CN109444390B - 高吸水性树脂在模拟裂缝中再膨胀率的测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明高吸水性树脂在模拟裂缝中再膨胀率的测量方法。该方法将容器管置于盖板上，将单颗粒高吸水性树脂置于容器管中央，然后浇筑已拌合好的水泥浆；用胶带将硬化水泥浆表面覆盖，仅暴露单颗粒高吸水性树脂位置；在试样表面放置盖板，用钢针将盖板和试样隔开；四周注入少量粘结剂粘结；随后取出钢针，得到模拟裂缝。通过测定浸水后单颗粒高吸水性树脂填充裂缝的面积，获得单颗粒高吸水性树脂的再膨胀率。该方法简单有效，可用于研究硬化水泥浆中高吸水性树脂在模拟裂缝中的再膨胀行为，有助于研究水泥浆组成、环境溶液性质和裂缝宽度对单颗粒高吸水性树脂愈合裂缝效率的影响，也可用于预测一定组成水泥浆中SAP在特定环境中的裂缝愈合效果。

Description

高吸水性树脂在模拟裂缝中再膨胀率的测量方法
技术领域
本发明属于水泥混凝土领域，特别是采用高吸水性树脂(SAP)提高混凝土自愈合能力的技术领域。
背景技术
在有水环境和高湿度环境(如90％湿度)中，SAP可促进混凝土裂缝的自愈合。当SAP与混凝土拌合时，吸收混凝土中的拌合水并发生膨胀；当混凝土硬化后，SAP释放吸收的水分并收缩，从而在混凝土中留下初始孔洞，这些孔洞相当于宏观缺陷。当外部荷载较高时，裂缝沿SAP初始孔洞产生。在有水环境中，裂缝处的SAP能够吸收大量水，发生膨胀并堵塞裂缝，从而降低开裂混凝土的水渗透性。在高湿度环境中，SAP吸收环境中的水分并给予混凝土，可促进裂缝处未水化水泥的水化和氢氧化钙的碳化，生成愈合产物并修复裂缝。
文献1(Lee,H.X.D.,Wong,H.S.,Buenfeld,N.R.Self-sealing of cracks inconcrete using superabsorbent polymers,Cement and Concrete Research,2016,79:194-208.)中公布了一种评价SAP愈合裂缝的方法——水渗透试验。将直径100mm、高150mm的试样劈裂成两部分，将一定宽度的有机玻璃条置于两部分试样之间，用不锈钢环将试样箍住，通过调整玻璃条厚度得到一定宽度的裂缝。裂缝表面与进水管连接，并用硅胶密封；进水管另一端连接装有测试溶液的水箱，水箱置于高处，水箱中水面与试样表面高度差为4m。通过测量流过混凝土裂缝溶液的质量评价SAP的裂缝愈合效果。
文献2(Snoeck,D.,Steuperaert,S.,Van Tittelboom,K.,Dubruel,P.,De Belie,N.Visualization of water penetration in cementitious materials withsuperabsorbent polymers by means of neutron radiography,Cement and ConcreteResearch,2012,42(8):1113-1121.)中公布了一种评价SAP愈合裂缝的方法——中子衍射照相。将含SAP的混凝土制成300×100×100mm的试样，试样内置钢筋。养护7天后，通过三点弯试验在试样中制作一定宽度的裂缝。将预开裂的试样在50℃环境中干燥16天，随后将试样裂缝面浸在水中，浸水深度为3.5mm。中子衍射照相试验所采用的中子束的电流为1.5mA，当热中子射入混凝土时，可探测氢原子的分布，进而获得混凝土中水的分布。通过裂缝附近水的分布评价SAP的裂缝愈合效果。
