劉姝麟，張建球，唐巾評

(廣西交通科學(xué)研究院，廣西　南寧　530007)

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SAP內(nèi)養(yǎng)護對混凝土性能的影響研究

劉姝麟，張建球，唐巾評

(廣西交通科學(xué)研究院，廣西南寧530007)

劉姝麟(1988—)，碩士，主要從事碼頭工程檢測及新材料的開發(fā)與應(yīng)用工作；

張建球(1987—)，碩士，主要從事水運工程結(jié)構(gòu)檢測、評估與加固設(shè)計工作；

唐巾評(1988—)，碩士，主要從事水運工程設(shè)計、咨詢與安全評估工作。

摘要：文章總結(jié)分析了SAP和額外引用水的摻入對混凝土多方面性能的影響，包括工作性能、微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展、收縮、力學(xué)性能及耐久性等，為SAP內(nèi)養(yǎng)護對混凝土性能的影響研究工作提供思路。

關(guān)鍵詞：混凝土；SAP；力學(xué)性能；收縮；耐久性

0引言

因具有吸水保水性能好、重量輕、受壓后不易脫水等優(yōu)點，高吸水性樹脂(Super Absorb Polymer，簡稱SAP)作為內(nèi)養(yǎng)護材料在混凝土中的應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注。SAP摻入混凝土拌合加水之后開始吸水儲水，隨著水泥水化進行到一定程度基體內(nèi)部相對濕度降低時，SAP開始釋放出水分，促進水泥水化。SAP用于內(nèi)部自養(yǎng)護能減小自收縮，且對強度影響不大，是一種理想的內(nèi)養(yǎng)護材料。

SAP的內(nèi)養(yǎng)護，前期儲水后期釋水，為水泥提供進一步水化，使內(nèi)部結(jié)構(gòu)更致密，但同時為混凝土基體帶來一定量的孔洞。因此這一系列的作用變化，多少影響著混凝土正常的凝結(jié)硬化。大量試驗證明，SAP的摻入，對混凝土的諸多方面，如工作性能、微觀結(jié)構(gòu)的發(fā)展、收縮裂縫、力學(xué)性能、和耐久性等都產(chǎn)生

了影響。

1對工作性能的影響

作為內(nèi)養(yǎng)護材料，SAP主要有兩種摻入形式。(1)加入額外引用水改變原水灰比的方式：先與原材料混合均勻再加水拌合，或預(yù)先吸水再與原材料加水拌合；(2)不加入額外引用水不改變原水灰比，SAP直接摻入原材料混合均勻再加水拌合。但無論哪種形式，內(nèi)養(yǎng)護材料的摻入都影響著混凝土拌合物的工作性能。

對于摻入SAP對砂漿流動性的影響，不少學(xué)者進行了研究，均未改變原砂漿水灰比，只是拌合方式稍有區(qū)別。張宇[1]：摻入不超過水泥用量0.3%吸水飽和的SAP，試驗證明其能降低砂漿的流動性能，有效減小分層度，提高粘結(jié)強度?？紫槊鱗2]：摻入0.8%預(yù)吸水的SAP，得到的砂漿流動度均小于同水灰比的砂漿。舒冬梅[3]：摻入水泥質(zhì)量0.17%的SAP，試驗結(jié)果證明SAP吸鹽能力越強則對水泥漿流動性影響越強。根據(jù)Jensen[4，5]的結(jié)論，SAP的引入有一定的增稠作用，因其“吸收和固化”了新拌砂漿中一定量的自由水，改變了砂漿的流變性，能在未加入速凝劑的情況下使得砂漿快速成型。

對于摻入額外引用水的情況，Dudziak等人指出如果SAP所需的額外引用水摻量不足將帶來工作性能的大幅度喪失；但如果額外引用水量過剩，即便是微量的過剩也會引起混凝土黏度的顯著降低。王嘉[6]經(jīng)試驗指出，SAP會大大降低超高性能混凝土的流動性，但合適的額外引用水量能保證其工作性能；且早期的流動性減小，成型半小時后后期流動性增長。

