SAP在混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)中的性能及應(yīng)用研究

劉姝麟，梁 芳，黃家奇

（廣西交通科學(xué)研究院，廣西 南寧 530007）

0 引言

高吸水性樹脂（Super Absorb Polymer，簡稱SAP）是一種典型的功能高分子材料。因其分子材料為適度交聯(lián)度的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，且具有大量的親水基團(tuán)，不溶于水和有機(jī)溶劑，能吸收自身質(zhì)量數(shù)百倍甚至上千倍的水，具有保水性好、增黏性好、重量輕、受壓后不易脫水等優(yōu)點，在化工、衛(wèi)生、醫(yī)藥、農(nóng)林業(yè)、涂料等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用空間。

目前，大部分混凝土結(jié)構(gòu)工程的養(yǎng)護(hù)方式為直接噴灑水、覆塑料薄膜和蓋草袋灑水等，這些工藝方式不僅消耗人力與資源，而且養(yǎng)護(hù)效果不大理想。尤其對于低水灰比的高強(qiáng)混凝土，外界水分難以進(jìn)入到混凝土內(nèi)部，外部養(yǎng)護(hù)方式并不能有效緩解混凝土的自收縮，導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生，從而降低結(jié)構(gòu)耐久性能。

為了從根本上解決低水膠比混凝土早期自收縮和開裂的問題，考慮最適合的養(yǎng)護(hù)方法是從混凝土內(nèi)部提供水源進(jìn)行內(nèi)養(yǎng)護(hù)。SAP摻入混凝土中，前期吸收儲存一部分水分，于后期緩慢釋放，進(jìn)而促進(jìn)水化，用于內(nèi)部自養(yǎng)護(hù)，使結(jié)構(gòu)更加致密，減小其自收縮，且加入混凝土后對強(qiáng)度影響不大，是一種理想的內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料，近些年來引起不少學(xué)者的注意與研究。

1 SAP性能

SAP從拌和物中吸收水分，當(dāng)混凝土內(nèi)部自干燥時釋放出水分。了解SAP吸水放水的過程是掌握其作為混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料作用機(jī)理和優(yōu)化混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)的根本。SAP特性一般由顆粒大小、溶脹速率、吸液能力等組成。SAP加水后迅速脹溶，形成穩(wěn)定且充滿水的膠凝體，之后隨著基體相對濕度的降低，混凝土結(jié)構(gòu)中的毛細(xì)管從中吸收水分供給水泥的水化作用，釋水完成之后萎縮，使得混凝土中形成一個個孔洞。其吸收非常迅速，幾分鐘之內(nèi)便能吸足水分，釋水時間始于終凝，相比吸水時間較長，并在之后的幾天內(nèi)完成。

1.1 吸水能力

SAP顆粒的大小會影響其吸水性能。在混凝土拌和過程中，如果SAP顆粒太大，會因為吸水時間不夠而削弱其吸收能力；而顆粒太小則表面活性較低，同樣降低其吸收能力［1］。Esteves用顯微鏡在人造孔隙溶液中觀察到，一個粒徑為500μm的干燥SAP顆粒在1h內(nèi)能吸收的溶液為16ml／g，而一個粒徑50μm的干燥SAP顆粒在不到1min的時間內(nèi)能吸收11ml／g。因此在相同的化學(xué)組成和生產(chǎn)工藝下，小粒徑的顆粒能更快速地達(dá)到飽和狀態(tài)，但吸收的水量較少。

SAP在不同的溶液中吸收能力不同。孔祥明等人［2］測試了SAP在去離子水、自來水及水泥漿水的吸水率，結(jié)果分別為197倍、125倍及42倍。H.W.Reinhardt［3］認(rèn)為SAP的吸液能力取決于液體的濃度，且隨著液體濃度的升高而降低，經(jīng)試驗得到SAP在水泥漿體溶液的吸液能力大約在15～20倍。Jensen得出SAP在人造孔溶液中吸水率為37倍。在大部分的試驗中，為使SAP在混凝土中分布均勻，在加水拌和之前將干燥狀態(tài)的SAP與混凝土原材料混合。加水之后，一部分SAP直接吸收部分水分，大部分SAP實際處于高離子含量的水泥漿體環(huán)境中。而研究證明二價或者三價的陽離子，如Ca2＋、Al3＋會與SAP的離子基團(tuán)形成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，影響交聯(lián)度，進(jìn)而降低SAP的吸液能力［5］。有部分試驗，預(yù)先讓SAP吸水飽和，后拌入混凝土拌和物中，但此種情況會導(dǎo)致SAP迅速釋放較多量的水分，容易對新拌混凝土的工作性能產(chǎn)生影響［4］。

