谢鹏  蓝堂伟

四川华西绿舍建材有限公司  四川  成都  610041

摘要：采用高吸水率树脂SAP作为混凝土内养护剂，应用于C40与C60混凝土中，研究了内养护剂用量与预吸水率对混凝土工作性能、抗压强度与自收缩性能的影响。结果表明：SAP的吸水倍率最高可达150倍；预吸水SAP的掺入能提高混凝土的工作性能与经时损失；SAP的掺入可降低混凝土前期抗压强度，但是合适的掺量可以提高混凝土后期抗压强度；由于预吸水SAP中水分的逐步释放，SAP可以在一定程度上降低混凝土的部分自收缩变形。

关键词：SAP内养护剂；工作性能；抗压强度；收缩性能

引言

混凝土的早期开裂现象是影响混凝土质量的重要原因之一。混凝土开裂的主要原因包括混凝土的绝热温升以及自收缩[1]。高强混凝土由于水灰比较低，导致混凝土化不完全，混凝土的温升和自收缩较大，因此高强混凝土的早期开裂问题较普通混凝土更为严重，一旦开裂，混凝土的质量难以保证[2]。

近几年，研究人员采用内养护剂技术用于改善混凝土的收缩性能，减少混凝土开裂[3]。混凝土的内养护剂技术是指在混凝土中通过加入吸水材料来提供内部水源，这类吸水性材料可以根据外界条件，调整和转换储存、释水功能。吸水材料在混凝土中，可以不断向周围释水，补充水泥石内部水分消耗，使混凝土内部有足够的水进行二次水化，从而有效降低自收缩[4]。内养护剂主要包括高吸水性树脂与多孔轻集料[5]。

Bentur[6]研究表明多孔轻集料可以降低自收缩，但后续研究发现多孔轻集料对强度影响较大，研究表明[7]在水胶比为0.34时，能减小50%自收缩值，但28d强度下降15%；当减小90%自收缩值时，28d强度下降近30%。Jensen[8]认为轻集料对混凝土弹性模量影响较大，且轻集料粒径对混凝土强度及内养护效果影响较大，较难控制实验结果一致，提出使用高吸水树脂（SAP）作为内养护剂。

高吸水性树脂（SAP）是近几年来国内外混凝土内养护剂研究的重点方向[9]。SAP最大特点在于其超高的吸水倍率，致使其在极少掺量的情况下能引入较多的内养护水，使得其内养护性能优异。众多研究表明，掺入SAP 并引入适当的内养护水后，会明显降低混凝土早期自收缩的发展，在配比合理情况下减缩效果可达90%，效果较多孔轻骨料优异。虽然SAP可以有效降低混凝土早期收缩，但是对混凝土的工作性与力学性能具有重要影响[10-11]。

本文考虑实际情况，采用高吸水聚合物SAP作为混凝土内养护剂，研究SAP内养护剂的吸水性能，以及SAP对混凝土工作性能、力学性能、自收缩性能的影响。

1  试验部分

1.1  原材料
水泥：P·O42.5R水泥，3d抗压强度33MPa，28d抗压强度50MPa；

粗骨料：碎石，粒径5～25mm，其性能指标见表1；

细集料：机制砂，其性能指标见表2；

减水剂：江苏苏博特的聚羧酸高效减水剂，固含量11%，减水率25%；

内养护剂：宜兴市可信的化工有限公司的SAP，细度分别为60～100目、120～180目。

1.2  试验方法

1.2.1 混凝土配合比

本文采用C40与C60混凝土配合比不变，只调整内养护剂掺量，研究内养护剂对混凝土各项性能的影响。试验所用混凝土配合比见表3。

1.2.2 测试方法

吸水倍率：本试验采用尼龙茶袋法计算吸水倍率，准确称取0.1000g内养护剂，置于预先准备的200目尼龙茶袋中，把尼农茶袋放在盛有400ml自来水或饱和氢氧化钙溶液的烧杯中充分溶胀，在烧杯中取出尼龙茶袋悬挂15min，称量，按式（1）计算吸水倍率。

