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混凝土养护剂的发展现状与展望

2016-10-13陈小平温丽瑗

硅酸盐通报 2016年6期
关键词:保水成膜石蜡

谢 迁,陈小平,温丽瑗

(1.广东石油化工学院工业催化研究所,茂名 525000;2.成都理工大学材料与化学化工学院,成都 610059)



混凝土养护剂的发展现状与展望

谢迁1,2,陈小平1,温丽瑗1

(1.广东石油化工学院工业催化研究所,茂名525000;2.成都理工大学材料与化学化工学院,成都610059)

混凝土施工过程中使用养护剂对维持内部湿度、促进水化进程、发展混凝土各性能都具有积极作用。本文简要介绍了目前用于混凝土的各类养护剂研究现状,并将其分为内养护剂和外养护剂,其中内养护剂包括无机类、有机乳液类、有机无机复合类三种,而外养护剂主要以饱水轻集料、溶剂型树脂两类为主;重点阐述了各种养护剂对混凝土的养护机理及养护效果,同时还总结了各自优缺点;最后对混凝土养护剂的发展趋势进行了展望。

混凝土; 养护剂; 发展现状

1 引 言

混凝土作为建筑工程中用量最大、用途最广的建筑材料之一,其性能不仅取决于原材料组成、配比,更多的还与后期养护有关,若混凝土施工后养护不及时,其内部水分通过体系的毛细孔蒸发至外界,导致胶凝材料水化不充分、水化产物减少,进而造成混凝土各性能下降[1-3]。因此,养护对混凝土性能发展至关重要,必须加以重视。

传统的混凝土养护方式主要有水养护、蒸汽养护、填埋养护及塑料薄膜覆盖等,该类养护方式损时、费力、耗能,养护质量难以控制,同时不能满足现代高层、大型建筑物及干旱缺水地区等建筑工程需求。因此,养护剂养护应运而生,养护剂养护分外养护和内养护,外养护是在混凝土施工后,在其表层喷洒或涂抹一层具有成膜性、渗透性的化学物质,该物质在短时间内形成一层均匀连续的致密薄膜,从而抑制混凝土内部水分蒸发,促使胶凝材料充分水化[4];而内养护是在混凝土制备过程中加入具有多孔介质或亲水基团的吸水性物质,该物质均匀分散于混凝土体系中起内部储水作用,当混凝土处于低水胶比或干燥环境时,该物质将储存的水进行释放,为胶凝材料完全水化提供足够动力[5]。同传统养护相比,养护剂养护不仅具有省工、省时、节水的优点,而且适合高层建筑、机场道坪、公路及桥梁等工程,还促使混凝土各性能更为全面发展。

本文结合近年来混凝土养护剂的研究与应用,介绍当前各类养护剂的提出及历史发展阶段,根据养护机理及原料成份对其进行分类,并分析了各类养护剂的发展现状及优缺点,最后提出了养护剂在发展过程中存在的问题以及对今后趋势进行展望。

2 外养护剂

外养护剂起源于上世纪40年代,由美国科学家首次研制混凝土薄膜养护剂,随后英国和日本相继研制出多种混凝土养护剂;直到70年代以后,世界各国使用的是含成膜物质(如水玻璃、高分子乳液)的养护剂,其中70%以上以有机乳液为主,该类养护剂易挥发,对环境生态不利;进入80年代以后,随着高效表面活性物质开发,出现石蜡乳液为主的养护剂,该养护剂无毒,且原料易得;进入21世纪以后,在科技和工业不断进步的环境下,复合型养护剂逐渐进入人们视野。目前外养护剂主要出现了无机类、有机乳液类、石蜡乳液类、有机无机复合类。

2.1无机类养护剂

无机类外养护剂包括水玻璃改进型,主要成份为硅酸钠,其原理是硅酸盐组分渗透入混凝土表面微孔与水化产物Ca(OH)2反应生成硅酸钙胶体形成致密薄膜,通过体积膨胀阻塞表面微孔,防止水分蒸发。同时也有以硫酸盐为主的养护剂,其硫酸盐同水化产物Ca(OH)2、水化铝酸钙反应生成钙矾石针状晶体、水化硫铝酸盐,对阻塞混凝土表面空隙、降低水分蒸发起到促进作用。二者其反应式分别如下:

Na2O·nSiO2+ Ca(OH)2→2NaOH + (n-1)SiO2+ CaSiO2

Al2(SO4)3+ 26H2O + 6Ca(OH)2→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

如李海川等[6]用水玻璃、三乙醇胺、尿素、氟硅酸钠合成一种水玻璃基养护剂,经测试发现:混凝土7 d、28 d抗压强度比均在90%以上,磨损量得到下降,对微裂纹产生具有抑制作用。邱树恒等[7]以水玻璃、甲基硅醇钠、尿素等复配出一种水玻璃基养护剂,经检测该养护剂对混凝土3 d保水率37%,早后期强度、渗透性能、耐磨性同标准养护试件相当。专利CN 103848643A[8]用纳米硅溶胶同硅酸锂、偏硅酸、硼酸钠等制备抗裂养护剂,该养护剂有效防止了混凝土收缩与龟裂,并提高了混凝土表面硬化强度、耐磨性、抗渗透性。专利CN 103058544A[9]设计了一种由甲酸钙和硅酸钠构成的双组份养护剂,硅酸钠与甲酸钙反应生成硅酸钙凝胶对混凝土表层起到封闭作用。专利CN 102584336A[10]根据非离子表面活性剂的渗透性促进硫酸铝与氢氧化钙的钙矾石反应,设计了硫酸盐多功能养护剂,经检测该养护剂提高了混凝土抗渗、防水性能。

