改善混凝土性能的新型外加剂——超吸水性树脂(SAP)

在混凝土技术高速发展的今天，各种改善混凝土性能的新型外加剂得到积极开发和研究，其中应用最为广泛的外加剂是高效减水剂。使用高效减水剂和矿物超细粉是获得高强高性能混凝土的主要方式。高强高性能的混凝土水灰比较低、水泥用量大、结构较致密，水泥在水化过程中往往因为自收缩过大而发生开裂，严重影响了其耐久性和使用年限，因此解决开裂问题对高性能混凝土的发展应用有着非常重要的意义。

SAP的类型较多，可从原料来源、官能团、亲水性和交联方法等进行分类，其中按原料来源可分为淀粉类、纤维素类以及合成聚合物类，应用在混凝土中的SAP大多数为丙烯酸胺-丙烯酸共聚型。

Jensen和Hansen认为SAP粒径大小会影响混凝土的性能，大的SAP粒子在搅拌过程中没有足够的时间去吸水导致效率降低，小的SAP粒子则相对其表面活性区域减少，吸水能力降低，认为SAP粒子在肿胀状态达到100μm左右最佳。Lura研究了50μm~250μm内不同粒径的SAP对自收缩的影响，掺量较小时，粒径较大的SAP减少自收缩的效果优于粒径较小的。Esteves研究了50μm~500μm尺寸的高吸水树脂，认为粒径大小会影响吸收速率和最大吸收力，并呈非线性关系。国内学者王文彬通过研究，发现SAP在吸水倍率相差不大的情况下，其尺寸越大抑制自收缩效果越明显。目前国内学者研究的SAP粒径多集中在50μm~250μm之间。

当干燥的SAP粒子在混凝土搅拌过程中接触到水，它们会迅速吸收并形成水腔，水的吸收数量主要依赖SAP自身的性质以及水泥浆中孔隙溶液的组成，SAP形成稳定的水包络物后，其中的水将会被混凝土中的毛细孔吸入或补充水泥水化消耗的水，SAP颗粒收缩形成了水泥浆中的气孔，因此添加SAP增大了混凝土的孔隙率。

在混凝土搅拌过程中干掺SAP会影响混凝土的流动性，主要是因为SAP会吸收水泥浆中的水分，改变混凝土系统中的水灰比，水泥浆稠度增加，流动性变小，Jensen和Hansen认为掺入相对水泥重量0.4%的SAP（SAP在水泥浆中吸水率12.5g/g）将使水灰比下降了0.05。不同SAP所吸收的自由水量不同，对流动性也会产生不同的影响。很多研究通过引入额外水来改善混凝土工作性，平衡SAP的掺量和额外水之间的关系是关键，其中文献更是得出拌合物中每多掺入0.1%SAP需引入0.015的额外水灰比的结论，不过此结论只适用于特定类型和粒径的SAP。还有的研究则通过调整SAP预吸水倍率来控制对新拌混凝土的工作性的影响。

目前关于掺入SAP后对混凝土强度的影响，由于试验材料SAP的种类和粒径、处理方法（干掺、预吸水），很多研究结果不尽相同，甚至得出的结论相悖，Jensen和Hansen通过45mm×90mm的砂浆圆柱（w/c=0.3，we/c=0.05，0.6%SAP）进行抗压强度的试验，强度降低了19%。Craeye在混凝土（w/c=0.32）中掺入不同掺量的SAP（水泥质量的0.2%、0.3%、0.4%），其28d抗压强度分别降低了15%、22%、28%，掺量越大，混凝土强度的损失越大。J. Justs也认为混凝土掺入SAP后抗压强度会降低，但仍可以达到高强混凝土的强度要求，28d可达到150MPa。Geiker等人研究发现，水灰比为0.35的水泥砂浆掺入SAP后（水泥质量的0.4%），由于最终的水化程度较高，28d的抗压强度提高了20%。王力尚通过实验发现干掺或预先吸收25倍水的SAP，虽增加了混凝土的用水量，但是混凝土的抗压强度却略有增加。王发洲认为虽然SAP的掺量不同会对混凝土抗压强度产生不同影响，但是混凝土的强度等级能够得到保证。

