SAP内养护对混凝土性能的影响研究

刘姝麟，张建球，唐巾评

(广西交通科学研究院，广西　南宁　530007)



SAP内养护对混凝土性能的影响研究

刘姝麟，张建球，唐巾评

(广西交通科学研究院，广西南宁530007)

刘姝麟(1988—)，硕士，主要从事码头工程检测及新材料的开发与应用工作；

张建球(1987—)，硕士，主要从事水运工程结构检测、评估与加固设计工作；

唐巾评(1988—)，硕士，主要从事水运工程设计、咨询与安全评估工作。

摘要：文章总结分析了SAP和额外引用水的掺入对混凝土多方面性能的影响，包括工作性能、微观结构发展、收缩、力学性能及耐久性等，为SAP内养护对混凝土性能的影响研究工作提供思路。

关键词：混凝土；SAP；力学性能；收缩；耐久性

0引言

因具有吸水保水性能好、重量轻、受压后不易脱水等优点，高吸水性树脂(Super Absorb Polymer，简称SAP)作为内养护材料在混凝土中的应用受到越来越多的关注。SAP掺入混凝土拌合加水之后开始吸水储水，随着水泥水化进行到一定程度基体内部相对湿度降低时，SAP开始释放出水分，促进水泥水化。SAP用于内部自养护能减小自收缩，且对强度影响不大，是一种理想的内养护材料。

SAP的内养护，前期储水后期释水，为水泥提供进一步水化，使内部结构更致密，但同时为混凝土基体带来一定量的孔洞。因此这一系列的作用变化，多少影响着混凝土正常的凝结硬化。大量试验证明，SAP的掺入，对混凝土的诸多方面，如工作性能、微观结构的发展、收缩裂缝、力学性能、和耐久性等都产生

了影响。

1对工作性能的影响

作为内养护材料，SAP主要有两种掺入形式。(1)加入额外引用水改变原水灰比的方式：先与原材料混合均匀再加水拌合，或预先吸水再与原材料加水拌合；(2)不加入额外引用水不改变原水灰比，SAP直接掺入原材料混合均匀再加水拌合。但无论哪种形式，内养护材料的掺入都影响着混凝土拌合物的工作性能。

对于掺入SAP对砂浆流动性的影响，不少学者进行了研究，均未改变原砂浆水灰比，只是拌合方式稍有区别。张宇[1]：掺入不超过水泥用量0.3%吸水饱和的SAP，试验证明其能降低砂浆的流动性能，有效减小分层度，提高粘结强度。孔祥明[2]：掺入0.8%预吸水的SAP，得到的砂浆流动度均小于同水灰比的砂浆。舒冬梅[3]：掺入水泥质量0.17%的SAP，试验结果证明SAP吸盐能力越强则对水泥浆流动性影响越强。根据Jensen[4，5]的结论，SAP的引入有一定的增稠作用，因其“吸收和固化”了新拌砂浆中一定量的自由水，改变了砂浆的流变性，能在未加入速凝剂的情况下使得砂浆快速成型。

对于掺入额外引用水的情况，Dudziak等人指出如果SAP所需的额外引用水掺量不足将带来工作性能的大幅度丧失；但如果额外引用水量过剩，即便是微量的过剩也会引起混凝土黏度的显著降低。王嘉[6]经试验指出，SAP会大大降低超高性能混凝土的流动性，但合适的额外引用水量能保证其工作性能；且早期的流动性减小，成型半小时后后期流动性增长。

目前考虑SAP对混凝土的工作性能影响有效的结论较少，除了以上研究成果，也有部分研究者观察到坍落拓展度降低、流动时间与含气量增加等现象。可以明确的是，只掺入SAP不掺入额外引用水必然导致混凝土拌合物流动性的降低，影响其工作性能。

2对微观结构发展的影响

SAP的加入提高了水泥颗粒的水化等级，使得水泥基体中的毛细管孔隙率降低，但同时萎缩的SAP颗粒又为其带来了一定量孔洞。

SAP对于水化反应影响的实验结论差异较大。Igarashi试验水灰比为0.25的水泥石，未加入额外引用水，在水化14 d时水化等级增加了，但SAP的不同掺量0.35%和0.7%，对水化等级并没有太大的区别。56 d龄期时，掺入SAP的相对水化等级提高了10%。Esteves[7]试验得到SAP能提高水泥水化和火山灰反应，尤其是在水化作用的最初几天。

