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【摘要】本文研究了吸水树脂（SAP）在不同条件下的吸释水特性，以及在水泥浆体中的释水特性。通过在低水胶比混凝土中引入吸水树脂（SAP）作为内养护材料，得出其对混凝土早龄期内部相对湿度与自收缩的影响规律以及两者的关系。在进行以上研究的基础上，进而实现了以吸水树脂（SAP）作为低水胶比混凝土内养护材料的设计与优化。
【关键词】吸水树脂（SAP）；内部相对湿度；自收缩；内养护；强度
1、绪论
1.1影响混凝土自收缩的因素分析
自收缩是因混凝土自干燥引起的本身不可避免的现象。一般认为，引起混凝土自收缩的因素主要有水胶比、胶凝材料、矿物掺合料、骨料等。当水胶比很低，混凝土的密实度高、渗透性低，即使在外界水中养护，水汽也很难渗透到混凝土内部，混凝土内部也会发生干燥自收缩现象。矿物摻合料的矿物组成、活性和细度与混凝土自收缩大小有密切关系。不同掺合料对自收缩的影响不同。骨料在混凝土中起骨架作用。自收缩因水泥浆体水化引起，骨料的弹性模量、品种与单位用量等都能引起混凝土自收缩。其他包括外加剂、养护温度、试件尺寸等因素对混凝土自收缩的影响也是不可忽略的。
1.2 混凝土自收缩的研究现状
国外对于混凝土自收缩的研究，起步相对较早。目前，国外对混凝土自收缩的机理研究认为主要是毛细孔张力理论，对于各种现象的解释也主要采用毛细管理论，但各种因素对自收缩的影响程度并没有一致意见。从国内研究进展来看，自收缩的研究工作侧重于混凝土内部湿度与自收缩的变化规律、低水胶比混凝土的长期强度和内部裂纹与自收缩的关系以及早期混凝土自收缩有效测量方法等几个方面。
1.3 混凝土自收缩的测量方法
对于混凝土自收缩的测量，世界各国都无统一标准可依，根据实际条件采用不同的方法。混凝土早期自收缩的测量方法主要可归纳如下：
1）传感器法：LVDT 传感器、电感应式传感器、振动电圈仪、埋入式应变片等；
2）光学测量法：激光测量仪、光学显微测量仪；
3）千分表法：两端预埋或侧面粘贴收缩测头测量；
4）体积法：测量体积变化。
2、原材料及试验方法
2.1 原材料
1）水泥（C）：采用某水泥厂生产的42.5普通硅酸盐水泥（OPC），其化学组成和物理性能指标参见表2-1；
2）硅灰（SF）：某钢铁公司生产的硅灰，比表面积20000 m2/kg，其矿物组成和物理性能指标参见表2-1；
表2-1 原材料的物理化学性能
3）粗集料（G）：石灰石碎石，粒径5～20mm。
4）细集料（S）：中砂，粒径≤5mm，细度模数2.8，含泥量小于1.0%。
5）吸水树脂（SAP）：聚丙烯酸钠吸水树脂。
6）减水剂（WRA）：萘系高效缓凝减水剂，减水率20%～25%。
2.2 试验方法
2.2.1 SAP在自然环境中吸释水特性的测量方法
1）吸水规律：先称取内养护材料干燥时重量，然后将内养护材料饱水一定时间，取出后擦净表面附着的水分，再称取其重量，再计算出其吸水率。
2）释水规律：将已吸水内养护材料盛于容器中在不同温度环境下放置，称量放置不同时间后内养护材料的重量，再计算出其含水率。
2.2.2 SAP在水泥浆体中释水特性的测量方法
用引入内养护材料前后水泥浆体的湿度变化规律表征内养护材料在水泥浆体中的释水特性，测量方法见图2-1。