文献3(Snoeck,D.,Dewanckele,J.,Cnudde,V.,De Belie,N.X-ray computedmicrotomography to study autogenous healing of cementitious materialspromoted by superabsorbent polymers,Cement and Concrete Composites,2016,65:83-93.)中公布了一种评价SAP愈合裂缝的方法——X射线断层扫描。将含SAP的混凝土制成直径6mm、高10mm的试样，养护28天后通过巴西劈裂试验在试样中制作一定宽度的裂缝。将试样在不同湿度环境中放置28天后进行愈合试验。愈合试验前后均进行X射线断层扫描测试，扫描图像的分辨率为12μm。通过对扫描图像进行重构，获得裂缝处愈合产物的三维分布，以评价SAP的裂缝愈合效果。
上述技术的不足在于：均需在混凝土中预制裂缝，但裂缝的宽度和弯曲度难以控制；与此同时，预制裂缝的过程可能造成SAP颗粒破坏，从而影响SAP的裂缝愈合能力。此外，中子衍射照相试验需对试样进行长期干燥，以排出混凝土内部水分；对于孔隙率低的混凝土，干燥周期更长。X射线断层扫描测试结果的处理耗时严重，难以进行大量重复试验。此外，SAP愈合裂缝的关键在于其能够在开裂混凝土中再次膨胀，上述技术操作较为复杂，仅能定性评价SAP促进裂缝愈合的效果或验证愈合产物的存在，无法获得单颗粒高吸水性树脂在裂缝中再膨胀过程的动力学信息，从而无法深入解析SAP愈合裂缝的机理。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种方法简单、易操作，可观测SAP再膨胀过程中的形貌的高吸水性树脂在模拟裂缝中再膨胀率的测量方法。
本发明的技术方案如下：一种硬化水泥浆中高吸水性树脂在模拟裂缝中再膨胀率的测量方法，所述测量方法为：首先将容器管置于玻璃板上，将单颗粒高吸水性树脂置于容器管内部，然后浇筑水泥浆；用胶带将硬化水泥浆表面覆盖，仅暴露单颗粒高吸水性树脂位置；在试样表面放置透明玻璃片，用数根钢针将玻璃片和试样隔开；在试样四周注入少量胶水以粘结玻璃片和试样；随后取出钢针，得到模拟裂缝。通过测定浸水后SAP填充裂缝的面积，获得单颗粒高吸水性树脂的再膨胀率。
进一步，所述测量方法具体包括以下步骤：
S1:首先将容器管置于玻璃板上，再称取一定质量的单颗粒高吸水性树脂，将称取的单颗粒高吸水性树脂置于容器管内部的中央；
S2：将预拌好的水泥浆浇筑在S1的单颗粒高吸水性树脂表面，得到试样；
S3：将浇筑好的试样在温度为18-22摄氏度，湿度>95％，下养护3天；
S4：用透明薄胶带将经S3处理后的试样表面封住，去除单颗粒高吸水性树脂表面胶带以使单颗粒高吸水性树脂暴露；
S5：将盖板置于经S4处理后的试样表面，将所述盖板涂抹粘结剂的位置用透明胶带包裹；
S6：用数根钢针将盖板和试样隔开，在试样边缘涂抹少量粘结剂，以粘结玻盖板和试样；
S7：待粘结剂硬化后，将钢针拔出，硬化水泥浆和盖板之间的空隙即为所设计的模拟裂缝，将试样在去离子水中浸泡1天，用滤纸将模拟裂缝中溶液吸出，得到单颗粒高吸水性树脂再膨胀后填充在模拟裂缝中的体积V，结合单颗粒高吸水性树脂的初始体积V0，代入以下公式，求出再膨胀率η:
Figure BDA0001910340850000041
进一步，所述S1中单颗粒高吸水性树脂质量为13.50～16.50mg。
进一步，所述S1中的容器管为：内径2～6cm，高度大于2cm的管体。
进一步，所述管体包括聚氯乙烯管、聚乙烯管或聚丙烯管。
进一步，所述S2中水泥浆的水灰比为0.2～0.7。
进一步，所述S7中模拟裂缝的宽度为0.25～1mm。
进一步，所述粘结剂为在空气中硬化且不与无机盐溶液反应粘结剂。
进一步，所述盖板为透明玻璃板。
SAP愈合裂缝的关键在于SAP能够在裂缝中再次膨胀，填充其初始孔洞和裂缝，本发明提出计算SAP再膨胀率的公式和相应测量方法。本方法操作简单，可获得SAP再膨胀过程中的形貌，并通过填充裂缝的面积计算出SAP的η值，从而获得SAP再膨胀过程的动力学信息，可用于研究水泥浆配合比、溶液性质、裂缝宽度、SAP类型等因素对SAP的η值的影响，为深入研究SAP愈合裂缝的机理提供可行的技术。
本发明的特点及优良效果如下：
(1)提出模拟裂缝中SAP再膨胀率的计算公式，从而能够量化评价SAP的再膨胀能力。
