高吸水性聚合物 (SAP) 改性水泥基体系中的收缩与水分传输：考察 SAP 粒径和水分可用性的影响

《CEMENT & CONCRETE COMPOSITES》：Shrinkage and moisture transport in superabsorbent polymer (SAP)-modified cementitious systems: Examining SAP particle size and water availability effects

　　

摘要

高吸水性聚合物（SAP）被广泛用作内部养护剂，以减轻水泥基材料的收缩。虽然SAP的性能取决于粒径和周围水分供给情况，但在不同粒径和水分供给条件下控制收缩的机制仍未得到充分理解。本文报告了在SAP吸水被补偿或未被补偿的配合比设计条件下（即补偿用水体制和非补偿用水体制），SAP粒径的作用，通过将吸水-释水行为与水化反应响应、收缩应变、水分传输和强度联系起来进行阐述。在非补偿用水体制下，细粒径SAP对收缩的降低效果最大，这与增强的水分再分配和降低的内部湿度梯度相一致。相比之下，在补偿用水体制下，粗粒径SAP更有效，这与其在过量水分条件下更快的释水速度相一致，从而促进水分向周围基体的释放。本文还阐明了SAP粒径在两种用水体制下对水化反应响应、强度和水分传输的影响及其相关机制。此外，还提出了一个水分供给指数（WDI），以将SAP的水分可利用性与SAP分布的模拟空间描述符相结合。结果表明，SAP辅助收缩控制的 governing 机制随用水补偿策略的变化而变化，从非补偿条件下的水分再分配控制行为转变为补偿条件下的水分释放主导行为。这一机制框架为根据所采用的用水补偿策略合理选择SAP粒径提供了依据，同时保持水化、力学性能和水分传输特性。

章节片段

引言

早期收缩仍然是水泥基材料中的一个主要挑战，因为相关的体积变形会引发裂缝、损害力学完整性，并通过有害介质的侵入降低长期耐久性[1]、[2]、[3]、[4]。当水泥基体内部产生显著的水分梯度时，开裂风险更加明显，因为差异性收缩会导致受约束的拉应力[5]、[6]、[7]、[8]。在水泥基体系中，

材料

使用符合ASTM C150标准的I/II型普通波特兰水泥（OPC）和符合ASTM C568标准的石灰石粉作为胶凝材料组分。将一种商品化的聚（丙烯酸）/聚丙烯酰胺共聚物交联钾盐SAP（由Chase Corporation提供）作为内部养护剂引入，其干粒子主要呈角形和不规则形，中值粒径（d₅₀）为90 μm，表观堆积密度约为550 g/L。为了研究SAP

收缩行为

非补偿（水灰比为0.35）和补偿用水（水灰比为0.38）体系的自收缩演化过程见图3（a–b）。对照组表现出最高的收缩，其特征是早期快速变形后逐渐趋于稳定，这与水化过程中的自干燥以及内部相对湿度相应降低有关[9]、[11]、[12]。随着水化的进行，孔隙水的消耗导致

结论

本研究通过将吸水-释水行为与收缩、水化、水分传输和力学性能联系起来，系统地探索了SAP粒径在非补偿和补偿用水体制下的作用。SAP的有效性受到粒径与水分可利用性之间相互作用的强烈影响，后者控制着内部水分动力学和内部应力的演化。所研究的SAP粒径组分对应于

CRediT作者贡献声明

Narayanan Neithalath：写作——审阅与编辑、监督、资源、项目管理、基金获取、概念化。Ravi Kiran：写作——审阅与编辑、资源、研究调查、概念化。Maedeh Hesami：写作——审阅与编辑、方法论、数据整理。Avinaya Tripathi：写作——审阅与编辑、方法论、概念化。Aniket Kumar Patel：写作——审阅与编辑、写作——初稿、方法论、研究调查、形式化分析、数据

利益冲突声明

作者声明，他们没有任何已知的利益冲突或可能影响本文所报告工作的个人关系。

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致谢

作者衷心感谢美国国家科学基金会（NSF）通过资助编号OISE 2020095对本项目的支持。本工作还得到了美国农业部国家食品与农业研究所生物加工与生物工程计划（项目编号2024-67022-42822）的支持。本研究中使用的水泥由Salt River Materials Group（Phoenix Cement）提供，石灰石由Omya?提供。我们感谢使用

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