图2-1 湿度测量示意图
试件尺寸为150×150×150mm，成型时在试件顶部插入直径为30mm的塑料管，预留内部湿度测试孔，塑料管插入深度为75mm。成型后将管口用凡士林密封，防止内外水分交换。混凝土脱模后立即用熔融石蜡将表面密封。采用WSX-Ⅱ型内部湿度测试仪测定混凝土内部湿度，精确到1%。测量时，将探头插入测试孔内，用凡士林将探头与测试孔之间的间隙密封，待湿度平衡后读取数。
2.2.3 自收缩的测量方法
试件成型时首先在模具内垫上一层塑料薄膜，试件两端预埋铜探头，成型1d后拆模，然后先用熔融石蜡对试件进行密封处理，再套上塑料薄膜包裹严实，养护条件为20±3℃。砂浆试件尺寸为20×20×280mm，用比长仪测量其收缩；混凝土试件尺寸为100×100×515mm，采用混凝土收缩测试仪测量其收缩，二者均精确到0.01mm，自收缩测试龄期与混凝土内部湿度测试龄期一一对应。
3、结果与讨论
3.1 温度对SAP吸释水特性的影响
分别考察SAP在20℃、50℃、100℃下的吸释水特性，实验结果如图3-1、3-2。
由图3-1可见，SAP在不同温度下的吸水能力很强，相对在20℃和50℃环境下，其在100℃环境下的吸水能力尤为突出，吸水速率也很快。由图3-2可见，SAP的释水规律受温度的影响较大。环境温度越高，释水速率越快。
3.2 SAP在水泥砂浆浆体中的释水特性
考察内养护材料在水泥砂浆中的释水规律，基本配比见表3-1：
、
由图3-3可见，在相同龄期内，掺入SAP的砂浆普遍比未掺入SAP的砂浆湿度要大，在前期和后期，掺入SAP的砂浆湿度基本都比未掺入SAP的砂浆湿度要高。SAP具有自身数十倍乃至数百上千倍的吸水能力和电解质效应。溶涨的SAP会在环境pH值或离子浓度变大的情况下释放出水分。因此，SAP可以使水化水泥体系在较长时间内保持较高的内部相对湿度，以保证水泥的水化持续进行，抑制早期干燥，达到控制自收缩的目的。
3.3 SAP对水泥砂浆性能的影响 SAP对水泥砂浆自收缩与强度的影响见下图。
由以上两图可见，SAP对于改善砂浆的收缩有着明显的作用。同时，掺入SAP后，水泥砂浆的力学性能并没有受到太多的影响。
3.4 SAP作为内养护材料的设计与优化
3.4.1 SAP作为低水胶比混凝土内养护材料的优选
综合前面实验结果，我们可以发现，掺入SAP后，砂浆试块中的湿度比对比试块的湿度要高，下降速率也慢一些，在早龄期时，砂浆试块的自收缩要明显好于对比试块，有效的抑制了自收缩的发展，其强度与对比试块强度基本一致，没有出现较大变化。
SAP作为水泥基材料的内养护材料，在水泥基材料拌制过程中加入，水泥制品可在不需要外部人工养护的情况下，可以增大砂浆内部湿度，有效抑制自收缩的发展，获得较好的强度等性能，从而达到自养护的目的。还可以使水泥混凝土的养护工序大为简化，降低后期的人工养护成本，而且有望有效地解决混凝土早期自收缩严重和难养护的问题。
3.4.2 SAP作为内养护材料对低水胶比混凝土性能的影响及分析
3.4.2.1 SAP对低水胶比混凝土性能的影响
由图3-6可见，掺入了占胶凝材料总重量0.3%的SAP的混凝土试块强度未出现明显变化；由图3-7可见，掺入SAP的混凝土试块在早龄期收缩比对比混凝土试块收缩要小；由图3-8可见，掺入SAP的混凝土试块在早龄期内部湿度要比对比混凝土试块湿度要高。这说明，SAP的掺入，提高了混凝土的内部湿度，减小了自收缩，起到了内养护的作用。
