高吸水樹脂在水泥基復合材料中的功能應用研究進展

＊楊進 邱基胤 蘇英 賀行洋*

（1.湖北工業大學 湖北 430068 2.湖北省建筑防水工程技術研究中心 湖北 430068）

1.引言

水泥混凝土是當前應用最廣泛的土木工程材料之一，被大量應用于房屋、橋梁、道路、機場和隧道等工程領域中。隨著我國土木工程建造技術的飛速發展和城鎮化的大力推進，人們對于水泥基復合材料的補縮抗裂、抗滲透、抗凍融、自修復等關鍵性能提出了更高的需求。由于水泥基復合材料本身固有的脆性和較低的抗拉強度，因此在養護成型以及后期服役中難免出現收縮、開裂、滲漏等工程問題。SAP吸水速度快、保水能力強、質量輕，即使在受熱、加壓條件下也不易脫水。正是由于SAP的特殊功能，將高吸水樹脂（SAP）引入水泥基復合材料中，有助于改善水泥基復合材料性能及功能不足。

SAP是一種具有三維交聯網絡結構的高分子材料，可吸收自身重量幾百倍甚至幾千倍的水分。高吸水樹脂內部的-CONH2、-COOH、-SO3H、-OH等親水性基團是誘發SAP吸水的首要條件[1]。這些親水性基團首先與水分子產生氫鍵作用，進而開始電離形成帶電荷基團，這些帶電基團一方面形成引發三維交聯網絡擴張的靜電斥力，另一方面形成樹脂吸水驅動力的內外離子滲透壓。圖1為不同粒徑SAP吸水過程模型圖[2]。當飽水后SAP處于更高濃度的溶液環境中時，SAP內部的水分會在離子滲透壓的作用下釋放，即SAP在溶液環境中具有較低的吸水倍率。另一方面，當SAP內部的陰離子基團與Mg2+、Ca2+、Al3+、Cu2+等陽離子形成配合物，將會降低樹脂內部陰離子基團間的靜電斥力，也會導致SAP由于吸水倍率降低而釋水。因此，SAP是一種具有吸水、儲水、釋水特性的有機高分子材料[2]。

圖1 不同顆粒粒徑SAP的吸水膨脹過程

2.SAP的流觸變調控功能

SAP具有特殊流變改性特性，即使少量的SAP也可以使漿體黏度大大提高，從而被用來調節混凝土拌合物的流變性能。同時，SAP凝膠顆粒本身也可能會對流變性能產生潛在影響。但大多數情況下，在研究SAP對流變性能影響時均忽略SAP顆粒本身的影響。例如：Mechtcherine等人[3]研究了

SAP改性新拌水泥砂漿的流變特性。結果表明，在含有丙烯酸系SAP的水泥砂漿中，SAP會快速釋放一部分最初吸收的水分，導致塑性黏度隨時間延長甚至略有下降；而在含有丙烯酸-丙烯酰胺系SAP的水泥砂漿中，SAP很大程度上保持了吸收的液體，塑性黏度隨時間穩定增加。另一方面，細顆粒的SAP吸收表面更大，使砂漿具有更高的屈服應力值和塑性黏度值；而大顆粒SAP雖然初始吸水速度較慢，但會持續吸收水分，導致屈服應力隨時間顯著增加。

3.SAP補縮抗裂功能

(1)干燥收縮

Kim等人[4]研究了SAP對混凝土試樣干燥收縮的影響。結果表明，隨著水膠比的降低，干燥收縮率降低，并且隨著SAP含量的增加，干燥收縮趨于降低。此外，當SAP含量為水泥質量的2.0%時，與添加額外混合水的試驗相比，水膠比為0.4時，干燥收縮率降低了約41%，水膠比為0.5時，干燥收縮率降低了約31%。無論水膠比高低，SAP的加入都顯著降低了干燥收縮率。

Liu等人[5]采用不同粒徑商業生產的丙烯酰胺/丙烯酸鈉共聚物，研究了SAP對UHPC干燥收縮性能的影響，結果如 圖2所示。研究發現，SAP的加入部分減緩了水遷移到表面的速度，為UHPC的內部提供了潮濕的環境，抑制了干燥收縮發展。同時，SAP對大尺寸試樣的收縮抑制效果優于小尺寸試樣。

圖2 SAP對UHPC總收縮和自收縮的影響[6]

(2)自收縮

Aday等[6]分別采用了κ-卡拉膠和聚丙烯酸交聯共聚的生物基SAP和N-異丙基丙烯酰胺交聯聚合的PNIPAM樹脂，研究了其對自收縮的影響規律。結果表明，與生物基SAP不同，PNIPAM不會在離子濃度較低的早期吸收大量拌合水，從而增加用水量。因此，其對凝結時間和水泥水化動力學的影響也較小。此外，還發現PNIPAM的摻加在7天和14天后比相同水膠比的對照組具有更低的自收縮應變。