因此SAP在水泥漿中吸收能力低于自來水，但具體的吸收倍數(shù)主要與SAP的顆粒大小、水灰比及拌和工藝有關(guān)，需經(jīng)由試驗確定。

1.2 釋水能力

由于水泥水化作用，混凝土內(nèi)部自干燥，當(dāng)內(nèi)部相對濕度降低時，毛細(xì)管壓力和滲透壓力［5］促使SAP釋放出水。Nestle N［6］研究表明水從SAP擴(kuò)散到水泥石中基本能在1h內(nèi)完成。Friedemann K［7］建立與水化等級有關(guān)的函數(shù)來分析摻入SAP的水泥漿中水分的變化情況，結(jié)果表明內(nèi)養(yǎng)護(hù)水的轉(zhuǎn)移主要開始于水化等級0.1之后，結(jié)束約在水化等級為0.65時。Trtik［8］在水灰比為0.25的水泥漿中，發(fā)現(xiàn)顆粒粒徑較大的SAP（干燥狀態(tài)粒徑約1mm，溶脹狀態(tài)約2.5mm）約在終凝時開始釋放水，在水化第1d釋放大約80%的水分。胡曙光［9］將SAP引入水膠比為0.3的混凝土中，觀察到水化第3d時，SAP顆粒中的水逐漸擴(kuò)散到基體中，SAP顆粒開始萎縮；第7d時，顆粒中的水基本釋放完畢，尺寸基本回到吸水前，最后在基體中留下一系列孔洞。

對于SAP釋水特性，尤其是持續(xù)時間，較難用一個確定的試驗方法測定，因此雖然不少學(xué)者進(jìn)行了研究，但并沒有一個較為統(tǒng)一的結(jié)論，且現(xiàn)今的試驗結(jié)果相差較大。

2 SAP的應(yīng)用

SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)的機(jī)理在于通過SAP引入額外的水分補(bǔ)充混凝土硬化過程中因蒸發(fā)或自干燥作用而散失的水分。SAP摻入混凝土中，引入額外水量，溶脹之后的顆粒均勻分布在拌和物中，在混凝土硬化過程相對濕度降低時釋放水量，供給水泥的進(jìn)一步水化，得到更致密的混凝土結(jié)構(gòu)，因而提高其耐久性，而釋水后的SAP也帶入了一系列孔洞，給強(qiáng)度帶來不利影響。因此如果SAP少摻則內(nèi)養(yǎng)護(hù)效果不明顯，過摻不僅會大大降低強(qiáng)度，更會影響其他各項性能。同樣如果引入的額外水量不足，無法保證水泥的充分水化，最大程度降低混凝土的自收縮；如果引入的水量過多，由于水灰比的提高，嚴(yán)重影響混凝土的力學(xué)性能和耐久性。因此SAP與額外引用水摻量的多少是內(nèi)養(yǎng)護(hù)技術(shù)關(guān)鍵的一步，是研究者們正深入研究的問題。

2.1 顆粒形狀及尺寸

SAP顆粒的形狀一般分為不規(guī)則狀和球狀兩種。因為不規(guī)則狀顆粒可能引起更大的應(yīng)力集中，相比之下球狀顆粒為更好的選擇，但由于工藝技術(shù)原因，目前國內(nèi)少有細(xì)顆粒的球狀SAP，因此大部分試驗研究中選擇的SAP顆粒為不規(guī)則狀。當(dāng)SAP粒徑＜100μm時，顆粒容易產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象，因此要使細(xì)顆粒的SAP在混凝土中能均勻分布，最好在SAP吸水溶脹之前（即混凝土加水拌和之前）能與混凝土其它材料混合充分。Esteves［3］試驗不同的顆粒尺寸，表明SAP顆粒尺寸的減小并不會提高內(nèi)養(yǎng)護(hù)效果，但還需更多的試驗去解釋這一現(xiàn)象。從大量試驗的原材料看來，摻入混凝土中的SAP粒徑分布很廣，在75～400μm范圍內(nèi)均有試驗選擇使用。

2.2 SAP摻量與額外引用水摻量

關(guān)于SAP摻量和引用水量選擇的相關(guān)文獻(xiàn)有很多：逢魯峰［10］試驗提出 SAP的最佳摻量在0.1%～0.2%范圍之間，最佳額外引水量為SAP質(zhì)量的15～25倍。隨SAP摻量的減小，最佳額外引水倍數(shù)應(yīng)當(dāng)適量增加，且指出在一定的范圍內(nèi)，額外引水量對混凝土的強(qiáng)度影響不大。

胡曙光［9］選用SAP摻量為膠凝材料總重量的0.3%～0.7%，引入水量約為SAP重量的10倍。試驗結(jié)果顯示SAP摻量＞0.5%時，會顯著降低混凝土的抗壓強(qiáng)度；將≤0.5%的預(yù)吸水后的SAP摻入到混凝土中，能夠有效減少混凝土的收縮，強(qiáng)度的損失也較小。

張珍林［4］選取的SAP顆粒粒徑約200～400μm，摻量為膠凝材料質(zhì)量的0.2%與0.4%，將吸水之后的SAP拌入混凝土中，SAP的預(yù)吸水倍率控制在25倍左右時，對混凝土工作性影響不大。預(yù)吸水SAP能明顯減小高強(qiáng)混凝土的早期自收縮和干燥條件下的總收縮，但對強(qiáng)度有不利影響。