目前考慮SAP對混凝土的工作性能影響有效的結(jié)論較少，除了以上研究成果，也有部分研究者觀察到坍落拓展度降低、流動時間與含氣量增加等現(xiàn)象。可以明確的是，只摻入SAP不摻入額外引用水必然導(dǎo)致混凝土拌合物流動性的降低，影響其工作性能。

2對微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響

SAP的加入提高了水泥顆粒的水化等級，使得水泥基體中的毛細管孔隙率降低，但同時萎縮的SAP顆粒又為其帶來了一定量孔洞。

SAP對于水化反應(yīng)影響的實驗結(jié)論差異較大。Igarashi試驗水灰比為0.25的水泥石，未加入額外引用水，在水化14 d時水化等級增加了，但SAP的不同摻量0.35%和0.7%，對水化等級并沒有太大的區(qū)別。56 d齡期時，摻入SAP的相對水化等級提高了10%。Esteves[7]試驗得到SAP能提高水泥水化和火山灰反應(yīng)，尤其是在水化作用的最初幾天。

M?nnig S與Igarashi S試驗中未加入額外引用水。前者觀察到成型第1 d，摻入SAP的混凝土與未摻組孔隙率并沒有不同，有的要低于未摻組。后者研究發(fā)現(xiàn)，摻入SAP的混凝土相比參考組孔隙率要小，結(jié)果表明從SAP中釋放的水量能持續(xù)讓水泥水化因此孔隙率更小，尤其是在后期的毛細管孔隙中更明顯。Dudziak[8]在摻入SAP與額外引用水的超高性能混凝土中與之有相同的發(fā)現(xiàn)。Mechtcherine[9]在混凝土中加入額外引用水，研究顯示SAP釋水干燥后帶來孔洞會增加混凝土的孔隙率。張珍林[10]指出總水灰比是決定試樣總孔隙率的首要因素，總水灰比越大，則孔隙率越大，而SAP的摻入對總孔隙率的影響不明顯。

因此可以看出，SAP的引入能促進基體的水化反應(yīng)提高水化等級，降低毛細管孔隙率。但對由引入SAP帶來的孔洞而導(dǎo)致總孔隙率的變化還沒有統(tǒng)一的結(jié)論?；炷羶?nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的發(fā)展還取決于一系列的材料參數(shù)[11]，例如SAP的顆粒尺寸和摻量，原始的水灰比和摻入SAP的拌合工藝，這都有深入研究的空間。

3對收縮的影響

SAP對混凝土開始凝結(jié)后的幾個小時自收縮的降低作用特別明顯，在高摻量的SAP和額外引用水的混凝土中約1.5～2 d的齡期能觀測到內(nèi)養(yǎng)護對自變形的影響。Slowik V等人[12]的實驗結(jié)果顯示摻入SAP和額外引用水能減小毛細孔壓力和相對塑性收縮。Jensen OM、Mechtcherine V等人[13-14]的研究表明SAP和額外引用水的摻入能顯著減少低水膠比混凝土的自收縮，且隨著SAP和額外引用水的增加作用效果越明顯。Esteves[7]試驗不同顆粒尺寸的SAP，表明顆粒尺寸的減小并不會提高內(nèi)養(yǎng)護效果，但會略微降低自變形，但還需要進一步的研究。胡曙光等人[15]認為SAP顆粒的引入，可延緩混凝土內(nèi)部相對濕度下降的速度，起到濕度補償?shù)淖饔茫徑庾愿稍铿F(xiàn)象，并減小由此產(chǎn)生的自收縮；但SAP顆粒釋水萎縮后會留下孔洞，降低其抗壓強度。提出從收縮和強度的角度考慮，SAP的最佳摻量不宜超過膠凝材料總量的0.5%。

SAP能降低混凝土的自收縮，特別是在低水灰比與低滲透性的結(jié)構(gòu)，如高性能或超高性能混凝土。陳德鵬等[16]平板法試驗結(jié)果顯示SAP可以使得混凝土的早期開裂及收縮減小30%～50%。何真等人[17]通過橢圓環(huán)約束開裂的試驗，指出SAP與礦物外加劑摻合能更好地發(fā)揮其抗裂性能。

