压强度比均指受检砂浆与基准砂浆相同条件下的比值。其它条件相同的情况下，砂浆水胶比越大，流动度越大，抗压强度越低。掺加混凝土高吸水性内养护剂后，由于其超强的吸水性，导致砂浆流动度降低。因此需要额外引水，势必导致强度的降低[13]。如表4所示，砂浆中掺加0.1%内养护剂后，水胶比由基准砂浆的0.35增大至0.36~0.41，砂浆流动度比分别为55%、67%、73%、89%、95%和102%，降幅逐渐收窄直至基本相等。砂浆28 d抗压强度则随水胶比的增大而逐渐降低。其中，0.36水胶比砂浆因流动性太差，以致不能成型；其余总水胶比从0.37增大到0.41的砂浆抗压强度比分别为100%、97%、88%、88%和82%。水胶比的增大，即额外引水量的增加，虽然可以增大砂浆的流动度，但与此同时带来的副作用是抗压强度的降低。抗压强度是实际工程最重要的指标，不能有明显的降低；而流动度可以通过增加减水剂等措施进行调整。综合编制过程中所有样品的数据，本标准规定流动度比不低于60%，7 d和28 d抗压强度比不低于80%和95%。

表4 掺加典型内养护剂砂浆的流动度和28 d抗压强度

降低水泥基材料的自收缩，从而减小混凝土的开裂风险，是内养护剂最重要的作用[14-15]。本标准以7 d龄期时受检砂浆与基准砂浆自收缩率之比（自收缩率比）对混凝土高吸水性内养护剂抑制自收缩性能进行评定。根据自收缩率比大小，本标准将产品分为Ⅰ型和Ⅱ型，其中Ⅰ型品自收缩率比介于0~50%之间；Ⅱ型品自收缩率比≤0，即意味着Ⅱ型品内养护剂完全抑制了受检砂浆的自收缩，甚至产生膨胀。

水泥基材料的自收缩指其在恒温、无约束且密封条件下，自身宏观体积的减小。在实际测试中，不同组织或国家对零点的选取各异，RELIM是从加水开始计算，日本混凝土协会JCI从初凝开始计算，美国混凝土协会ACI从终凝开始计算，GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》早期自身体积变形从初凝开始计算。

本标准采用JCI[16]和GB/T 50082—2009的描述，自收缩定义为水泥基材料在恒温、无约束及密封条件下，从初凝开始自身体积的减小。测试方法参考ASTM-C1698，将水泥基材料密封在低密度聚乙烯波纹管内，通过位移传感器监测波纹管试件长度变化来表征其自收缩变形；并将具体方法写进了规范性附录B，测试仪器如图3所示。在实际操作中，需要同步采用贯入阻力仪进行凝结时间测试，以便确定零点。

图3 自收缩率测试仪示意

按照上述方法测试的2种典型样品的自收缩变形曲线如图4所示，其中膨胀变形为正值，收缩为负值。

图4 典型样品的自收缩变形曲线

由图4可见，基准砂浆的自收缩变形随龄期延长，先发生膨胀变形，后转变为持续的收缩。相关研究也表明[17]，采用本方法测试变形时，试件早期通常会表现出阶段性膨胀，造成这种膨胀的原因有泌水回吸、钙矾石或氢氧化钙等水化产物的生成和热变形等。通常认为泌水回吸可能是造成这种阶段性膨胀的主要原因。掺加典型样品1和样品2的自收缩变形趋势类似，即早期膨胀随后收缩。但与基准砂浆不同的是，掺加样品1的砂浆7 d龄期时，自收缩变形仍为正值，即表现为微微的膨胀；掺样品2的砂浆尽管7 d龄期自收缩变形为负值，即表现为收缩，但与基准相比，收缩绝对值显著减小；二者7 d自收缩率比分别为-11%和25%。