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(jiǎn)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(diǎn)，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(duì)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(chǔ)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(duì)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(shí)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(duì)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(gè)個(gè)孔洞。其吸收非常迅速，幾分鐘之內(nèi)便能吸足水分，釋水時(shí)間始于終凝，相比吸水時(shí)間較長(zhǎng)，并在之后的幾天內(nèi)完成。

1.1 吸水能力

SAP顆粒的大小會(huì)影響其吸水性能。在混凝土拌和過程中，如果SAP顆粒太大，會(huì)因?yàn)槲畷r(shí)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(gè)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(gè)粒徑50μm的干燥SAP顆粒在不到1min的時(shí)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?？紫槊鞯热耍?］測(cè)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(yàn)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(yàn)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(shí)際處于高離子含量的水泥漿體環(huán)境中。而研究證明二價(jià)或者三價(jià)的陽(yáng)離子，如Ca2＋、Al3＋會(huì)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(yàn)，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(huì)導(dǎo)致SAP迅速釋放較多量的水分，容易對(duì)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(yàn)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(duì)濕度降低時(shí)，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(jí)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(jí)0.1之后，結(jié)束約在水化等級(jí)為0.65時(shí)。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(shí)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(shí)，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(shí)，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(duì)于SAP釋水特性，尤其是持續(xù)時(shí)間，較難用一個(gè)確定的試驗(yàn)方法測(cè)定，因此雖然不少學(xué)者進(jìn)行了研究，但并沒有一個(gè)較為統(tǒng)一的結(jié)論，且現(xiàn)今的試驗(yàn)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(duì)濕度降低時(shí)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(huì)大大降低強(qiáng)度，更會(huì)影響其他各項(xiàng)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?yàn)椴灰?guī)則狀顆?？赡芤鸶蟮膽?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(guó)內(nèi)少有細(xì)顆粒的球狀SAP，因此大部分試驗(yàn)研究中選擇的SAP顆粒為不規(guī)則狀。當(dāng)SAP粒徑＜100μm時(shí)，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(yàn)不同的顆粒尺寸，表明SAP顆粒尺寸的減小并不會(huì)提高內(nèi)養(yǎng)護(hù)效果，但還需更多的試驗(yàn)去解釋這一現(xiàn)象。從大量試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(duì)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(yàn)結(jié)果顯示SAP摻量＞0.5%時(shí)，會(huì)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(shí)，對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)混凝土強(qiáng)度的降低作用最明顯。

孔祥明［2］試驗(yàn)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(yàn)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(shí)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(yàn)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(jià)值。

大部分研究者試驗(yàn)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(duì)耐久性能有一定的提高，但會(huì)對(duì)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(yàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

SAP因?yàn)槠涮厥獾男阅埽玫皆絹碓蕉嘌芯咳藛T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(guó)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(yàn)階段，鮮有實(shí)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。

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