SAP作為內(nèi)養(yǎng)護最大的作用是用來減少混凝土的收縮，但現(xiàn)今仍然缺少充分的理論知識解釋利用SAP來作為內(nèi)養(yǎng)護材料的機理。但綜上可以看出，SAP對于高性能混凝土的自收縮、干燥收縮與早期抗裂有著顯著的改善作用。

4對力學(xué)性能的影響

SAP在減少混凝土的自干燥和自收縮的同時，因為早期具有較高的孔隙率，會引起早期強度的降低。通常，混凝土強度取決于養(yǎng)護條件、齡期和原料組成，對于SAP帶來的強度影響，不同的研究者得到不同的試驗結(jié)果。

養(yǎng)護條件會影響摻入SAP的混凝土強度。大多數(shù)研究者研究養(yǎng)護方式對混凝土強度的影響，為了同時測試其自養(yǎng)護效果、自收縮和強度的影響會選擇密封養(yǎng)護。從Esteves LP[18]試驗結(jié)果來看密封養(yǎng)護對混凝土強度無太大影響，有時會使得強度稍有提高，但水下養(yǎng)護通常會大大降低其強度，因此SAP不適合于水下養(yǎng)護；相反，在不那么有利的養(yǎng)護條件，如相對濕度較低的條件下，SAP卻體現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢，不僅不會降低抗壓強度，甚至還能提高抗拉強度。而張珍林[10]提出對于含SAP的高強混凝土試塊，密封養(yǎng)護后的強度要略高于干燥養(yǎng)護。

SAP的摻入會降低混凝土強度，在水灰比越低的情況下，對強度影響越大，尤其是早期強度；部分試驗表明后期強度會保持不變甚至?xí)兴鲩L；部分研究發(fā)現(xiàn)混凝土的強度隨著SAP和額外引用水摻量的增大而降低。Lura試驗在20 ℃密封條件下養(yǎng)護水泥石和砂漿基石，發(fā)現(xiàn)SAP對高性能砂漿的強度基本無影響，但使得水泥石的早期、后期強度分別降低20%、10%。研究分析可能是由于不同原料組成的基體中的最大缺陷尺寸造成，即在水泥石中最大的孔隙是由顆粒尺寸最大的SAP留下的，而在砂漿基石中卻是水泥與骨料的接觸界面，因此SAP的引入顯著降低了水泥石的強度。胡曙光[15]研究表明膠凝材料總量0.5%的SAP對不同水膠比混凝土強度的影響規(guī)律基本相同，即對早期強度影響較小，而顯著降低后期強度。王嘉[6]指出額外用水量較大時，抗折強度和抗壓強度均有降低；額外用水量較小時，對抗壓強度無影響，但會略微降低抗折強度。孔祥明[2]試驗表明SAP提高了砂漿的力學(xué)強度，在水灰比0.5和0.6的砂漿中作用更為明顯。逢魯峰[19]試驗表明，合適的SAP和額外引水量能夠顯著提高混凝土的強度，最大幅度可達15%。Hoa Lam試驗結(jié)果表明SAP能帶來后期抗拉強度的增加，分析認為抗拉強度對裂縫較敏感，因而減少自干燥與自收縮帶來抗裂性能的提高。舒冬梅[3]研究顯示摻入SAP的水泥砂漿試樣在無任何外部養(yǎng)護措施的情況下可獲得較高的強度性能，尤其是抗折強度提高約20%。

在足夠的齡期下，摻入SAP會提高強度和彈性模量，原因可能是水泥顆粒的進一步水化能彌補早期強度的降低。理論上摻入SAP同樣會提高抗拉強度和彈性模量，但有些實驗結(jié)果會有出入。Dudziak L指出SAP幾乎不影響混凝土的彈性模量，且單摻SAP而不摻入額外用水量，會顯著降低水灰比較低的高強砂漿的抗壓抗拉和彈性模量。張珍林[10]指出摻入預(yù)吸水SAP會降低高強混凝土的彈性模量，且摻量越大，彈性模量越??；密封養(yǎng)護比干燥養(yǎng)護的試塊彈性模量更高。

