内养护对混凝土抗裂性及水化的影响

朱长华，李享涛，王保江，谢永江

（1.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081；2.中国铁道科学研究院 高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081）

内养护是混凝土自浇注成型后实现无间歇养护的新技术，是自20世纪引气技术以来最重要的混凝土耐久性提升技术之一.Philleo于1991年最先提出混凝土内养护的概念[1].目前国内外已有学者对混凝土内养护进行了研究，如内养护对混凝土力学性能、内部湿度、收缩和微结构特征等的影响[2－4]，并取得了一定的成果.现以高吸水聚合物（supper ab－sorbent polymer，SAP）为内养护剂，通过研究不同种类、粒径的SAP吸水特性及其对混凝土拌和物性能的影响，比选出适用于混凝土的内养护剂，在此基础上，通过非接触式收缩法、圆环限制开裂法和水化热、XRD等手段研究掺SAP混凝土的早期变形、抗裂性和水化程度，并分析SAP内养护的作用机理.

1 试验

1.1 原材料

水泥（C）为北京金隅P·O 42.5水泥（C1）和基准水泥（C2），比表面积分别为342，331m2／kg；粉煤灰（FA）为赤峰元宝山Ⅰ级粉煤灰，0.08μm筛筛余量为11.4%（质量分数）；细骨料（S）为河砂，细度模数为2.8，含泥量为1.9%（质量分数），表观密度为2 610kg／m3；粗骨料（G）为5～10，10～20mm两级配碎石，压碎值为5.4%（质量分数），含泥量为0.3%（质量分数），表观密度为2.78g／cm3，紧密空隙率为40%；减水剂（PCA）为河北金舵聚羧酸高性能减水剂；内养护剂（SAP）为某公司生产的丙烯酸系SAP－A，丙烯酸－丙烯酰胺共聚系SAP－B和淀粉接枝改性系SAP－C，其中SAP－B的平均粒径有250μm（SAP－B1），180 μm（SAP－B2）和120μm（SAP－B3）三种.

1.2 配合比

依据内养护所需引入水的理论计算公式[5]和SAP自身吸液特性，经前期大量试配试验，以不明显影响混凝土拌和物性能和降低混凝土强度为原则，设计了如表1所示的C40高性能混凝土配合比；以低水灰比的P·Ⅰ水泥净浆为研究对象，采用水化热、XRD等手段表征掺SAP水泥浆体的水化程度，水泥浆体的配合比如表2所示.

表1 混凝土配合比Table1 Mix proportions of concrete

1.3 试验方法

采用尼龙袋法[6]测试SAP在饱和Ca（OH）2溶液中的吸水倍率.混凝土拌和物性能按GB 50080—2002《普通混凝土拌和物性能试验方法标准》进行测试；混凝土的早期变形、塑性开裂按GB 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行测试；混凝土（砂浆）硬化后抗裂性按ASTMC1581—04《水泥砂浆或混凝土圆环限制收缩开裂试验方法标准》进行测试.

表2 水泥净浆配合比Table2 Mix proportions of cement pastes

2 结果与讨论

2.1 SAP吸水特征及其优选

SAP的吸水倍率、吸水速率是表征其性能的重要指标，其在不同介质中因离子强度、离子种类不同而差异较大.不同种类SAP在饱和Ca（OH）2溶液中的吸水倍率随浸入时间的变化如图1所示.

图1 不同种类SAP在饱和Ca（OH）2溶液中的吸水倍率Fig.1 Water absorption of different types of SAPs in saturated calcium hydroxide solution

由图1可以看出，SAP－A，SAP－B浸入饱和 Ca（OH）2溶液15s左右已达到溶胀平衡，随后SAP－A的吸水倍率迅速减小，宏观表现为体积剧烈萎缩、失去凝胶特性.可见，SAP－A因自身特性而与碱性环境不相容，不适宜用于配制内养护混凝土.SAP－B达到溶胀平衡后其吸水倍率略有降低，这也与其结构中含有少量羧基有关，但总体上对吸水后溶胶的状态影响很小.SAP－C的吸水倍率相对最高，需较长时间才达到溶胀平衡.

掺SAP－B或SAP－C混凝土的拌和物性能见表3.由表3可见，SAP－C因在碱性环境下的吸水倍率高，所配制的混凝土无初始工作性，即使大幅度增加减水剂掺量和引入水以获得与基准混凝土相近的初始工作性，但30min后其坍落度仍为0，这说明SAPC的吸水平衡时间较长，在混凝土出机后仍继续吸收自由水，使其坍落度损失显著加快.当吸蓄相同量的引入水时，可降低SAP－C掺量，避免其过分影响混凝土的工作性.Bentz等[7]通过计算机模拟认为在不考虑毛细孔隙渗透时，硬化水泥浆体中水分向周围扩散的有效距离为100～200μm.显然，若SAP掺量太小，会导致引入水过于局部集中，不利于混凝土内养护.SAP－B由于达到溶胀平衡后其吸水倍率变化较小，掺入混凝土后，只要在掺量提高的同时增加引入水量，就不会对混凝土的初始坍落度和0.5h坍落度产生明显影响.综上可知，SAP－B具有与碱性环境相容性好、吸水速率快和吸水倍率适宜的特点，适用于配制内养护混凝土.

表3 混凝土拌和物性能Table3 Mixture properties of fresh concrete

2.2 力学性能

未掺和掺SAP混凝土的抗压强度见表4.从表4可以看出，混凝土的抗压强度随着SAP掺量的增加而降低，这主要是掺加SAP后，为保证坍落度相近，引入了额外水所致.