Mönnig S与Igarashi S试验中未加入额外引用水。前者观察到成型第1 d，掺入SAP的混凝土与未掺组孔隙率并没有不同，有的要低于未掺组。后者研究发现，掺入SAP的混凝土相比参考组孔隙率要小，结果表明从SAP中释放的水量能持续让水泥水化因此孔隙率更小，尤其是在后期的毛细管孔隙中更明显。Dudziak[8]在掺入SAP与额外引用水的超高性能混凝土中与之有相同的发现。Mechtcherine[9]在混凝土中加入额外引用水，研究显示SAP释水干燥后带来孔洞会增加混凝土的孔隙率。张珍林[10]指出总水灰比是决定试样总孔隙率的首要因素，总水灰比越大，则孔隙率越大，而SAP的掺入对总孔隙率的影响不明显。

因此可以看出，SAP的引入能促进基体的水化反应提高水化等级，降低毛细管孔隙率。但对由引入SAP带来的孔洞而导致总孔隙率的变化还没有统一的结论。混凝土内部微观结构的发展还取决于一系列的材料参数[11]，例如SAP的颗粒尺寸和掺量，原始的水灰比和掺入SAP的拌合工艺，这都有深入研究的空间。

3对收缩的影响

SAP对混凝土开始凝结后的几个小时自收缩的降低作用特别明显，在高掺量的SAP和额外引用水的混凝土中约1.5～2 d的龄期能观测到内养护对自变形的影响。Slowik V等人[12]的实验结果显示掺入SAP和额外引用水能减小毛细孔压力和相对塑性收缩。Jensen OM、Mechtcherine V等人[13-14]的研究表明SAP和额外引用水的掺入能显著减少低水胶比混凝土的自收缩，且随着SAP和额外引用水的增加作用效果越明显。Esteves[7]试验不同颗粒尺寸的SAP，表明颗粒尺寸的减小并不会提高内养护效果，但会略微降低自变形，但还需要进一步的研究。胡曙光等人[15]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，降低其抗压强度。提出从收缩和强度的角度考虑，SAP的最佳掺量不宜超过胶凝材料总量的0.5%。

SAP能降低混凝土的自收缩，特别是在低水灰比与低渗透性的结构，如高性能或超高性能混凝土。陈德鹏等[16]平板法试验结果显示SAP可以使得混凝土的早期开裂及收缩减小30%～50%。何真等人[17]通过椭圆环约束开裂的试验，指出SAP与矿物外加剂掺合能更好地发挥其抗裂性能。

SAP作为内养护最大的作用是用来减少混凝土的收缩，但现今仍然缺少充分的理论知识解释利用SAP来作为内养护材料的机理。但综上可以看出，SAP对于高性能混凝土的自收缩、干燥收缩与早期抗裂有着显著的改善作用。

4对力学性能的影响

SAP在减少混凝土的自干燥和自收缩的同时，因为早期具有较高的孔隙率，会引起早期强度的降低。通常，混凝土强度取决于养护条件、龄期和原料组成，对于SAP带来的强度影响，不同的研究者得到不同的试验结果。

养护条件会影响掺入SAP的混凝土强度。大多数研究者研究养护方式对混凝土强度的影响，为了同时测试其自养护效果、自收缩和强度的影响会选择密封养护。从Esteves LP[18]试验结果来看密封养护对混凝土强度无太大影响，有时会使得强度稍有提高，但水下养护通常会大大降低其强度，因此SAP不适合于水下养护；相反，在不那么有利的养护条件，如相对湿度较低的条件下，SAP却体现出了一定的优势，不仅不会降低抗压强度，甚至还能提高抗拉强度。而张珍林[10]提出对于含SAP的高强混凝土试块，密封养护后的强度要略高于干燥养护。

