sap高吸水树脂工艺流程（超吸水树脂SAP在混凝土中的应用研究）

超吸水树脂(SAP)在混凝土中的应用研究

2017-03-14 文/孙振平教授课题组

1前言

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。超吸水树脂(super absorbent resin，以下简称“SAP”)发明于二十世纪80年代，是一种交联高分子化合物，其分子链上含有羧基、磺酸基、羟基和酰胺基等亲水官能团，能够吸收相当于自重几十倍到几千倍的水，在接触水或水溶液后开始肿胀形成水凝胶，具有良好的保水性。SAP最早应用于卫生和保健领域，之后工程界开始考虑将其应用于混凝土并开展试验研究[1]。作为一种新型的外加剂，SAP可以用来调节混凝土凝结和硬化时的水分平衡，有望用作低水胶比混凝土的内养护剂。

本文简要介绍SAP在混凝土中的内养护机理、SAP对混凝土性能的影响，并对SAP作为混凝土内养护剂的应用前景进行展望。

2 内养护与SAP内养护机理

目前混凝土的养护方法分为外部养护和内部养护两种。通常，大部分混凝土结构工程的养护都是采用外部养护方法，如直接喷洒水、覆塑料薄膜（或草袋），或者表面喷洒养护剂等。这些方法不但消耗人力与资源，而且对于低水胶比混凝土来说，外部养护用水很难进入混凝土内部，后期即使经过长时间浸水也只能浸入几毫米，无法提供内部未水化水泥颗粒继续水化所需的水分。若采取表面喷洒养护剂的方法，很容易因某些部位喷洒难度高，或因疏忽而造成“漏喷”，导致混凝土缺乏良好的养护而引起强度发展“乏力”甚至产生开裂。

图1 SAP在混凝土中吸水水分变化示意图

3 SAP对混凝土性能的影响

SAP作为混凝土内养护剂，前期储水后期释水，保证水泥得以充分水化，使混凝土内部结构更致密，强度继续增长，但掺入SAP对混凝土性能也产生一定影响。

3.1工作性

由于SAP具有较强吸水性，在混凝土中掺入SAP时，可考虑采用额外增加用水量和不增加用水量两种方式。

不少学者研究了SAP对砂浆流动性的影响，均在未改变原砂浆水灰比的情况下进行。张宇[3]在砂浆中掺入不超过水泥质量0.3%的SAP，试验表明其会降低砂浆的流动性，但能有效减小分层度，提高砂浆粘结强度。根据Jensen[4-5]的结论，SAP具有一定的增稠作用，因其“吸收和锁住”了新拌砂浆中的部分自由水，改变了砂浆的流变性，能在未加入速凝剂的情况下使砂浆快速成型。

如果考虑SAP的吸水特性，制备掺加SAP的砂浆和混凝土时，适当增加用水量（所谓的“附加用水量”），则可保证砂浆和混凝土的流动性，又改善砂浆和混凝土的保水性和粘聚性。

3.2强度

目前关于SAP对混凝土强度影响的研究，由于试验材料SAP的种类、粒径和掺入方式等的不同，结果不尽相同，甚至存在相悖的结论。Jensen[4]对水胶比为0.3，SAP掺量为0.6%的砂浆进行抗压强度的试验，发现掺SAP的砂浆其强度较未掺者降低了19%。Craeye[6]在混凝土中分别掺入0.2%、0.3%和0.4%(相对于水泥质量)的SAP，其28d抗压强度较未掺者分别降低了15%、22%和28%。可见，混凝土强度的损失随SAP掺量的增加而增大。

但是Geiker[7]等人的研究发现，水胶比为0.35的水泥砂浆掺入SAP(占水泥质量的0.4%)后，由于最终的水化程度较高，其28d抗压强度提高了20%。王力尚[8]通过试验发现，直接掺SAP（所谓的“干掺”）和掺加预先吸收25倍水的SAP，虽增加了混凝土的用水量，但都略微提高了混凝土的抗压强度。

3.3收缩性

掺SAP对混凝土凝结后几小时内自收缩的降低作用特别明显。Slowik等人[9]的研究结果显示，掺入SAP并补充“附加水”，能减小混凝土内部毛细孔压力和塑性收缩。Jensen等人[4-5]的研究表明，掺SAP并补充“附加水”，能显著减少低水胶比混凝土的自收缩，且作用效果随着SAP和“附加水”量的增加而越发明显。胡曙光等人[10]认为SAP颗粒的引入，可延缓混凝土内部相对湿度下降的速度，起到湿度补偿的作用，缓解自干燥现象，并减小由此产生的自收缩；但SAP颗粒释水萎缩后会留下孔洞，降低混凝土的抗压强度。从收缩和强度的角度综合考虑，SAP的掺量不宜超过胶凝材料总量的0.5%。

图2是Igarashi[11]测定SAP对混凝土水化前7d自收缩影响的试验结果。试验结果表明，在混凝土未加入SAP时，当水灰比为0.25时，可以导致250μm/m的变形，当水灰比达到0.30时，变形程度会达到200μm/m。但是，在混凝土中加入水泥质量0.35%的高吸水树脂后，变形程度会减少到75μm/m，若加入水泥质量0.7%的高吸水树脂后，变形程度会减少到25μm/m，这说明高吸水树脂可以显著抑制混凝土自收缩，抑制程度取决于加入的高吸水树脂的量。