強度對于混凝土來說是一項及其重要的性能，可以看出無論國內(nèi)外都有不少關(guān)于摻入SAP對于混凝土抗壓、抗彎、抗拉強度和彈性模量影響的研究，但對其他力學(xué)性能如蠕變和斷裂機理鮮有研究。SAP作為內(nèi)養(yǎng)護材料，如何科學(xué)地引入混凝土中，在減少自干燥和自收縮的同時不帶來強度的降低是不少研究者正在努力的方向。一些研究結(jié)果顯示，SAP能提高水泥顆粒的水化等級，且在之后的階段水泥水化產(chǎn)物會逐漸填充SAP的原始孔隙，也增加了后期的強度，因此28 d的強度甚至超過了未摻加SAP的參考組值。實際上，SAP的摻入常常會帶來早期強度的降低，然而合適的SAP摻量和額外引入水、優(yōu)質(zhì)的技術(shù)制作過程(拌合、澆筑和養(yǎng)護)能克服強度的降低。

5對耐久性的影響

SAP雖然對混凝土抗壓強度有一定的影響，但SAP的引入增加了封閉的孔洞，因此會使得水和氧氣的滲透性能保持不變甚至還會有所增加，提高抗凍性能。

流動性越好的混凝土拌合物越密實，因此含氣量就越低。Paiva[20]研究顯示，SAP和額外用水量的加入給砂漿拌合物帶來密度的降低和含氣量的增加。Laustsen[21]試驗得出摻入SAP的混凝土結(jié)構(gòu)能明顯提高抗凍融性能。何真[17]、丁以兵[22]等人試驗結(jié)果表明，SAP能提高高性能混凝土的抗凍和抗?jié)B性能，且存在一個最佳的摻量。王德志等人[23]研究認為，無論單摻SAP還是SAP與粉煤灰復(fù)摻，都可以改善混凝土的抗凍性能。Marianne T等人指出因為SAP的加入不僅增強了界面過渡區(qū)，而且促進進一步水化使得結(jié)構(gòu)更密實，因此降低了氯離子擴散系數(shù)。

可以看出，SAP的摻入對混凝土的抗?jié)B、抗凍、氯離子滲透及抗?jié)B性能都有一定的提高，因此能提高混凝土的耐久性能。

6結(jié)語

在建筑結(jié)構(gòu)中，SAP主要用來減少收縮、抗凍、改善流動性、防水、放火等。在混凝土結(jié)構(gòu)中，SAP的應(yīng)用大多還停留在實驗室階段，鮮有工程實例。SAP的摻入能改善混凝土的微觀孔隙結(jié)構(gòu)，提高水化等級；引入封閉的孔洞，能很好地提高抗?jié)B抗凍等耐久性能，但同時又給其強度帶來一定的影響。后續(xù)還需要更深入地研究，只要協(xié)調(diào)好以上問題，SAP在不同性能要求的混凝土工程上還是具有非常廣闊的應(yīng)用前景的。

參考文獻

[1]張宇，葉華，趙建青.高吸水樹脂改性建筑砂漿和易性和粘結(jié)性能的研究[J].化學(xué)建材，2004(5)：53-56，59.

[2]孔祥明，李啟宏.高吸水性樹脂對水泥砂漿體積收縮及力學(xué)性能的影響[J].硅酸鹽學(xué)報，2009(5)：855-861.

[3]舒冬梅.高吸水樹脂對水泥性能的影響[J].功能材料，2007，38(增刊)：3387-3390.

[4]Jensen O M，Hansen P F.Water-entrained cement-based materials II.Experimental observations[J].Cement and Concrete Research，2002，32(4)：973-978.

[5]Jensen O M.Use of superabsorbent polymers in construction materials[C].The 1st international conference on Microstructure Related Durability of Cementitious Composites，13-15 October 2008(10)：757-764.

