SAP在混凝土内养护中的性能及应用研究

刘姝麟，梁 芳，黄家奇

（广西交通科学研究院，广西 南宁 530007）

0 引言

高吸水性树脂（Super Absorb Polymer，简称SAP）是一种典型的功能高分子材料。因其分子材料为适度交联度的网络结构，且具有大量的亲水基团，不溶于水和有机溶剂，能吸收自身质量数百倍甚至上千倍的水，具有保水性好、增黏性好、重量轻、受压后不易脱水等优点，在化工、卫生、医药、农林业、涂料等领域具有广泛的应用空间。

目前，大部分混凝土结构工程的养护方式为直接喷洒水、覆塑料薄膜和盖草袋洒水等，这些工艺方式不仅消耗人力与资源，而且养护效果不大理想。尤其对于低水灰比的高强混凝土，外界水分难以进入到混凝土内部，外部养护方式并不能有效缓解混凝土的自收缩，导致裂缝产生，从而降低结构耐久性能。

为了从根本上解决低水胶比混凝土早期自收缩和开裂的问题，考虑最适合的养护方法是从混凝土内部提供水源进行内养护。SAP掺入混凝土中，前期吸收储存一部分水分，于后期缓慢释放，进而促进水化，用于内部自养护，使结构更加致密，减小其自收缩，且加入混凝土后对强度影响不大，是一种理想的内养护材料，近些年来引起不少学者的注意与研究。

1 SAP性能

SAP从拌和物中吸收水分，当混凝土内部自干燥时释放出水分。了解SAP吸水放水的过程是掌握其作为混凝土内养护材料作用机理和优化混凝土内养护的根本。SAP特性一般由颗粒大小、溶胀速率、吸液能力等组成。SAP加水后迅速胀溶，形成稳定且充满水的胶凝体，之后随着基体相对湿度的降低，混凝土结构中的毛细管从中吸收水分供给水泥的水化作用，释水完成之后萎缩，使得混凝土中形成一个个孔洞。其吸收非常迅速，几分钟之内便能吸足水分，释水时间始于终凝，相比吸水时间较长，并在之后的几天内完成。

1.1 吸水能力

SAP颗粒的大小会影响其吸水性能。在混凝土拌和过程中，如果SAP颗粒太大，会因为吸水时间不够而削弱其吸收能力；而颗粒太小则表面活性较低，同样降低其吸收能力［1］。Esteves用显微镜在人造孔隙溶液中观察到，一个粒径为500μm的干燥SAP颗粒在1h内能吸收的溶液为16ml／g，而一个粒径50μm的干燥SAP颗粒在不到1min的时间内能吸收11ml／g。因此在相同的化学组成和生产工艺下，小粒径的颗粒能更快速地达到饱和状态，但吸收的水量较少。

SAP在不同的溶液中吸收能力不同。孔祥明等人［2］测试了SAP在去离子水、自来水及水泥浆水的吸水率，结果分别为197倍、125倍及42倍。H.W.Reinhardt［3］认为SAP的吸液能力取决于液体的浓度，且随着液体浓度的升高而降低，经试验得到SAP在水泥浆体溶液的吸液能力大约在15～20倍。Jensen得出SAP在人造孔溶液中吸水率为37倍。在大部分的试验中，为使SAP在混凝土中分布均匀，在加水拌和之前将干燥状态的SAP与混凝土原材料混合。加水之后，一部分SAP直接吸收部分水分，大部分SAP实际处于高离子含量的水泥浆体环境中。而研究证明二价或者三价的阳离子，如Ca2＋、Al3＋会与SAP的离子基团形成复杂的结构，影响交联度，进而降低SAP的吸液能力［5］。有部分试验，预先让SAP吸水饱和，后拌入混凝土拌和物中，但此种情况会导致SAP迅速释放较多量的水分，容易对新拌混凝土的工作性能产生影响［4］。

因此SAP在水泥浆中吸收能力低于自来水，但具体的吸收倍数主要与SAP的颗粒大小、水灰比及拌和工艺有关，需经由试验确定。

1.2 释水能力

由于水泥水化作用，混凝土内部自干燥，当内部相对湿度降低时，毛细管压力和渗透压力［5］促使SAP释放出水。Nestle N［6］研究表明水从SAP扩散到水泥石中基本能在1h内完成。Friedemann K［7］建立与水化等级有关的函数来分析掺入SAP的水泥浆中水分的变化情况，结果表明内养护水的转移主要开始于水化等级0.1之后，结束约在水化等级为0.65时。Trtik［8］在水灰比为0.25的水泥浆中，发现颗粒粒径较大的SAP（干燥状态粒径约1mm，溶胀状态约2.5mm）约在终凝时开始释放水，在水化第1d释放大约80%的水分。胡曙光［9］将SAP引入水胶比为0.3的混凝土中，观察到水化第3d时，SAP颗粒中的水逐渐扩散到基体中，SAP颗粒开始萎缩；第7d时，颗粒中的水基本释放完毕，尺寸基本回到吸水前，最后在基体中留下一系列孔洞。

对于SAP释水特性，尤其是持续时间，较难用一个确定的试验方法测定，因此虽然不少学者进行了研究，但并没有一个较为统一的结论，且现今的试验结果相差较大。

2 SAP的应用

SAP内养护的机理在于通过SAP引入额外的水分补充混凝土硬化过程中因蒸发或自干燥作用而散失的水分。SAP掺入混凝土中，引入额外水量，溶胀之后的颗粒均匀分布在拌和物中，在混凝土硬化过程相对湿度降低时释放水量，供给水泥的进一步水化，得到更致密的混凝土结构，因而提高其耐久性，而释水后的SAP也带入了一系列孔洞，给强度带来不利影响。因此如果SAP少掺则内养护效果不明显，过掺不仅会大大降低强度，更会影响其他各项性能。同样如果引入的额外水量不足，无法保证水泥的充分水化，最大程度降低混凝土的自收缩；如果引入的水量过多，由于水灰比的提高，严重影响混凝土的力学性能和耐久性。因此SAP与额外引用水掺量的多少是内养护技术关键的一步，是研究者们正深入研究的问题。