(2)试验方法简单、易操作，可观测SAP再膨胀过程中的形貌；
(3)模拟裂缝的宽度可通过改变钢针直径调整，较宽的裂缝可用一定厚度的钢片替代钢针获得，从而可以模拟宽度范围较大的裂缝。
(4)水泥浆性质可通过改变水泥浆配合比和胶凝材料组成获得，从而可用于研究水泥浆性质对SAP的η值的影响。更换SAP类型可研究SAP成分对η值的影响。
(5)通过Auto CAD软件处理SAP再膨胀后的形貌，能够准确获得再膨胀后SAP填充裂缝的面积，可用于研究水泥浆组成、溶液性质、裂缝宽度、SAP类型等多种因素对SAP的再膨胀率的影响，也能够预测不同工况下SAP的裂缝愈合能力。
附图说明
图1为硬化水泥浆中高吸水性树脂在模拟裂缝中再膨胀率的测量方法的示意图。
图2为C-0.23中SAP在不同宽度裂缝中再膨胀前后的照片，浸泡溶液为去离子水，浸泡时间为1d的照片图。
图3为本发明的方法中采用不同宽度裂缝中SAP在去离子水中的η值，浸泡时间为1d的曲线示意图。
图中：
1.塑料管；2.硬化水泥浆；3.透明玻璃片；4.SAP；5.钢针；6.硬化后的胶水。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
本发明是一种硬化水泥浆中高吸水性树脂在模拟裂缝中再膨胀率的测量方法，所述测量方法为：首先将容器管置于玻璃板上，将单颗粒高吸水性树脂置于容器管内部，然后浇筑水泥浆；用胶带将硬化水泥浆表面覆盖，仅暴露单颗粒高吸水性树脂位置；在试样表面放置透明玻璃片，用数根钢针将玻璃片和试样隔开；在试样四周注入少量胶水以粘结玻璃片和试样；随后取出钢针，得到模拟裂缝。通过测定浸水后SAP填充裂缝的面积，获得单颗粒高吸水性树脂的再膨胀率。
所述测量方法具体包括以下步骤：
S1:首先将容器管置于玻璃板上，再称取一定质量的单颗粒高吸水性树脂，将称取的单颗粒高吸水性树脂置于容器管内部的中央；
S2：将预拌好的水泥浆浇筑在S1的单颗粒高吸水性树脂表面，得到试样；
S3：将浇筑好的试样在温度为18-22摄氏度，湿度>95％，下养护3天；
S4：用透明薄胶带将经S3处理后的试样表面封住，去除单颗粒高吸水性树脂表面胶带以使单颗粒高吸水性树脂暴露；
S5：将盖板置于经S4处理后的试样表面，将所述盖板涂抹粘结剂的位置用透明胶带包裹；
S6：用数根钢针将盖板和试样隔开，在试样边缘涂抹少量粘结剂，以粘结玻盖板和试样；
S7：待粘结剂硬化后，将钢针拔出，硬化水泥浆和盖板之间的空隙即为所设计的模拟裂缝，将试样在去离子水中浸泡1天，用滤纸将模拟裂缝中溶液吸出，得到单颗粒高吸水性树脂再膨胀后填充在模拟裂缝中的体积V，结合单颗粒高吸水性树脂的初始体积V0，代入以下公式，求出再膨胀率η:
Figure BDA0001910340850000081
其中，V＝S×h，
Figure BDA0001910340850000082
式中：S——SAP再膨胀后填充裂缝的面积(cm2)，借助刻度尺、数码相机和Auto CAD软件获得；
h——裂缝的宽度(mm)。
ρSAP——SAP的密度，取1.1g/cm3。
m0——SAP的初始质量(g)。
所述S1中单颗粒高吸水性树脂质量为13.50～16.50mg。
所述S1中的容器管为：内径2～6cm，高度大于2cm的管体。
所述管体包括聚氯乙烯管、聚乙烯管或聚丙烯管。
所述S2中水泥浆的水灰比为0.2～0.7。
所述S7中模拟裂缝的宽度为0.25～1mm。
所述粘结剂为在空气中硬化且不与无机盐溶液反应粘结剂。
所述盖板为透明玻璃板。
实施例1.
硬化水泥浆中高吸水性树脂在模拟裂缝中再膨胀率的测量装置的示意图如图1所示。将水泥浆2浇筑在已知质量的SAP 4表面；待水泥浆硬化后，用一定直径的钢针将玻璃片3与已硬化水泥浆隔开，并在试样周边注入少量502胶水6，待胶水硬化后，取出钢针，获得宽度为0.25mm的模拟裂缝。将试样倒置并在溶液中浸泡一定时间后取出，用滤纸吸除裂缝中溶液，借助刻度尺和数码相机获得透明玻璃片下SAP再膨胀后填充裂缝的面积。
实施例2.