SAP最开始被应用于混凝土，主要是利用其吸水后可以稍后在水泥中水化、混凝土孔隙湿度减少的阶段释放出来，从而来解决高性能混凝土的早期开裂问题，因此关于SAP对混凝土自收缩的影响研究较多，基本上都认为掺入SAP后混凝土的自收缩值降低了。Jensen发现基准水灰比为0.3的水泥砂浆掺入0.3%和0.6%SAP（水泥质量）后未出现收缩，并由于连续不断的水化水的供应，出现了微膨胀的结果。J. Justs认为较低的SAP掺量对高性能混凝土自收缩的抑制作用不明显，而掺量在0.3%（水泥质量）的SAP可以降低其空白样收缩值达4倍。Geiker发现混凝土使用较大用量的饱水轻骨料可以有效缓解自收缩，而掺入0.4%的SAP即可达到此效果。黄政宇和王文彬通过研究均发现SAP的加入大大降低了混凝土的自收缩率。

吸水肿胀的SAP在水泥水化时将会释放水分收缩形成气孔，与传统引气剂相比其形成的气孔较为稳定，引气量和气孔的尺寸及形状可控制。此外SAP还可以携入部分空气到混凝土中去。SAP形成的气孔可以为水结冰时体积膨胀提供足够的空间。Laustsen通过添加两种不同膨胀直径（150μm和300μm）的SAP，并对其气孔量进行了调整控制，发现添加了SAP的混凝土抗冻性比普通混凝土要好，而且SAP的气孔量越多，抗冻性越好，粒径大的SAP改善混凝土抗冻性效果更好。同时他通过研究认为不考虑SAP额外携入的空气，仅SAP收缩形成气孔就可以保护混凝土防止冻害。Mönnig等发现混凝土中掺加少量SAP，其抗冻性提高了，在经历28次冻融循环后，剥蚀量可减少40%。

混凝土的渗透性对其耐久性有非常重要的作用，渗透性较差的混凝土可能导致氯离子侵蚀、碳化，硫酸盐侵蚀以及由水供应触发的碱骨料反应和饱水情况下的冻融破坏等。学者Reinhardt通过研究发现SAP可以大大降低了氧渗透性和水渗透性，SAP形成的气孔越大氧渗透性和水渗透性降低也越大。王伟通过研究发现，当SAP的掺量达到0.2%时（水泥质量），混凝土的抗渗透性尤其是冻融状态下的抗渗透性能够得到明显改善和提高。

综上所述，关于SAP对混凝土性能影响的研究取得了一定的进展，但SAP在实际应用中仍有许多技术问题未解决，未来的研究可以从下面几方面进行：

（1）SAP掺入混凝土中的额外引水量的控制仍然缺乏相应的准则，这也是造成实验结果出现偏差的原因。以其对混凝土的强度影响为例，如果SAP干掺不引入额外水灰比，由于吸收部分拌合水，实际的水灰比较低，并且SAP后期释放水分后可以提高水泥的水化程度，强度得以提高，但随着SAP掺量的增加，留在基体中的孔洞也越来越多，强度还会出现降低。除上述影响因素外，很多研究为保证工作性在掺入SAP时引入了额外水，此时混凝土总水灰比会变大，额外水的用量也会影响实验结果，如Hasholt就对Craeye的实验结论产生异议，他认为Craeye引入的额外水分过大，没有考虑SAP在水泥浆中吸水效率，才导致的抗压强度降低明显。如何控制合理的额外水的用量是拓宽SAP应用需要解决的重要问题之一。

（2）在实际应用中，SAP的种类（粒径大小、形状、吸收能力）、掺量、掺入方式（干掺和预吸水掺入）等都会对混凝土的力学以及耐久性能产生影响，应进一步研究这些因素的作用机理和规律。在满足力学性能的前提下，优化上述影响因素从而最大限度发挥SAP改善混凝土自收缩及抗冻抗渗等性能的作用。

（3）拓宽SAP在混凝土中的其他应用潜能，比如利用SAP的吸水和释水性能，可使混凝土的流变性能发生急剧变化，可用于喷射混凝土，利用SAP遇水膨胀的性能，可以应用于愈合混凝土构件等。

来源：墙材革新与建筑节能 2016.5，“超吸水性树脂（SAP）在混凝土中的应用研究”

作者：涂妮等