Cement Concrete Res.：混凝土用高吸水性聚合物的研究进展

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Cement Concrete Res.：混凝土用高吸水性聚合物的研究进展

题目

题目： 

Recent progress in superabsorbent polymers for concrete

混凝土用高吸水性聚合物的研究进展

关键词

外加剂；水泥浆体；冻融；内养护；动力学；力学性能；渗透率；聚合物；孔隙溶液；流变学；自封闭/自修复；收缩；传输特性；可工作性

来源

出版年份：2022

来源：Cement and Concrete Research

课题组：德累斯顿工业大学Christof Schröfl课题组

研究背景

高吸水聚合物（SAPs）作为水泥基建筑材料的化学外加剂越来越受到关注。SAPs是由物理/化学交联结合在一起的三维网络聚合物，它们能够从干燥到膨胀。SAPs最初是作为水库，即“储水源”，为高性能混凝土（HPC）的基体提供水分，其中水泥水化所需的水无法从外部输送。聚合物被引入作为矿物轻质骨料（LWA）用于内部养护的替代品。

研究出发点

高吸水聚合物（SAPs）在混凝土中的应用包括改变流变性、内部固化以减轻塑性和自生收缩、自密封和自修复裂缝以及改善冻融耐久性，但是也有一些问题，比如力学强度降低、难以比较含有SAP的水泥浆和不含SAP的水泥浆的水含量。因此有必要研究SAP及其周围流体的相互作用。

研究内容

详细研究了不同阴离子度和交联密度的丙烯酸酯基SAP的吸收率（即吸收速度、吸收液保留率和长期吸收能力）之间的关系。为了解胶凝材料中SAP的各种应用奠定了基础，并将对其进行阐述。其应用领域包括裂缝的自密封和自愈合，如防止冻融变质的空气夹杂，以及阻碍与氯化物有关的损伤机制。

图1 不同的SAP在干燥状态下的比较，球形（左）和不规则（右）

图 2 （a）在水泥滤液中浸泡的SAP的泡袋试验的膨胀比（Q）；（b）含0.2% SAP水泥重量砂浆的自收缩结果。对于（a）和（b），研究了不同浓度丙烯酸（AA）的聚（丙烯酸-丙烯酰胺）SAP的吸附性能和内固化性能对聚合物化学性质的影响

图 3 SAP的自修复效果是通过中子射线照相研究的，它是时间的函数[每张射线照相都有白色标签]。破裂的参考样品（0 – CRA）[中间灰色区域]显示30秒内水的流动[最深颜色]，而含有SAP的样品（1B – CRA）的水头由于含有1 -%重量的SAP而显示完全修复

图 4 用SAPs促进自体修复的例子

主要结论

关于水泥基建筑材料中SAPs的研究主要集中在工程方面，而来自其他应用领域的现成聚合物产品已经被使用，但近年来科学界对聚合物物理化学问题的兴趣已经扩大了。这些SAPs通常基于丙烯酸化学，但生物基替代品，部分通过接枝或交联反应进行修饰，代表着一个不断崛起的研究领域。在此过程中，化学家和土木工程师之间的密切互动已被证明是高效的，未来的研究仍应加强这种合作。

混凝土中的SAPs最初旨在通过内部养护来减轻自生收缩，采用类似于预饱和多孔轻质骨料的微小蓄水分布在整个基质中的想法。工作机制基于水泥水化过程中数小时和数天的水脱附，其中脱附是由于聚合物固有性质、孔隙溶液的离子条件和毛细力之间微妙的相互作用而发生的。

除了自生收缩外，还证明SAPs能有效减轻塑性收缩及其相关的开裂倾向。除了减轻收缩外，还阐明了多种有益效果，其中硬化混凝土中裂缝的自密封和自修复是一个主要话题。在这一领域，SAPs的pH依赖性膨胀（在混凝土制备过程中）和再膨胀（通过裂缝进水时）性质对于SAPs沿裂缝保留水分以促进矿物相生长和关闭裂缝非常重要。

SAPs的其他效果包括改善混凝土的冻融耐久性和改变流变学。在第一种情况下，基质中坍塌（即脱附）的SAP部分留下的孔隙与表面活性剂基气体引入剂引入的气孔类似。后者涉及到混凝土制备和安放期间混合水的吸收。除了接受这种效应并经验地控制流变学参数外，还应通过系统研究活动来获得更深入的理解，以预测并理想地控制它们。这应包括更深入地研究结构特征明确的SAPs与高效减水剂、矿物掺合料（除波特兰水泥外）以及基本新型矿物粘结剂复合材料以及泵送或增材制造（3D打印）等加工技术之间吸附特性的相互作用。

尽管仍然存在许多问题，但SAPs已经进入大型结构混凝土应用，并成功展示了它们的多种优势。

本期编者简介

翻译：

于坷坷          硕士生  深圳大学

审核：

程博远          博士生       深圳大学

排版：

汤高翔          硕士生  深圳大学

本期学术指导

何   闯          博士后  深圳大学

龙武剑          教    授  深圳大学

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2021.106648