王嘉［11］選取粒徑分布分別為106～250μm、75～120μm、＜75μm的 SAP，摻量為膠凝 材料質(zhì)量的0.3%、0.4%、0.5%，額外引水量為相應(yīng) SAP質(zhì)量的20倍。結(jié)果顯示SAP及額外引水量的摻入對混凝土力學(xué)性能有不同程度的影響，但能改善其干燥收縮和開裂現(xiàn)象，其中粒徑最小的SAP對混凝土強(qiáng)度的降低作用最明顯。

孔祥明［2］試驗選取的顆粒粒徑為220～450μm，摻量為水泥質(zhì)量的0.5%，由于砂漿試驗的水灰比（0.5、0.6和0.7）較大，因此并未加入額外引用水，拌和時先用總水量的40%預(yù)浸泡SAP，1h后再將各原材料拌和，結(jié)果證明SAP的摻入提高了砂漿的力學(xué)強(qiáng)度。

陳德鵬［12］選取的顆粒粒徑為50～100μm，以2%及4%質(zhì)量替代吸水后相應(yīng)體積的細(xì)集料，從試驗結(jié)果看SAP的摻入能減小混凝土30%～50%的開裂及收縮，因此SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)在易于發(fā)生收縮開裂的結(jié)構(gòu)中有重要的推廣應(yīng)用價值。

大部分研究者試驗得到SAP的最佳摻量＜0.5%，額外引水量為SAP總量的20倍左右。絕大多數(shù)研究認(rèn)為，當(dāng)SAP作為內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑與額外的水一同引入高強(qiáng)混凝土?xí)r，對耐久性能有一定的提高，但會對混凝土的強(qiáng)度發(fā)展造成不利影響。而SAP摻量與額外引用水量的多少與SAP的種類構(gòu)成、顆粒形狀粒徑分布等都有不可分割的關(guān)系，絕大多數(shù)的研究只停留在某一種SAP、某一粒徑范圍，不具有一定的代表性，還需要大量且深入的研究試驗。

3 結(jié)語

SAP因為其特殊的性能，得到越來越多研究人員的重視。其作為內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料在混凝土中應(yīng)用的研究，已經(jīng)取得了一定成果，但目前無論國內(nèi)外，SAP在混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用只停留在試驗階段，鮮有實際工程的應(yīng)用。其確切的作用機(jī)理以及養(yǎng)護(hù)過程中與混凝土原材料之間的相互作用等問題，還需要后續(xù)更深入的研究才能使SAP更好地在混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)中發(fā)揮作用。

［1］Jensen O M，Hansen P F.Water－entrained cement－based materials ll.Experimental observations［J］.Cement and Concrete Research，2002，32（4）：973－978.

［2］孔祥明，李啟宏.高吸水性樹脂對水泥砂漿體積收縮及力學(xué)性能的影響［J］.硅酸鹽學(xué)報，2009（5）：855－861.

［3］Reinhardt H W，M?nnig S.Superabsorbent Polymers（SAPS）An admixture to increase the durability of concrete［J］.1st lnternational Conference on Microstructure RelatedDurability of Cementitious Composites 13－15October 2008：313－323.

［4］張珍林.高吸水性樹脂對高強(qiáng)混凝土早期減縮效果及機(jī)理研究［D］.北京：清華大學(xué)，2013.

［5］Weiss J，Lura P，Rajabipour F，Sant G（2008）Performance of Shrinkage－Reducing Admixtures at Different Humidities and at Early Ages［J］.ACl Materi Journal，2008，105（5）：478－486.

［6］Nestle N，Kühn A，F(xiàn)riedemann K，Horch C，Stallmach F，Herth G（2009）Water balance and pore structure development in cementious materials in internal curing with modifi ed superabsorbent polymer studied by NMR［J］.Micropor Mesopor Mat，2009，125（1－2）：51－57.

［7］Friedemann K，Stallmach F，K?rger J（2009）Carboxylates and sulfates of polysaccharides for controlled internal water release during cement hydration［J］.Cem Concr Comp，2009，31：244－249.

［8］Trtik P，Münch B，Weiss WJ，Herth G，Kaestner A，Lehmann E，Lura P（2010）Neutron tomography investigation of water release from superabsorbent polymers in cement paste［J］.Material Science，2010，77（3）：175－185.

［9］胡曙光，周宇飛，王發(fā)洲，等.高吸水性樹脂顆粒對混凝土自收縮與強(qiáng)度的影響［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報（城市科學(xué)版），2008（1）：1－4，16.

［10］逄魯峰.摻高吸水樹脂內(nèi)養(yǎng)護(hù)高性能混凝土的性能和作用機(jī)理研究［D］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2013.

［11］王 嘉.高吸水性樹脂對超高性能混凝土性能的影響［D］.長沙：湖南大學(xué)，2012.

［12］陳德鵬，錢春香，高桂波，等.高吸水樹脂對混凝土收縮開裂的改善作用及其機(jī)理［J］.功能材料，2007（3）：475－478.