[6]王嘉.高吸水性樹脂對超高性能混凝土性能的影響[D].湖南：湖南大學(xué)，2012.

[7]Esteves LP Internal curing in cement based materials[D].Aveiro University，2009.

[8]Dudziak L，Mechtcherine V.Reducing the cracking potential of ultra-high performance concrete by using super absorbent polymers(SAP)[C].Advances in Cement-based Materials，London，2010：11-19.

[9]Mechtcherine V，Dudziak L，Hempel S.Mitigating early age shrinkage of concrete by using Super Absorbent Polymers(SAP)[C].Creep，Shrinkage and Durability Mechanics of Concrete and Concrete Structures.London，2009：847-853.

[10]張珍林.高吸水性樹脂對高強混凝土早期減縮效果及機理研究[D].北京：清華大學(xué)，2013.

[11]Reinhardt W，Assmann A，M?nnig S.Superabsorbent polymers(saps)- an admixture to increase the durability of concrete[C].The 1st International Conference on Microstructure Related Durability of Cementitious Composites，Nanjing，2008：313-322.

[12]Slowik V，Schmidt M，F(xiàn)ritzsch R.Capillary pressure in fresh cement-based materials and identifi cation of the air entry value[J].Cem Concr Compos，2008，30(7)：557-565.

[13]Jensen O M，Hansen P F.Water-entrained cement-based materials I.Principles and theoretical background[J].Cement and Concrete Research，2001，31(4)：647-654.

[14]Dudziak L，Hempel S.Mitigating early age shrinkage of concrete by using Super Absorbent Polymers(SAP)[C].The 8th international conference on Creep，Shrinkage and Durability Mechanics of Concrete and Concrete Structures.30 September-2 October 2008，Ise-shima，2008：847-853.

[15]胡曙光，周宇飛，王發(fā)洲，等.高吸水性樹脂顆粒對混凝土自收縮與強度的影響[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(城市科學(xué)版)，2008(1)：1-4，16.

[16]陳德鵬，錢春香，高桂波，等.高吸水樹脂對混凝土收縮開裂的改善作用及其機理[J].功能材料，2007(3)：475-478.

[17]何真，陳衍，梁文泉，等.內(nèi)養(yǎng)護對混凝土收縮開裂性能的影響[J].新型建筑材料，2008(8)：7-11.

[18]Esteves LP，Cachim P，F(xiàn)erreira VM.Mechanical properties of cement mortars with superabsorbent polymers[J].Advances in Construction Materials，2007：451-462.

[19]逄魯峰.摻高吸水樹脂內(nèi)養(yǎng)護高性能混凝土的性能和作用機理研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2013.

[20]Paiva H，Esteves LP，Cachim PB，F(xiàn)erreira VM.Rheology and hardened properties of single-coat render mortars with different types of water retaining agents[J].Constr Build Mater.2009，23(2)：1141-1146.

[21]Laustsen S，Hasholt MT，Jensen OM.A new technology for air-entrainment of concrete[C].The 1st International Conference on Microstructure Related Durability of Cementitious Composites，13-15 October，Nanjing，China，2008：1223-1230.

[22]丁以兵，詹炳根，黃其海，等.自養(yǎng)護作用下的高性能混凝土抗凍與抗?jié)B性能[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2007(5)：603-606.

[23]王德志，孟云芳，韓靜云.超吸水聚合物內(nèi)養(yǎng)護對混凝土抗凍性的影響[J].混凝土與水泥制品，2010(1)：1-3.

Research on the Impact of SAP Internal Curing on Concrete Performance

LIU Shu-lin，ZHANG Jian-qiu，TANG Jin-ping

(Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

Abstract：This article summarized and analyzed the impact of SAP and the incorporation of additional water on multifaceted performance of concrete，including the work performance，microstructure development，shrinkage，mechanical properties and durability，thereby providing the ideas for the impact study of SAP internal curing on concrete performance.

Keywords：Concrete；SAP；Mechanical properties；Shrinkage；Durability

收稿日期：2016-01-17

文章編號：1673-4874(2016)02-0022-05

中圖分類號：U418

文獻標識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.02.005

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