表4 混凝土力学性能Table4 Mechanical property of concrete

2.3 早期变形与抗裂性能

2.3.1 早期变形

采用非接触式收缩仪进行了混凝土早期变形试验（见图2），不同粒径的SAP－B对混凝土早期变形的影响如图3所示.从图3可以看出，混凝土早期变形可分为3个阶段：塑性沉降阶段（Ⅰ，0～1h）、塑性收缩阶段（Ⅱ，1～9h）和硬化收缩阶段（Ⅲ，＞9h）.在Ⅰ，Ⅲ阶段，SAP－B对混凝土变形的影响较小，在Ⅱ阶段，SAP－B可显著减小混凝土的塑性收缩，而且随着其粒径的增大，改善效果也越来越大，最大可降低至基准混凝土的50%左右.SAP减小混凝土的塑性收缩是由于其吸蓄的水能够持续补偿表面因蒸发、水化反应所消耗的水分，减小毛细孔溶液负压.由图3还可见，在早龄期，SAP的粒径越大，其减小塑性收缩的效果就越显著.在混凝土硬化过程中，SAP会持续缓释水分，逐步萎缩并最终形成“空穴”[8]，若其颗粒较大，则对混凝土强度和耐久性不利，因此，SAP粒径应根据实际需要进行选择.

2.3.2 抗裂性能

采用2种试验标准试验研究了内养护对混凝土塑性开裂性能的影响，结果如表5所示.从表5可以看出，内养护能显著降低混凝土的塑性开裂程度，且按照GB 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》的试验值比按照CCES 01：2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》的试验值大，这可能是由于前者采用7条平行裂缝诱导器，更容易使混凝土产生塑性裂缝.

表5 混凝土的塑性开裂性能Table5 Plastic cracking resistance of fresh concrete

采用圆环法研究了内养护对硬化混凝土开裂性能的影响.由于采用圆环法试验时混凝土试件出现裂缝的时间较为漫长，而且离散性和不确定性较大，为了加速出现裂缝，缩短试验周期，将表1中粗骨料除去，适当调整减水剂掺量，以配制状态良好的砂浆替代混凝土.SAP－B掺量对硬化砂浆抗裂性的影响见图4.

图4 SAP－B掺量对硬化砂浆抗裂性的影响Fig.4 Effect of SAP－B dosages on cracking resistance of mortar

从图4可以看出，掺SAP－B可延长砂浆的开裂时间，而且随SAP－B掺量的增加，砂浆开裂时间延长越来越显著；当SAP－B掺量为0.3%（质量分数）时，砂浆在44d龄期时仍未开裂，钢环感生应变一直处于极低的水平，这说明内养护可提高混凝土（砂浆）硬化后的抗裂性.但需注意的是，随着SAP－B掺量的增加，试件开裂时钢环感生应变减小，说明试件的抗拉强度有所降低，因此，SAP－B掺量的确定应从混凝土的体积稳定性、力学性能等多方面综合考虑.

2.4 水化程度

2.4.1 水化热分析

图5，6分别为SAP－B掺量、粒径对水泥浆体水化的影响.由图5可见，在5d龄期后，基准水泥浆体的水化放热速率几乎降至0，而掺SAP－B水泥浆体至14d龄期时，其水化放热速率仍维持在一定水平；掺SAP－B水泥浆体的水化热在2d龄期前与基准水泥浆体相当，之后二者的差距逐渐扩大.在14d龄期时，掺SAP－B水泥浆体的水化热明显高于基准水泥浆体，且随SAP－B掺量的增加而增大.由图6可见，水泥浆体的水化热随SAP－B粒径的增大而增大，但相互之间的差异较小.

2.4.2 XRD分析

不同SAP－B掺量下水泥浆体的XRD图谱见图7.从图7可见，P·Ⅰ水泥水化产物Ca（OH）2的特征衍射峰强度随SAP－B掺量的提高而增强，说明内养护促进了水泥的水化程度，这与水化热分析结果相吻合.

图7 水泥浆体28d龄期的XRD图谱Fig.7 XRD pattern of cement pastes at the age of 28d

2.5 SAP内养护作用机理分析

水泥、SAP与水（拌和水与引入水的总和）混合后成为含多种离子（Ca2＋，OH－，SO2－4，K＋，Na＋等）的浆体，SAP依靠自身的亲水基团和网络结构，通过水合、电离和渗透作用迅速吸蓄一部分水形成溶胀颗粒而均匀分布于水泥浆体中.在水泥浆体凝结、硬化过程中，因SAP引入水能持续补偿水化反应、蒸发所消耗的水分，减小毛细孔溶液负压，延缓混凝土内部相对湿度的降低速率，从而减小了塑性收缩、自收缩开裂的可能性.SAP的持续补水，可提高水泥水化程度，弥补SAP萎缩对水泥石强度的不利作用.由此可见，SAP的内养护有利于提供额外水源使水泥浆体的毛细孔保持饱水状态，从而使自收缩应力减小到最小程度，同时最大程度促进水泥水化，细化水泥石的孔结构.

3 结论

（1）在一般施工工艺条件下，配制混凝土用SAP应具有在碱性环境下相容性好、吸水速率快和吸水倍率适宜等优点.

（2）掺加SAP－B可减小混凝土的早期变形，提高混凝土抵抗塑性收缩、自收缩开裂的能力；随着SAP－B掺量的提高，混凝土抗裂性的改善效果越来越明显，但混凝土强度会有所降低，应引起重视.

（3）掺加SAP－B可提高水泥水化程度，随着其掺量的增加，水泥水化程度明显提高，而其粒径变化对水泥后期水化程度的影响相对较小.

（4）SAP掺量及粒径的选择应从SAP自身吸水特性、混凝土配合比及混凝土性能设计等多方面综合考虑，在本文试验条件下SAP－B的掺量为0.1%～0.2%，粒径为180～250μm.

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