2.1 颗粒形状及尺寸

SAP颗粒的形状一般分为不规则状和球状两种。因为不规则状颗粒可能引起更大的应力集中，相比之下球状颗粒为更好的选择，但由于工艺技术原因，目前国内少有细颗粒的球状SAP，因此大部分试验研究中选择的SAP颗粒为不规则状。当SAP粒径＜100μm时，颗粒容易产生团聚现象，因此要使细颗粒的SAP在混凝土中能均匀分布，最好在SAP吸水溶胀之前（即混凝土加水拌和之前）能与混凝土其它材料混合充分。Esteves［3］试验不同的颗粒尺寸，表明SAP颗粒尺寸的减小并不会提高内养护效果，但还需更多的试验去解释这一现象。从大量试验的原材料看来，掺入混凝土中的SAP粒径分布很广，在75～400μm范围内均有试验选择使用。

2.2 SAP掺量与额外引用水掺量

关于SAP掺量和引用水量选择的相关文献有很多：逢鲁峰［10］试验提出 SAP的最佳掺量在0.1%～0.2%范围之间，最佳额外引水量为SAP质量的15～25倍。随SAP掺量的减小，最佳额外引水倍数应当适量增加，且指出在一定的范围内，额外引水量对混凝土的强度影响不大。

胡曙光［9］选用SAP掺量为胶凝材料总重量的0.3%～0.7%，引入水量约为SAP重量的10倍。试验结果显示SAP掺量＞0.5%时，会显著降低混凝土的抗压强度；将≤0.5%的预吸水后的SAP掺入到混凝土中，能够有效减少混凝土的收缩，强度的损失也较小。

张珍林［4］选取的SAP颗粒粒径约200～400μm，掺量为胶凝材料质量的0.2%与0.4%，将吸水之后的SAP拌入混凝土中，SAP的预吸水倍率控制在25倍左右时，对混凝土工作性影响不大。预吸水SAP能明显减小高强混凝土的早期自收缩和干燥条件下的总收缩，但对强度有不利影响。

王嘉［11］选取粒径分布分别为106～250μm、75～120μm、＜75μm的 SAP，掺量为胶凝 材料质量的0.3%、0.4%、0.5%，额外引水量为相应 SAP质量的20倍。结果显示SAP及额外引水量的掺入对混凝土力学性能有不同程度的影响，但能改善其干燥收缩和开裂现象，其中粒径最小的SAP对混凝土强度的降低作用最明显。

孔祥明［2］试验选取的颗粒粒径为220～450μm，掺量为水泥质量的0.5%，由于砂浆试验的水灰比（0.5、0.6和0.7）较大，因此并未加入额外引用水，拌和时先用总水量的40%预浸泡SAP，1h后再将各原材料拌和，结果证明SAP的掺入提高了砂浆的力学强度。

陈德鹏［12］选取的颗粒粒径为50～100μm，以2%及4%质量替代吸水后相应体积的细集料，从试验结果看SAP的掺入能减小混凝土30%～50%的开裂及收缩，因此SAP内养护在易于发生收缩开裂的结构中有重要的推广应用价值。

大部分研究者试验得到SAP的最佳掺量＜0.5%，额外引水量为SAP总量的20倍左右。绝大多数研究认为，当SAP作为内养护剂与额外的水一同引入高强混凝土时，对耐久性能有一定的提高，但会对混凝土的强度发展造成不利影响。而SAP掺量与额外引用水量的多少与SAP的种类构成、颗粒形状粒径分布等都有不可分割的关系，绝大多数的研究只停留在某一种SAP、某一粒径范围，不具有一定的代表性，还需要大量且深入的研究试验。

3 结语

SAP因为其特殊的性能，得到越来越多研究人员的重视。其作为内养护材料在混凝土中应用的研究，已经取得了一定成果，但目前无论国内外，SAP在混凝土内养护中的应用只停留在试验阶段，鲜有实际工程的应用。其确切的作用机理以及养护过程中与混凝土原材料之间的相互作用等问题，还需要后续更深入的研究才能使SAP更好地在混凝土内养护中发挥作用。

［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，李启宏.高吸水性树脂对水泥砂浆体积收缩及力学性能的影响［J］.硅酸盐学报，2009（5）：855－861.

［3］Reinhardt H W，Mönnig 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］张珍林.高吸水性树脂对高强混凝土早期减缩效果及机理研究［D］.北京：清华大学，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，Friedemann 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，Kärger J（2009）Carboxylates and sulfates of polysaccharides for controlled internal water release during cement hydration［J］.Cem Concr Comp，2009，31：244－249.

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［9］胡曙光，周宇飞，王发洲，等.高吸水性树脂颗粒对混凝土自收缩与强度的影响［J］.华中科技大学学报（城市科学版），2008（1）：1－4，16.

［10］逄鲁峰.掺高吸水树脂内养护高性能混凝土的性能和作用机理研究［D］.徐州：中国矿业大学，2013.

［11］王 嘉.高吸水性树脂对超高性能混凝土性能的影响［D］.长沙：湖南大学，2012.

［12］陈德鹏，钱春香，高桂波，等.高吸水树脂对混凝土收缩开裂的改善作用及其机理［J］.功能材料，2007（3）：475－478.