图2 SAP对混凝土水化前7d自收缩的影响

SAP能降低混凝土的自收缩，特别对于低水灰比与低渗透性的混凝土，如所谓的高强混凝土、高性能混凝土和超高性能混凝土，掺加SAP收效较明显。SAP作为内养护剂，其最明显的作用在于减少混凝土的自收缩，掺加SAP对降低混凝土的干燥收缩并预防早期开裂，也具有明显的效果。

3.4耐久性

Palva[12]的研究显示，掺入SAP并补充“附加水”，会增加砂浆拌合物的含气量，降低砂浆拌合物的表观密度。Laustaen[13]试验得出，掺入SAP的混凝土的抗冻融性能显著提高。何真[14]和丁以兵[15]等人的试验结果表明，SAP能提高高性能混凝土的抗冻和抗渗性能，且SAP存在一个最佳的掺量。王德志等人[16]的研究认为，无论单掺SAP还是SAP与粉煤灰复掺，都可以改善混凝土的抗冻性能。

可以认为，掺入SAP可提高混凝土的抗渗、抗冻、抗氯离子渗透等性能，因此能改善混凝土的耐久性能。

4 展望

综上所述，关于SAP对混凝土性能的影响，试验研究工作已取得一定进展，但是SAP作为混凝土和砂浆内养护剂在实际应用中有较多技术问题需要解决，未来的研究可以从下面几方面开展。

(1)在考虑混凝土和砂浆流动性的情况下，掺入SAP的同时，需补充“附加水”。随着SAP掺量的增加，“附加水”量需相应增加，最终留在混凝土内部的孔洞也会增加，这会导致混凝土强度的降低。如何平衡掺SAP改善混凝土的养护效果提高混凝土强度的正面作用和因增加混凝土水胶比和留下孔洞对混凝土强度的负面作用，是需要大量试验数据做支撑的。

(2)在实际应用中，SAP的种类(颗粒粒径大小、形状、吸水速度和吸水倍率)、掺量、掺入方式(干掺和预吸水状态掺入)等，都会对其在混凝土和砂浆中的应用效果产生一定影响，应进一步研究这些因素的影响规律，并作机理探索，以最大限度地发挥SAP的应用效果。

(3)拓宽SAP在混凝土中其他方面的应用潜能，如利用SAP遇水膨胀的特性，“愈合”混凝土构件的损伤，阻止水分进一步渗透。

(4)世界上第一个在实际工程中使用SAP的实例为德国凯泽斯劳滕施工的实验性超薄预制混凝土构件---凉亭，该工程掺加改性SAP作为高性能混凝土的内养护剂。但除此之外，国内外SAP在混凝土中的应用效果研究大部分都只是试验室研究，鲜有对实际工程应用效果的描述。因此，今后应扩大SAP在实际工程中应用的范围，增加应用量，以积累更多的应用经验。

参考文献

[1]涂妮,谷鑫.超吸水性树脂(SAP)在混凝土中的应用研究[J].墙材革新与建筑节能, 2016 (5): 67-70.

[2]逄鲁峰.掺高吸水树脂内养护高性能混凝土的性能和作用机理研究[D].北京:中国矿业大学, 2013.

[3]张宇,叶华,赵建青.高吸水树脂改性建筑砂浆和易性和粘结性能的研究[J].化学建材, 2004, 20(5): 53-56.

[4] Jensen O M, Hansen P F.Water-entrained cement-based materials[J]. Cement and Concrete Research,2002,8(2): 4-8.

[5] Jensen O M. Use ofsuperabsorbent polymers in concrete[J]. Concrete international, 2013, 35(1):48-52.

[6] Craeye B, Geirnaert M, DeSchutter G. Super absorbing polymers as an internal curing agent for mitigationof early-age cracking of high-performance concrete bridge decks[J].Construction and Building Materials, 2011, 25(1): 1-13.

[7] Justs J, Wyrzykowski M,Bajare D, et al. Internal curing by superabsorbent polymers in ultra-highperformance concrete[J]. Cement and Concrete Research, 2015, 76: 82-90.

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[9] Slowik V, Schmidt M, Fritzsch R. Capillary pressure in fresh cement-basedmaterials and identification of the air entry value[J]. Cement and Concretecomposites, 2008, 30(7): 557-565.

[10]胡曙光,周宇飞,王发洲等.高吸水性树脂颗粒对混凝土自收缩与强度的影响[J].华中科技大学学报(城市科学报), 2008, 25(1): 1-4.

[11]Igarashi S I. Experimental study on prevention ofautogenous deformation by internal curing using super-absorbent polymerparticles[C]. International RILEM Conference on Volume Changes of HardeningConcrete: Testing and Mitigation. 2006:77-86.

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[13] Laustsen S, Hasholt M T, Jensen O M. A new technology forair-entrainment of concrete[J]. Microstructure Related Durability ofCementitious Composites, 2008, 12(2): 14-16.

[14]何真,陈衍,梁文泉,等.内养护对混凝土收缩开裂性能的影响[J].新型建筑材料, 2008, (8): 7-11.

[15]丁以兵,詹炳根,黄其海,等.自养护作用下的高性能混凝土抗冻与抗渗性能[J].合肥工业大学学报(自然科学版), 2007, 30(5): 603-606.

[16]王德志,孟云芳,韩静云.超吸水聚合物内养护对混凝土抗冻性的影响[J].混凝土与水泥制品, 2010, (1): 1-3.

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