3.4.2.2 SAP改善低水胶比混凝土收缩性能的原因分析
低水胶比混凝土中对收缩起主要作用的成分是水泥石。随着水泥水化的进行，混凝土中的水量逐渐减少，相对湿度逐步降低。由于毛细管中存在着静水张力，小毛细管和胶孔中的水分蒸发或孔中的水出现凹液面后，就会在毛细管的孔壁上产生毛细管应力。毛细管应力逐渐增加，使水泥石承受负压作用，最终导致混凝土的收缩。减少低水胶比混凝土的收缩最直接的方法就是保持混凝土中的相对湿度，使水泥水化有充足的水分。在低水胶比混凝土中采用SAP部分替代普通粗集料的方法可以减少混凝土的收缩，这是因为在混凝土凝结硬化过程、养护和使用过程中，由于内养护材料中孔的尺度远大于水泥石中毛细孔的尺度，内养护材料所吸收的水分，随着混凝土表面水分的蒸发，会从内养护材料向水泥石迁移，返还部分的水分给水泥浆体，以供水泥颗粒进一步的水化。因此，预湿的内养护材料作为在混凝土内部的水分储备，在一段时间内能自动补给水泥水化用水，起到了内养护的效果，对低水胶比混凝土早期收缩起到一定的补偿作用。
结论：
SAP作为内养护材料时，其吸水速率受溫度影响很大，但饱和含水量相差不大。当向水泥浆体中引入适量的SAP后，由于SAP具有高吸水能力，在水泥浆体中掺入的量最小，能够有效的抑制水泥浆体的早期自收缩现象，引起的强度损失也相对很小。因此，通过本实验研究认为，在低水胶比混凝土中掺入占胶凝材料总重量的0.3%的SAP时，低水胶比混凝土的自收缩与强度损失均最小，达到了最佳的内养护效果。
参考文献：
[1]蒋正武，孙振平，王新友，等.国外混凝土自收缩研究进展评述[J].混凝土，2001.4：30-33.
[2]管娟，邓敏，沈洋.国内外高性能水泥浆体自收缩研究近况[J].粉煤灰综合利用，2005：34-38.
【关键词】吸水树脂（SAP）；内部相对湿度；自收缩；内养护；强度
1、绪论
1.1影响混凝土自收缩的因素分析
自收缩是因混凝土自干燥引起的本身不可避免的现象。一般认为，引起混凝土自收缩的因素主要有水胶比、胶凝材料、矿物掺合料、骨料等。当水胶比很低，混凝土的密实度高、渗透性低，即使在外界水中养护，水汽也很难渗透到混凝土内部，混凝土内部也会发生干燥自收缩现象。矿物摻合料的矿物组成、活性和细度与混凝土自收缩大小有密切关系。不同掺合料对自收缩的影响不同。骨料在混凝土中起骨架作用。自收缩因水泥浆体水化引起，骨料的弹性模量、品种与单位用量等都能引起混凝土自收缩。其他包括外加剂、养护温度、试件尺寸等因素对混凝土自收缩的影响也是不可忽略的。
1.2 混凝土自收缩的研究现状
国外对于混凝土自收缩的研究，起步相对较早。目前，国外对混凝土自收缩的机理研究认为主要是毛细孔张力理论，对于各种现象的解释也主要采用毛细管理论，但各种因素对自收缩的影响程度并没有一致意见。从国内研究进展来看，自收缩的研究工作侧重于混凝土内部湿度与自收缩的变化规律、低水胶比混凝土的长期强度和内部裂纹与自收缩的关系以及早期混凝土自收缩有效测量方法等几个方面。
1.3 混凝土自收缩的测量方法
对于混凝土自收缩的测量，世界各国都无统一标准可依，根据实际条件采用不同的方法。混凝土早期自收缩的测量方法主要可归纳如下：