式中：Q—内养护剂的吸水倍率（%）；

m1—内养护剂吸液24h后与茶袋的总质量（g）；

m2—干茶袋的质量（g）；

m3—内养护剂吸水前的质量（g）。

压力泌水：准备好压力泌水仪，按要求将试样分两次装入压力泌水仪中，并插捣密实，捣实的混凝土拌合物表面低于压力泌水仪缸体筒口（30±2）mm，压力泌水仪安装完毕后应在15s内给混凝土拌合物试样加压至3.2MPa，并应在2s内打开泌水阀门，同时开始计时，并保持恒压，泌出的水介入150ml烧杯里，移至量筒中读取泌水量，精确至1ml；加压至10s读取泌水量V10（mL），加压至140s时读取泌水量V140（mL），压力泌水率BV按式（2）计算，BV精确至1%。

式中：BV—压力泌水率（%），精确至1%；

V10—加压至10s时的泌水量（mL）；

V140—加压至140s时的泌水量（mL）。

抗压强度：参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试，试件尺寸100mm×100mm×100mm；

自收缩：试件成型尺寸为100mm×100mm×300mm，成型养护1d后将试块密封养护，测试不同龄期混凝土的膨胀率ε。膨胀率ε按式（3）进行测试，精确至0.001%。

式中：ε—所测龄期的限制膨胀率（%）；

Lt—所测龄期的时间长度测量值（mm）；

L0—试件的基准长度，L0=300mm；

L—初始长度测量值（mm）。

2  结果与讨论

2.1 SAP吸水倍数测试

以往试验常采用去离子水或者盐溶液作为测试内养护剂吸水倍率的测试溶液，但实际应用中通常采用自来水作为混凝土拌合水。本实验参考实际情况，分别采用自来水、饱和氢氧化钙作为测试溶液。SAP内养护剂置于混凝土中时，可吸收孔隙液，因此采用饱和氢氧化钙溶液模拟孔隙液。

表4为不同目数SAP分别在饱和氢氧化钙溶液、自来水中的吸水倍率。由表4可知，在自来水中，不同目数SAP的吸水倍率不同，但均具有150左右的倍率，其中，目数越小，其吸水倍率稍大；饱和氢氧化钙溶液中，SAP的吸水倍率明显低于自来水中的倍率，其中，SAP的目数越大其吸水倍率大。后续试验所采用的SAP目数均为120～180目。

2.2 混凝土工作性能

试验中，内养护剂掺量按胶凝材料总质量计，采用外掺法，SAP实现采用预吸水处理。试验研究证明在不影响混凝土工作性能的情况下，SAP吸水倍率最高达15倍。因此本试验中SAP的预吸水倍率采用15倍率。

表5为不同掺量SAP对混凝土工作性能及1h、2h经时损失的影响。由表5可知，预吸水15倍率SAP的掺入可以提高混凝土的塌落度、扩展度与倒筒时间。在1h、2h后，掺SAP混凝土均能保持较好的工作性能。当SAP掺量达到0.4%时，混凝土拌合物出现压力泌水值为1.96%，说明在掺量过大时，SAP易导致混凝土出现泌水现象，这主要是由于SAP吸水后，形成滚珠，在混凝土拌合物中提高混凝土流动性，而当SAP掺量过高时，SAP易出现团聚，SAP释水性提高，保水性下降。当未预吸水的SAP掺入混凝土中时，混凝土拌合物的状态未出现较大变化。SAP在混凝土拌合物中吸收自由水，导致混凝土流动性有所降低，但混凝土保水性提高。

图1为不同掺量SAP对C40、C60混凝土抗压强度的影响。由图1可知，SAP的掺入导致混凝土的7d抗压强度出现明显降低，随着SAP掺量的增加，混凝土抗压强度的降低程度逐渐增大。

C40混凝土中，0.1%与0.2%掺量的SAP对混凝土28d、60d抗压强度影响逐渐减小，且抗压强度差值较小。当掺量达到0.4%时，混凝土抗压强度降低程度增大，60d龄期时，其相较于空白混凝土仍降低了16%。

C60混凝土中，SAP的掺量对混凝土抗压强度影响较小，28d龄期后，不同掺量混凝土抗压强度差值小于10%。其中，0.1%掺量SAP对混凝土抗压强度的影响明显高于0.2%与0.4%掺量。

