高吸水树脂在水泥基复合材料中的功能应用研究进展

＊杨进 邱基胤 苏英 贺行洋*

（1.湖北工业大学 湖北 430068 2.湖北省建筑防水工程技术研究中心 湖北 430068）

1.引言

水泥混凝土是当前应用最广泛的土木工程材料之一，被大量应用于房屋、桥梁、道路、机场和隧道等工程领域中。随着我国土木工程建造技术的飞速发展和城镇化的大力推进，人们对于水泥基复合材料的补缩抗裂、抗渗透、抗冻融、自修复等关键性能提出了更高的需求。由于水泥基复合材料本身固有的脆性和较低的抗拉强度，因此在养护成型以及后期服役中难免出现收缩、开裂、渗漏等工程问题。SAP吸水速度快、保水能力强、质量轻，即使在受热、加压条件下也不易脱水。正是由于SAP的特殊功能，将高吸水树脂（SAP）引入水泥基复合材料中，有助于改善水泥基复合材料性能及功能不足。

SAP是一种具有三维交联网络结构的高分子材料，可吸收自身重量几百倍甚至几千倍的水分。高吸水树脂内部的-CONH2、-COOH、-SO3H、-OH等亲水性基团是诱发SAP吸水的首要条件[1]。这些亲水性基团首先与水分子产生氢键作用，进而开始电离形成带电荷基团，这些带电基团一方面形成引发三维交联网络扩张的静电斥力，另一方面形成树脂吸水驱动力的内外离子渗透压。图1为不同粒径SAP吸水过程模型图[2]。当饱水后SAP处于更高浓度的溶液环境中时，SAP内部的水分会在离子渗透压的作用下释放，即SAP在溶液环境中具有较低的吸水倍率。另一方面，当SAP内部的阴离子基团与Mg2+、Ca2+、Al3+、Cu2+等阳离子形成配合物，将会降低树脂内部阴离子基团间的静电斥力，也会导致SAP由于吸水倍率降低而释水。因此，SAP是一种具有吸水、储水、释水特性的有机高分子材料[2]。

图1 不同颗粒粒径SAP的吸水膨胀过程

2.SAP的流触变调控功能

SAP具有特殊流变改性特性，即使少量的SAP也可以使浆体黏度大大提高，从而被用来调节混凝土拌合物的流变性能。同时，SAP凝胶颗粒本身也可能会对流变性能产生潜在影响。但大多数情况下，在研究SAP对流变性能影响时均忽略SAP颗粒本身的影响。例如：Mechtcherine等人[3]研究了

SAP改性新拌水泥砂浆的流变特性。结果表明，在含有丙烯酸系SAP的水泥砂浆中，SAP会快速释放一部分最初吸收的水分，导致塑性黏度随时间延长甚至略有下降；而在含有丙烯酸-丙烯酰胺系SAP的水泥砂浆中，SAP很大程度上保持了吸收的液体，塑性黏度随时间稳定增加。另一方面，细颗粒的SAP吸收表面更大，使砂浆具有更高的屈服应力值和塑性黏度值；而大颗粒SAP虽然初始吸水速度较慢，但会持续吸收水分，导致屈服应力随时间显著增加。

3.SAP补缩抗裂功能

(1)干燥收缩

Kim等人[4]研究了SAP对混凝土试样干燥收缩的影响。结果表明，随着水胶比的降低，干燥收缩率降低，并且随着SAP含量的增加，干燥收缩趋于降低。此外，当SAP含量为水泥质量的2.0%时，与添加额外混合水的试验相比，水胶比为0.4时，干燥收缩率降低了约41%，水胶比为0.5时，干燥收缩率降低了约31%。无论水胶比高低，SAP的加入都显著降低了干燥收缩率。

Liu等人[5]采用不同粒径商业生产的丙烯酰胺/丙烯酸钠共聚物，研究了SAP对UHPC干燥收缩性能的影响，结果如 图2所示。研究发现，SAP的加入部分减缓了水迁移到表面的速度，为UHPC的内部提供了潮湿的环境，抑制了干燥收缩发展。同时，SAP对大尺寸试样的收缩抑制效果优于小尺寸试样。

图2 SAP对UHPC总收缩和自收缩的影响[6]

(2)自收缩

Aday等[6]分别采用了κ-卡拉胶和聚丙烯酸交联共聚的生物基SAP和N-异丙基丙烯酰胺交联聚合的PNIPAM树脂，研究了其对自收缩的影响规律。结果表明，与生物基SAP不同，PNIPAM不会在离子浓度较低的早期吸收大量拌合水，从而增加用水量。因此，其对凝结时间和水泥水化动力学的影响也较小。此外，还发现PNIPAM的掺加在7天和14天后比相同水胶比的对照组具有更低的自收缩应变。