1）传感器法：LVDT 传感器、电感应式传感器、振动电圈仪、埋入式应变片等；
2）光学测量法：激光测量仪、光学显微测量仪；
3）千分表法：两端预埋或侧面粘贴收缩测头测量；
4）体积法：测量体积变化。
2、原材料及试验方法
2.1 原材料
1）水泥（C）：采用某水泥厂生产的42.5普通硅酸盐水泥（OPC），其化学组成和物理性能指标参见表2-1；
2）硅灰（SF）：某钢铁公司生产的硅灰，比表面积20000 m2/kg，其矿物组成和物理性能指标参见表2-1；
表2-1 原材料的物理化学性能
3）粗集料（G）：石灰石碎石，粒径5～20mm。
4）细集料（S）：中砂，粒径≤5mm，细度模数2.8，含泥量小于1.0%。
5）吸水树脂（SAP）：聚丙烯酸钠吸水树脂。
6）减水剂（WRA）：萘系高效缓凝减水剂，减水率20%～25%。
2.2 试验方法
2.2.1 SAP在自然环境中吸释水特性的测量方法
1）吸水规律：先称取内养护材料干燥时重量，然后将内养护材料饱水一定时间，取出后擦净表面附着的水分，再称取其重量，再计算出其吸水率。
2）释水规律：将已吸水内养护材料盛于容器中在不同温度环境下放置，称量放置不同时间后内养护材料的重量，再计算出其含水率。
2.2.2 SAP在水泥浆体中释水特性的测量方法
用引入内养护材料前后水泥浆体的湿度变化规律表征内养护材料在水泥浆体中的释水特性，测量方法见图2-1。
图2-1 湿度测量示意图
试件尺寸为150×150×150mm，成型时在试件顶部插入直径为30mm的塑料管，预留内部湿度测试孔，塑料管插入深度为75mm。成型后将管口用凡士林密封，防止内外水分交换。混凝土脱模后立即用熔融石蜡将表面密封。采用WSX-Ⅱ型内部湿度测试仪测定混凝土内部湿度，精确到1%。测量时，将探头插入测试孔内，用凡士林将探头与测试孔之间的间隙密封，待湿度平衡后读取数。
2.2.3 自收缩的测量方法
试件成型时首先在模具内垫上一层塑料薄膜，试件两端预埋铜探头，成型1d后拆模，然后先用熔融石蜡对试件进行密封处理，再套上塑料薄膜包裹严实，养护条件为20±3℃。砂浆试件尺寸为20×20×280mm，用比长仪测量其收缩；混凝土试件尺寸为100×100×515mm，采用混凝土收缩测试仪测量其收缩，二者均精确到0.01mm，自收缩测试龄期与混凝土内部湿度测试龄期一一对应。
3、结果与讨论
3.1 温度对SAP吸释水特性的影响
分别考察SAP在20℃、50℃、100℃下的吸释水特性，实验结果如图3-1、3-2。
由图3-1可见，SAP在不同温度下的吸水能力很强，相对在20℃和50℃环境下，其在100℃环境下的吸水能力尤为突出，吸水速率也很快。由图3-2可见，SAP的释水规律受温度的影响较大。环境温度越高，释水速率越快。
3.2 SAP在水泥砂浆浆体中的释水特性
考察内养护材料在水泥砂浆中的释水规律，基本配比见表3-1：
、
由图3-3可见，在相同龄期内，掺入SAP的砂浆普遍比未掺入SAP的砂浆湿度要大，在前期和后期，掺入SAP的砂浆湿度基本都比未掺入SAP的砂浆湿度要高。SAP具有自身数十倍乃至数百上千倍的吸水能力和电解质效应。溶涨的SAP会在环境pH值或离子浓度变大的情况下释放出水分。因此，SAP可以使水化水泥体系在较长时间内保持较高的内部相对湿度，以保证水泥的水化持续进行，抑制早期干燥，达到控制自收缩的目的。
