超吸水樹脂(SAP)在混凝土中的應用研究

2017-03-14 文/孫振平教授課題組

1前言

在混凝土技術高速發展的今天，各種改善混凝土性能的新型外加劑得到積極開發和研究。超吸水樹脂(super absorbent resin，以下簡稱“SAP”)發明于二十世紀80年代，是一種交聯高分子化合物，其分子鍊上含有羧基、磺酸基、羟基和酰胺基等親水官能團，能夠吸收相當于自重幾十倍到幾千倍的水，在接觸水或水溶液後開始腫脹形成水凝膠，具有良好的保水性。SAP最早應用于衛生和保健領域，之後工程界開始考慮将其應用于混凝土并開展試驗研究[1]。作為一種新型的外加劑，SAP可以用來調節混凝土凝結和硬化時的水分平衡，有望用作低水膠比混凝土的内養護劑。

本文簡要介紹SAP在混凝土中的内養護機理、SAP對混凝土性能的影響，并對SAP作為混凝土内養護劑的應用前景進行展望。

2 内養護與SAP内養護機理

目前混凝土的養護方法分為外部養護和内部養護兩種。通常，大部分混凝土結構工程的養護都是采用外部養護方法，如直接噴灑水、覆塑料薄膜（或草袋），或者表面噴灑養護劑等。這些方法不但消耗人力與資源，而且對于低水膠比混凝土來說，外部養護用水很難進入混凝土内部，後期即使經過長時間浸水也隻能浸入幾毫米，無法提供内部未水化水泥顆粒繼續水化所需的水分。若采取表面噴灑養護劑的方法，很容易因某些部位噴灑難度高，或因疏忽而造成“漏噴”，導緻混凝土缺乏良好的養護而引起強度發展“乏力”甚至産生開裂。

圖1 SAP在混凝土中吸水水分變化示意圖

3 SAP對混凝土性能的影響

SAP作為混凝土内養護劑，前期儲水後期釋水，保證水泥得以充分水化，使混凝土内部結構更緻密，強度繼續增長，但摻入SAP對混凝土性能也産生一定影響。

3.1工作性

由于SAP具有較強吸水性，在混凝土中摻入SAP時，可考慮采用額外增加用水量和不增加用水量兩種方式。

不少學者研究了SAP對砂漿流動性的影響，均在未改變原砂漿水灰比的情況下進行。張宇[3]在砂漿中摻入不超過水泥質量0.3%的SAP，試驗表明其會降低砂漿的流動性，但能有效減小分層度，提高砂漿粘結強度。根據Jensen[4-5]的結論，SAP具有一定的增稠作用，因其“吸收和鎖住”了新拌砂漿中的部分自由水，改變了砂漿的流變性，能在未加入速凝劑的情況下使砂漿快速成型。

如果考慮SAP的吸水特性，制備摻加SAP的砂漿和混凝土時，适當增加用水量（所謂的“附加用水量”），則可保證砂漿和混凝土的流動性，又改善砂漿和混凝土的保水性和粘聚性。

3.2強度

目前關于SAP對混凝土強度影響的研究，由于試驗材料SAP的種類、粒徑和摻入方式等的不同，結果不盡相同，甚至存在相悖的結論。Jensen[4]對水膠比為0.3，SAP摻量為0.6%的砂漿進行抗壓強度的試驗，發現摻SAP的砂漿其強度較未摻者降低了19%。Craeye[6]在混凝土中分别摻入0.2%、0.3%和0.4%(相對于水泥質量)的SAP，其28d抗壓強度較未摻者分别降低了15%、22%和28%。可見，混凝土強度的損失随SAP摻量的增加而增大。

但是Geiker[7]等人的研究發現，水膠比為0.35的水泥砂漿摻入SAP(占水泥質量的0.4%)後，由于最終的水化程度較高，其28d抗壓強度提高了20%。王力尚[8]通過試驗發現，直接摻SAP（所謂的“幹摻”）和摻加預先吸收25倍水的SAP，雖增加了混凝土的用水量，但都略微提高了混凝土的抗壓強度。