(3)早期塑性收缩

RILEM TC 260-RSC在国际间实验室开展了SAP对塑性收缩开裂影响的研究[7]，以探究SAP对严重干燥条件下混凝土塑性收缩裂缝的影响。研究发现，在常规混凝土中使用SAP可以显著减少塑性收缩裂缝。同时，掺加SAP并向混凝土中引入适量的额外水可显著减少塑性收缩开裂，这比仅添加相同量的水而不添加SAP时更为明显。另外，SAP类型也会对混凝土的泌水性产生明显影响，高保水性SAP可减少混凝土泌水，而当使用吸水速率较快的SAP时，泌水率会增加。最后，常规混凝土的抗压强度仅略有降低，掺加0.15%和0.30% SAP的混凝土强度仅分别降低3%和10%。

4.SAP抗冻融功能

SAP在水泥基复合材料中释水后，可在材料内部形成可调节的孔隙系统，对混凝土的抗冻性产生有益效果。这种特性具备传统引气剂的改性效果，由于使用了引气剂，水泥基复合内部通常会产生夹带空气，而这些孔隙的代表作用是增加冻融阻力。然而，这种孔隙不能根据间隙和大小进行调整，并且会降低混凝土强度。另一方面，加入SAP后形成的孔隙可以在间隙和大小上进行调整，由于内部养护作用，有望提高水泥基复合材料强度。

Kim等[8]进行了SAP对水泥砂浆冻融性能影响的研究，在水养护的情况下，含有小粒径SAP的水泥砂浆表现出比不含SAP对照组更高的抗冻融性。添加的SAP形成的孔隙起到了夹带空气的作用，从而提高了抗冻融性，但是SAP含量为0.9%的试样在100次循环时损坏，而SAP含量为0.3%和0.6%的试样在200次循环时损坏，表明过高的SAP掺量会导致抗冻性的降低。Xu等[9]研究了SAP与引气剂复合对砂浆抗冻融性能的影响。引气剂和SAP的复合掺加，在不牺牲砂浆抗压强度的情况下，提高了砂浆的抗冻融性能。SAP的加入增加了平均孔径，并导致空隙的重新分布。与引气剂相比，SAP可以降低水灰比，并在后期的水泥水化过程中释放水分，从而有利于提高抗压强度。此外，引气剂和SAP的复合使用改变了砂浆的内部孔隙结构，提高了砂浆的抗冻融性能。

5.SAP裂纹自愈合功能

自愈材料是指在损伤后能完全或部分愈合，从而恢复其部分或全部原有功能的材料。虽然目前可以通过技术手段减少混凝土的裂缝，但裂缝的产生是不可避免的。相比之下，自愈技术由于所需人力和成本较低，有望成为混凝土裂缝修复的一种具有良好前景的新型修复体系。当混凝土出现裂缝时，混凝土裂缝处的自愈合材料会在物理或化学的触发下自动修复或封堵裂缝，从而降低渗透性。

SAP具备快速吸水，且体积显著膨胀的特性，吸水前后具备较高的体积溶胀比，成为近几年国内外广泛关注的一种新型自修复材料。Chindasiriphan等[10]将粉煤灰与SAP的耦合用于提升混凝土的自愈合性能，并研究了裂缝宽度对愈合效率的影响。研究发现，初始裂纹宽度对自愈合速率和自愈合阈值有显著影响。自愈28d时，初始裂缝宽度小于 0.25mm的试样达到了较好的裂缝闭合效果，并在损伤部位形成永久性封堵产物，如图3。

图3 沿着开放裂缝沉积的自愈合产物的立体显微镜图像[10]

Hanwen等[11]为了改善工程水泥基复合材料的自愈合行为和力学性能的恢复，通过环境扫描电子显微镜和能量色散X射线光谱研究了SAP自修复过程和自修复产物。结果表明，高/低相对湿度养护制度更有利于裂纹的自愈合。且SAP含量越高，预压水平越低，试件抗弯刚度恢复越高，当SAP含量为4%时，自愈后的力学性能恢复较好。自愈合的产物为SAP水凝胶与Ca(OH)2/CaCO3的混合物。Hong等[12]研究了SAP对胶凝材料早期裂缝的自愈合效果。在早期开裂的胶凝材料中加入SAP可在短期内快速实现裂缝自封闭，并可长期改善裂缝自愈合。

6.总结与展望

高吸水树脂（SAP）是一类具有吸水、储水、释水特性的高分子材料，可作为水泥基复合材料的新型化学添加剂。然而，SAP在水泥基复合材料中的功能应用研究仍存在诸多科学与技术问题需要探索与解决。

（1）SAP对水泥基复合材料性能/功能影响与其水分交换行为密不可分，其在水泥基复合材料内部及外部复杂因素作用下的吸水-保水-释水动力学过程有待进一步深入研究。

（2）SAP通过在水泥基材料内部引入水分、补偿湿度、释水后形成孔洞并形成可调节的孔隙系统，从而提升水泥基复合材料的抗收缩开裂、抗冻融破坏等性能，但如何改善SAP释水孔洞的负面影响仍需进一步研究。

（3）SAP作为一种新型的裂纹自愈合材料，具备快速吸水、吸水前后体积溶胀比高的特点，在裂纹快速封堵方面具有较好应用前景，但其工业化推广应用还需进一步突破。