(3)早期塑性收縮

RILEM TC 260-RSC在國際間實驗室開展了SAP對塑性收縮開裂影響的研究[7]，以探究SAP對嚴重干燥條件下混凝土塑性收縮裂縫的影響。研究發現，在常規混凝土中使用SAP可以顯著減少塑性收縮裂縫。同時，摻加SAP并向混凝土中引入適量的額外水可顯著減少塑性收縮開裂，這比僅添加相同量的水而不添加SAP時更為明顯。另外，SAP類型也會對混凝土的泌水性產生明顯影響，高保水性SAP可減少混凝土泌水，而當使用吸水速率較快的SAP時，泌水率會增加。最后，常規混凝土的抗壓強度僅略有降低，摻加0.15%和0.30% SAP的混凝土強度僅分別降低3%和10%。

4.SAP抗凍融功能

SAP在水泥基復合材料中釋水后，可在材料內部形成可調節的孔隙系統，對混凝土的抗凍性產生有益效果。這種特性具備傳統引氣劑的改性效果，由于使用了引氣劑，水泥基復合內部通常會產生夾帶空氣，而這些孔隙的代表作用是增加凍融阻力。然而，這種孔隙不能根據間隙和大小進行調整，并且會降低混凝土強度。另一方面，加入SAP后形成的孔隙可以在間隙和大小上進行調整，由于內部養護作用，有望提高水泥基復合材料強度。

Kim等[8]進行了SAP對水泥砂漿凍融性能影響的研究，在水養護的情況下，含有小粒徑SAP的水泥砂漿表現出比不含SAP對照組更高的抗凍融性。添加的SAP形成的孔隙起到了夾帶空氣的作用，從而提高了抗凍融性，但是SAP含量為0.9%的試樣在100次循環時損壞，而SAP含量為0.3%和0.6%的試樣在200次循環時損壞，表明過高的SAP摻量會導致抗凍性的降低。Xu等[9]研究了SAP與引氣劑復合對砂漿抗凍融性能的影響。引氣劑和SAP的復合摻加，在不犧牲砂漿抗壓強度的情況下，提高了砂漿的抗凍融性能。SAP的加入增加了平均孔徑，并導致空隙的重新分布。與引氣劑相比，SAP可以降低水灰比，并在后期的水泥水化過程中釋放水分，從而有利于提高抗壓強度。此外，引氣劑和SAP的復合使用改變了砂漿的內部孔隙結構，提高了砂漿的抗凍融性能。

5.SAP裂紋自愈合功能

自愈材料是指在損傷后能完全或部分愈合，從而恢復其部分或全部原有功能的材料。雖然目前可以通過技術手段減少混凝土的裂縫，但裂縫的產生是不可避免的。相比之下，自愈技術由于所需人力和成本較低，有望成為混凝土裂縫修復的一種具有良好前景的新型修復體系。當混凝土出現裂縫時，混凝土裂縫處的自愈合材料會在物理或化學的觸發下自動修復或封堵裂縫，從而降低滲透性。

SAP具備快速吸水，且體積顯著膨脹的特性，吸水前后具備較高的體積溶脹比，成為近幾年國內外廣泛關注的一種新型自修復材料。Chindasiriphan等[10]將粉煤灰與SAP的耦合用于提升混凝土的自愈合性能，并研究了裂縫寬度對愈合效率的影響。研究發現，初始裂紋寬度對自愈合速率和自愈合閾值有顯著影響。自愈28d時，初始裂縫寬度小于 0.25mm的試樣達到了較好的裂縫閉合效果，并在損傷部位形成永久性封堵產物，如圖3。

圖3 沿著開放裂縫沉積的自愈合產物的立體顯微鏡圖像[10]

Hanwen等[11]為了改善工程水泥基復合材料的自愈合行為和力學性能的恢復，通過環境掃描電子顯微鏡和能量色散X射線光譜研究了SAP自修復過程和自修復產物。結果表明，高/低相對濕度養護制度更有利于裂紋的自愈合。且SAP含量越高，預壓水平越低，試件抗彎剛度恢復越高，當SAP含量為4%時，自愈后的力學性能恢復較好。自愈合的產物為SAP水凝膠與Ca(OH)2/CaCO3的混合物。Hong等[12]研究了SAP對膠凝材料早期裂縫的自愈合效果。在早期開裂的膠凝材料中加入SAP可在短期內快速實現裂縫自封閉，并可長期改善裂縫自愈合。

6.總結與展望

高吸水樹脂（SAP）是一類具有吸水、儲水、釋水特性的高分子材料，可作為水泥基復合材料的新型化學添加劑。然而，SAP在水泥基復合材料中的功能應用研究仍存在諸多科學與技術問題需要探索與解決。

（1）SAP對水泥基復合材料性能/功能影響與其水分交換行為密不可分，其在水泥基復合材料內部及外部復雜因素作用下的吸水-保水-釋水動力學過程有待進一步深入研究。

（2）SAP通過在水泥基材料內部引入水分、補償濕度、釋水后形成孔洞并形成可調節的孔隙系統，從而提升水泥基復合材料的抗收縮開裂、抗凍融破壞等性能，但如何改善SAP釋水孔洞的負面影響仍需進一步研究。

（3）SAP作為一種新型的裂紋自愈合材料，具備快速吸水、吸水前后體積溶脹比高的特點，在裂紋快速封堵方面具有較好應用前景，但其工業化推廣應用還需進一步突破。