硬化水泥浆中高吸水性树脂在模拟裂缝中再膨胀率的测量装置的示意图如图1所示。将水泥浆2浇筑在已知质量的SAP 4表面；待水泥浆硬化后，用一定直径的钢针将玻璃片3与已硬化水泥浆隔开，并在试样周边注入少量502胶水6，待胶水硬化后，取出钢针，获得宽度为0.5mm的模拟裂缝。将试样倒置并在溶液中浸泡一定时间后取出，用滤纸吸除裂缝中溶液，借助刻度尺和数码相机获得透明玻璃片下SAP再膨胀后填充裂缝的面积。
实施例3.
硬化水泥浆中高吸水性树脂在模拟裂缝中再膨胀率的测量装置的示意图如图1所示。将水泥浆2浇筑在已知质量的SAP 4表面；待水泥浆硬化后，用一定直径的钢针将玻璃片3与已硬化水泥浆隔开，并在试样周边注入少量502胶水6，待胶水硬化后，取出钢针，获得宽度为1mm的模拟裂缝。将试样倒置并在溶液中浸泡一定时间后取出，用滤纸吸除裂缝中溶液，借助刻度尺和数码相机获得透明玻璃片下SAP再膨胀后填充裂缝的面积。
模拟裂缝中SAP再膨胀率的测量
水泥浆配合比如表1所示。模拟裂缝宽度为0.25、0.5和1mm；试验溶液为去离子水，浸泡时间为1天。浸泡前后SAP的形貌如图2所示。
表1水泥浆组成(g)
Figure BDA0001910340850000101
经Auto CAD软件处理后，不同性质水泥浆中SAP在不同模拟裂缝宽度中的η值经公式进行计算，结果如图3所示。

Claims (9)

1.一种硬化水泥浆中高吸水性树脂在模拟裂缝中再膨胀率的测量方法，该测量方法为：首先将容器管置于玻璃板上，将单颗粒高吸水性树脂置于容器管内部，然后浇筑水泥浆；用胶带将硬化水泥浆表面覆盖，仅暴露单颗粒高吸水性树脂位置；在试样表面放置透明玻璃片，用数根钢针将玻璃片和试样隔开；在试样四周注入少量胶水以粘结玻璃片和试样；随后取出钢针，得到模拟裂缝，通过测定浸水后SAP填充裂缝的面积，获得单颗粒高吸水性树脂的再膨胀率，其特征在于，所述测量方法具体包括以下步骤：
S1:首先将容器管置于玻璃板上，再称取一定质量的单颗粒高吸水性树脂，将称取的单颗粒高吸水性树脂置于容器管内部的中央；
S2：将预拌好的水泥浆浇筑在S1的单颗粒高吸水性树脂表面，得到试样；
S3：将浇筑好的试样在温度为18-22摄氏度，湿度>95％，下养护3天；
S4：用透明薄胶带将经S3处理后的试样表面封住，去除单颗粒高吸水性树脂表面胶带以使单颗粒高吸水性树脂暴露；
S5：将盖板置于经S4处理后的试样表面，将所述盖板涂抹粘结剂的位置用透明胶带包裹；
S6：用数根钢针将盖板和试样隔开，在试样边缘涂抹少量粘结剂，以粘结盖板和试样；
S7：待粘结剂硬化后，将钢针拔出，硬化水泥浆和盖板之间的空隙即为所设计的模拟裂缝，将试样在去离子水中浸泡1天，用滤纸将模拟裂缝中溶液吸出，得到单颗粒高吸水性树脂再膨胀后填充在模拟裂缝中的体积V，结合单颗粒高吸水性树脂的初始体积V0，代入以下公式，求出再膨胀率η:
Figure FDA0002498716810000021
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述S1中单颗粒高吸水性树脂质量为13.50-16.50mg。
3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述单颗粒高吸水性树脂包括聚丙烯酸型和丙烯酸-丙烯酰胺交联型。
4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述S1中的容器管为：内径2-6cm，高度大于2cm的管体。
5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于，所述管体包括聚氯乙烯管、聚乙烯管和聚丙烯管。
6.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述S2中水泥浆的水灰比为0.2～0.7。
7.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述S7中模拟裂缝的宽度为0.25～1mm。
8.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述粘结剂为在空气中硬化且不与无机盐溶液反应的粘结剂。
9.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述盖板为透明玻璃板。
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