3.3收縮性

摻SAP對混凝土凝結後幾小時内自收縮的降低作用特别明顯。Slowik等人[9]的研究結果顯示，摻入SAP并補充“附加水”，能減小混凝土内部毛細孔壓力和塑性收縮。Jensen等人[4-5]的研究表明，摻SAP并補充“附加水”，能顯著減少低水膠比混凝土的自收縮，且作用效果随着SAP和“附加水”量的增加而越發明顯。胡曙光等人[10]認為SAP顆粒的引入，可延緩混凝土内部相對濕度下降的速度，起到濕度補償的作用，緩解自幹燥現象，并減小由此産生的自收縮；但SAP顆粒釋水萎縮後會留下孔洞，降低混凝土的抗壓強度。從收縮和強度的角度綜合考慮，SAP的摻量不宜超過膠凝材料總量的0.5%。

圖2是Igarashi[11]測定SAP對混凝土水化前7d自收縮影響的試驗結果。試驗結果表明，在混凝土未加入SAP時，當水灰比為0.25時，可以導緻250μm/m的變形，當水灰比達到0.30時，變形程度會達到200μm/m。但是，在混凝土中加入水泥質量0.35%的高吸水樹脂後，變形程度會減少到75μm/m，若加入水泥質量0.7%的高吸水樹脂後，變形程度會減少到25μm/m，這說明高吸水樹脂可以顯著抑制混凝土自收縮，抑制程度取決于加入的高吸水樹脂的量。

圖2 SAP對混凝土水化前7d自收縮的影響

SAP能降低混凝土的自收縮，特别對于低水灰比與低滲透性的混凝土，如所謂的高強混凝土、高性能混凝土和超高性能混凝土，摻加SAP收效較明顯。SAP作為内養護劑，其最明顯的作用在于減少混凝土的自收縮，摻加SAP對降低混凝土的幹燥收縮并預防早期開裂，也具有明顯的效果。

3.4耐久性

Palva[12]的研究顯示，摻入SAP并補充“附加水”，會增加砂漿拌合物的含氣量，降低砂漿拌合物的表觀密度。Laustaen[13]試驗得出，摻入SAP的混凝土的抗凍融性能顯著提高。何真[14]和丁以兵[15]等人的試驗結果表明，SAP能提高高性能混凝土的抗凍和抗滲性能，且SAP存在一個最佳的摻量。王德志等人[16]的研究認為，無論單摻SAP還是SAP與粉煤灰複摻，都可以改善混凝土的抗凍性能。

可以認為，摻入SAP可提高混凝土的抗滲、抗凍、抗氯離子滲透等性能，因此能改善混凝土的耐久性能。

4 展望

綜上所述，關于SAP對混凝土性能的影響，試驗研究工作已取得一定進展，但是SAP作為混凝土和砂漿内養護劑在實際應用中有較多技術問題需要解決，未來的研究可以從下面幾方面開展。

(1)在考慮混凝土和砂漿流動性的情況下，摻入SAP的同時，需補充“附加水”。随着SAP摻量的增加，“附加水”量需相應增加，最終留在混凝土内部的孔洞也會增加，這會導緻混凝土強度的降低。如何平衡摻SAP改善混凝土的養護效果提高混凝土強度的正面作用和因增加混凝土水膠比和留下孔洞對混凝土強度的負面作用，是需要大量試驗數據做支撐的。

(2)在實際應用中，SAP的種類(顆粒粒徑大小、形狀、吸水速度和吸水倍率)、摻量、摻入方式(幹摻和預吸水狀态摻入)等，都會對其在混凝土和砂漿中的應用效果産生一定影響，應進一步研究這些因素的影響規律，并作機理探索，以最大限度地發揮SAP的應用效果。

(3)拓寬SAP在混凝土中其他方面的應用潛能，如利用SAP遇水膨脹的特性，“愈合”混凝土構件的損傷，阻止水分進一步滲透。

(4)世界上第一個在實際工程中使用SAP的實例為德國凱澤斯勞滕施工的實驗性超薄預制混凝土構件---涼亭，該工程摻加改性SAP作為高性能混凝土的内養護劑。但除此之外，國内外SAP在混凝土中的應用效果研究大部分都隻是試驗室研究，鮮有對實際工程應用效果的描述。因此，今後應擴大SAP在實際工程中應用的範圍，增加應用量，以積累更多的應用經驗。

參考文獻

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