SAP的掺入会降低混凝土强度，在水灰比越低的情况下，对强度影响越大，尤其是早期强度；部分试验表明后期强度会保持不变甚至会有所增长；部分研究发现混凝土的强度随着SAP和额外引用水掺量的增大而降低。Lura试验在20 ℃密封条件下养护水泥石和砂浆基石，发现SAP对高性能砂浆的强度基本无影响，但使得水泥石的早期、后期强度分别降低20%、10%。研究分析可能是由于不同原料组成的基体中的最大缺陷尺寸造成，即在水泥石中最大的孔隙是由颗粒尺寸最大的SAP留下的，而在砂浆基石中却是水泥与骨料的接触界面，因此SAP的引入显著降低了水泥石的强度。胡曙光[15]研究表明胶凝材料总量0.5%的SAP对不同水胶比混凝土强度的影响规律基本相同，即对早期强度影响较小，而显著降低后期强度。王嘉[6]指出额外用水量较大时，抗折强度和抗压强度均有降低；额外用水量较小时，对抗压强度无影响，但会略微降低抗折强度。孔祥明[2]试验表明SAP提高了砂浆的力学强度，在水灰比0.5和0.6的砂浆中作用更为明显。逢鲁峰[19]试验表明，合适的SAP和额外引水量能够显著提高混凝土的强度，最大幅度可达15%。Hoa Lam试验结果表明SAP能带来后期抗拉强度的增加，分析认为抗拉强度对裂缝较敏感，因而减少自干燥与自收缩带来抗裂性能的提高。舒冬梅[3]研究显示掺入SAP的水泥砂浆试样在无任何外部养护措施的情况下可获得较高的强度性能，尤其是抗折强度提高约20%。

在足够的龄期下，掺入SAP会提高强度和弹性模量，原因可能是水泥颗粒的进一步水化能弥补早期强度的降低。理论上掺入SAP同样会提高抗拉强度和弹性模量，但有些实验结果会有出入。Dudziak L指出SAP几乎不影响混凝土的弹性模量，且单掺SAP而不掺入额外用水量，会显著降低水灰比较低的高强砂浆的抗压抗拉和弹性模量。张珍林[10]指出掺入预吸水SAP会降低高强混凝土的弹性模量，且掺量越大，弹性模量越小；密封养护比干燥养护的试块弹性模量更高。

强度对于混凝土来说是一项及其重要的性能，可以看出无论国内外都有不少关于掺入SAP对于混凝土抗压、抗弯、抗拉强度和弹性模量影响的研究，但对其他力学性能如蠕变和断裂机理鲜有研究。SAP作为内养护材料，如何科学地引入混凝土中，在减少自干燥和自收缩的同时不带来强度的降低是不少研究者正在努力的方向。一些研究结果显示，SAP能提高水泥颗粒的水化等级，且在之后的阶段水泥水化产物会逐渐填充SAP的原始孔隙，也增加了后期的强度，因此28 d的强度甚至超过了未掺加SAP的参考组值。实际上，SAP的掺入常常会带来早期强度的降低，然而合适的SAP掺量和额外引入水、优质的技术制作过程(拌合、浇筑和养护)能克服强度的降低。

5对耐久性的影响

SAP虽然对混凝土抗压强度有一定的影响，但SAP的引入增加了封闭的孔洞，因此会使得水和氧气的渗透性能保持不变甚至还会有所增加，提高抗冻性能。

流动性越好的混凝土拌合物越密实，因此含气量就越低。Paiva[20]研究显示，SAP和额外用水量的加入给砂浆拌合物带来密度的降低和含气量的增加。Laustsen[21]试验得出掺入SAP的混凝土结构能明显提高抗冻融性能。何真[17]、丁以兵[22]等人试验结果表明，SAP能提高高性能混凝土的抗冻和抗渗性能，且存在一个最佳的掺量。王德志等人[23]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。Marianne T等人指出因为SAP的加入不仅增强了界面过渡区，而且促进进一步水化使得结构更密实，因此降低了氯离子扩散系数。

可以看出，SAP的掺入对混凝土的抗渗、抗冻、氯离子渗透及抗渗性能都有一定的提高，因此能提高混凝土的耐久性能。

6结语

在建筑结构中，SAP主要用来减少收缩、抗冻、改善流动性、防水、放火等。在混凝土结构中，SAP的应用大多还停留在实验室阶段，鲜有工程实例。SAP的掺入能改善混凝土的微观孔隙结构，提高水化等级；引入封闭的孔洞，能很好地提高抗渗抗冻等耐久性能，但同时又给其强度带来一定的影响。后续还需要更深入地研究，只要协调好以上问题，SAP在不同性能要求的混凝土工程上还是具有非常广阔的应用前景的。

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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

文章编号：1673-4874(2016)02-0022-05

中图分类号：U418

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.02.005

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