结果说明，预吸水SAP对混凝土的早期抗压强度影响较大，且在水灰比越低、过掺情况下，SAP对混凝土的影响减小。主要原因一是预吸水SAP会增加混凝土的总水灰比，增加混凝土的总孔隙率；二是SAP中的水逐渐释放完毕后失水后的SAP会坍缩成孔，进一步增加混凝土的孔隙率；三是预吸水SAP的掺入会延缓水泥前2d的水化过程，因此导致混凝土前期抗压强度下降。

图2为SAP在预吸水15倍状态下与未预吸水状态下对混凝土抗压强度的影响。由图2可知，未预吸水的SAP相较于预吸水的SAP可以提高混凝土抗压强度。7d龄期时，SAP掺量越大，混凝土抗压强度越大，随着龄期的增长，0.2%掺量SAP的混凝土抗压强度高于其他掺量。因此说明，相较于预吸水状态，干掺SAP在适当掺量下，可以提高混凝土抗压强度。

2.4 混凝土收缩性能

图4为预吸水15倍的SAP在不同掺量时混凝土的28d自收缩性能。由图4可知，各组混凝土浇筑成型后在前3d自收缩状态大致一致。随着龄期的增长，S1～S4的混凝土自收缩的收缩程度低于普通混凝土的自收缩量。这表明，SAP中储存的内养护水在水化过程中逐步释放，提高混凝土内部的湿度，降低了内部的自干燥程度，从而抑制了混凝土的自收缩变形。但是随着SAP中水分的逐步释放，SAP内养护作用会逐渐减弱，所以SAP内养护作用无法完全消除混凝土的自收缩变形，只能在一定程度上降低混凝土的部分自收缩变形。

结论

（1）不同目数SAP的吸水倍率变化较小，在自来水中，SAP的吸水倍率可达150倍，在氢氧化钙饱和溶液中吸水倍率达100倍。

（2）预吸水SAP的掺入能提高混凝土的工作性能，减小经时损失，未预吸水的SAP可提高混凝土保水性能，但流动性降低。

（3）SAP的掺入可降低混凝土前期抗压强度，但是合适的掺量可以提高混凝土后期抗压强度。

（4）由于预吸水SAP中水分的逐步释放，SAP可以在一定程度上降低混凝土的部分自收缩变形。

参考文献

[1] WU L , FARZADNIA N , SHI C , et al. Autogenous shrinkage of high performance concrete: A review[J]. Construction and Building Materials, 2017, 149:62-75.

[2] CRAEYE B , GEIRNAERT M , SCHUTTER G D . Super absorbing polymers as an internal curing agent for mitigation of early-age cracking of high-performance concrete bridge decks[J]. Construction & Building Materials, 2011, 25(1):1-13.

[3] 吴文选．内养护混凝土的微观结构及其性能研究[D].武汉：武汉理工大学，2010．

[4] 何锐, 谈亚文, 薛成,等. 以高吸水性树脂为混凝土内养护剂的研究进展[J]. 中国科技论文, 2019, 14(4):464-470.

[5] YE G, BREUGEL K V, LURA P, et al. Application of Super Absorbent Polymers (SAP) in Concrete Construction[M]. Springer Netherlands, 2012.

[6] BENTUR A，IGARASHI S，KOVLER K．Prevention of autoge-nous shrinkage in high-strength concrete by internal curing using wet light weight aggregates ［J］.Cement and Concrete Research，2001( 31):1587-1591．

[7] 王发洲，周宇飞，丁庆军，等.预湿轻集料对混凝土内部相对湿度特性的影响[J].材料科学与工艺，2008，3（16）：366-369.

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

[9] LIU J , FARZADNIA N , KHAYAT K H , et al. Effects of SAP characteristics on internal curing of UHPC matrix[J]. Construction and Building Materials, 2021.

[10] MA X , ZHANG J , LIU J . Review on superabsorbent polymer as internal curing agent of high performance cement-based material[J]. Kuei Suan Jen Hsueh Pao/ Journal of the Chinese Ceramic Society, 2015, 43(8):1099-1110.

[11] CRAEYE B , GEIRNAERT M , SCHUTTER G D . Super absorbing polymers as an internal curing agent for mitigation of early-age cracking of high-performance concrete bridge decks[J]. Construction and Building Materials, 2011, 25(1):1-13.

作者简介

谢鹏，男，1986年生，高级工程师，主要从事预拌混凝土技术质量管理工作。

通信作者：蓝堂伟，1994年生，工程师。