3.3 SAP对水泥砂浆性能的影响 SAP对水泥砂浆自收缩与强度的影响见下图。
由以上两图可见，SAP对于改善砂浆的收缩有着明显的作用。同时，掺入SAP后，水泥砂浆的力学性能并没有受到太多的影响。
3.4 SAP作为内养护材料的设计与优化
3.4.1 SAP作为低水胶比混凝土内养护材料的优选
综合前面实验结果，我们可以发现，掺入SAP后，砂浆试块中的湿度比对比试块的湿度要高，下降速率也慢一些，在早龄期时，砂浆试块的自收缩要明显好于对比试块，有效的抑制了自收缩的发展，其强度与对比试块强度基本一致，没有出现较大变化。
SAP作为水泥基材料的内养护材料，在水泥基材料拌制过程中加入，水泥制品可在不需要外部人工养护的情况下，可以增大砂浆内部湿度，有效抑制自收缩的发展，获得较好的强度等性能，从而达到自养护的目的。还可以使水泥混凝土的养护工序大为简化，降低后期的人工养护成本，而且有望有效地解决混凝土早期自收缩严重和难养护的问题。
3.4.2 SAP作为内养护材料对低水胶比混凝土性能的影响及分析
3.4.2.1 SAP对低水胶比混凝土性能的影响
由图3-6可见，掺入了占胶凝材料总重量0.3%的SAP的混凝土试块强度未出现明显变化；由图3-7可见，掺入SAP的混凝土试块在早龄期收缩比对比混凝土试块收缩要小；由图3-8可见，掺入SAP的混凝土试块在早龄期内部湿度要比对比混凝土试块湿度要高。这说明，SAP的掺入，提高了混凝土的内部湿度，减小了自收缩，起到了内养护的作用。
3.4.2.2 SAP改善低水胶比混凝土收缩性能的原因分析
低水胶比混凝土中对收缩起主要作用的成分是水泥石。随着水泥水化的进行，混凝土中的水量逐渐减少，相对湿度逐步降低。由于毛细管中存在着静水张力，小毛细管和胶孔中的水分蒸发或孔中的水出现凹液面后，就会在毛细管的孔壁上产生毛细管应力。毛细管应力逐渐增加，使水泥石承受负压作用，最终导致混凝土的收缩。减少低水胶比混凝土的收缩最直接的方法就是保持混凝土中的相对湿度，使水泥水化有充足的水分。在低水胶比混凝土中采用SAP部分替代普通粗集料的方法可以减少混凝土的收缩，这是因为在混凝土凝结硬化过程、养护和使用过程中，由于内养护材料中孔的尺度远大于水泥石中毛细孔的尺度，内养护材料所吸收的水分，随着混凝土表面水分的蒸发，会从内养护材料向水泥石迁移，返还部分的水分给水泥浆体，以供水泥颗粒进一步的水化。因此，预湿的内养护材料作为在混凝土内部的水分储备，在一段时间内能自动补给水泥水化用水，起到了内养护的效果，对低水胶比混凝土早期收缩起到一定的补偿作用。
结论：
SAP作为内养护材料时，其吸水速率受溫度影响很大，但饱和含水量相差不大。当向水泥浆体中引入适量的SAP后，由于SAP具有高吸水能力，在水泥浆体中掺入的量最小，能够有效的抑制水泥浆体的早期自收缩现象，引起的强度损失也相对很小。因此，通过本实验研究认为，在低水胶比混凝土中掺入占胶凝材料总重量的0.3%的SAP时，低水胶比混凝土的自收缩与强度损失均最小，达到了最佳的内养护效果。
参考文献：
[1]蒋正武，孙振平，王新友，等.国外混凝土自收缩研究进展评述[J].混凝土，2001.4：30-33.
[2]管娟，邓敏，沈洋.国内外高性能水泥浆体自收缩研究近况[J].粉煤灰综合利用，2005：34-38.