无机类养护剂是一种成膜性较强、渗透性高的养护剂。但该类养护剂保水率较低、膜水溶性较差、易受温度影响,在高温或雨雾天气下易出现起皮、脱落、开裂或溶解等劣势现象。

2.2有机类养护剂

以高分子乳液、石蜡乳液为体系的养护剂都属于常见的有机类养护剂。

2.2.1高分子乳液改进型

高分子乳液养护剂是根据高分子乳液在混凝土表层干燥后形成一层具有柔韧性、粘接性的薄膜,该膜对混凝土表层的毛细孔进行紧密封闭而阻碍水分蒸发。目前用于高分子乳液养护剂主要以苯丙体系为主。

如李享涛等[11]探讨了苯丙乳液系养护剂对混凝土各性能的影响,发现养护剂养护下混凝土7 d强度保持不变,56 d强度仅降低5%,且塑性开裂与收缩显著减少,无碳化深度。石亮等[12]研究了苯丙乳液养护剂对混凝土耐久性能影响,结果表明:300次冻融循环后相对弹性模量达75%,质量损失3.2%,对混凝土7 d减缩率在30%以上,28 d氯离子电通量达最低,抗碳化性能得到提高。李磊等[13]根据疏水性的氟硅单体可提升高分子乳液膜的亲水性及降低水在膜中的扩散和溶解速率,在苯丙乳液结构中引入有机氟/硅单体,同成膜助剂、增塑剂等制备养护剂,经测试发现:混凝土表面蒸发水分减少80%,强度达标准养护95%,氯离子渗透、干燥、收缩、龟裂等现象被抑制。专利CN 103408324A[14]根据-OH与混凝土表层的Si发生键合作用原理,在苯丙高分子链中引入-OH,同成膜助剂、消泡剂、流平剂制备养护剂,该养护剂保水率维持在85%左右。由于核壳高分子乳液在成膜时内外层互穿、离子键多种结合,其成膜性、耐水性、阻隔性能大幅度提高,专利CN 103073220A[15]使苯丙高分子乳液转变为具有核壳结构的乳液,其成膜性大幅度增加,保水率达80%以上。

专利CN 102976653A[16]采用含有羰基或醛基同乙烯基的聚合物乳液同成膜助剂、增塑剂、消泡剂制备养护剂,该养护剂在2 h成膜,保水率大于90%,混凝土强度为基准强度的110%。专利CN 101348348A[17]根据纳米材料容易渗透到混凝土内部堵塞毛细孔原理,在氯乙烯-偏氯乙烯乳液养护剂中引入纳米粉状填料,经分析发现保水率、7 d、28 d抗压强度、磨损量、干燥时间均高于相应技术指标,而该类养护剂含有Cl-,对钢筋混凝土不利。

高分子乳液养护剂的保水性能、成膜性能得到大大提高,膜受温度影响小,无开裂、起皮现象。但高分子乳液体系易受温度影响,储存过程中常出现破乳、絮凝现象,而且在施工过程中易出现堵塞喷嘴、胶管等现象,同时有机溶液易挥发、污染环境。

2.2.2石蜡乳液改进型

石蜡乳液是一种水溶性较强、固-水-油多相分散的稳定性乳液,其养护机理同高分子乳液类似,在干燥环境中形成一层透湿率较小的憎水油脂膜,对混凝土表层细孔进行较好封闭,达到养护目的。

如张艳聪等[18]研究表明石蜡质养护剂促使道路混凝土水分蒸发率幅值下降,水分散失时间减少300 min,且混凝土裂缝数量、长度和宽度得到明显抑制。赵天波等[19]以石蜡、微晶蜡和液蜡同分散剂、阴离子表面活性剂乳化合成石蜡养护剂,经测试发现:混凝土吸水率为0.236 g/cm2、失水率为0.160 g/cm2,强度优于传统养护。他还将石蜡、微晶蜡及高聚物树脂经乳化制备石蜡养护剂,结果显示:该养护剂养护的混凝土试块其吸水率、失水率明显下降,抗压强度较传统水养护相比提高10%[20]。付景利[21]以石蜡、亚麻籽油、三乙醇胺、硬脂酸为原料制备石蜡养护剂,将其用于混凝土试件,发现28 d抗压强度大于自然养护、略低于标准养护,预防了早期开裂。专利CN103964893A[22]通过EVA乳液、丙烯酸酯乳液对石蜡乳液进行改性,同稳定剂、消泡剂及成膜助剂制备了石蜡养护剂,经测试发现:混凝土3 d保水率为92%,7 d抗压强度比为93%,28 d磨损量为1.211 kg/m2。专利CN 102964086A[23]以石蜡和淀粉为成膜材料同防腐剂、氧化剂及稳定剂制备养护剂,结果显示:保水率85%,混凝土强度比均高达99%。

石蜡乳液养护剂保水率高、综合性能好,克服了高分子乳液不环保的缺点。但该类养护剂在混凝土出现泌水或高湿度环境下使用,石蜡乳液易被析出的自由水或外界水稀释成低粘度乳液,其封闭、成膜性能下降。

2.3有机无机复合养护剂

无机水玻璃养护剂与有机高分子乳液养护剂各有优劣,如有机乳液保水性好,成膜性低、不耐磨;而水玻璃成膜性好,保水性较差。因此,将两者复合共同发挥其优势应运而生,其原理为:有机组分粘附于混凝土表面形成连续薄膜阻水,无机组分渗透入混凝土内部毛细孔中同碱性物质反应形成胶体物质而阻塞毛细孔[24]。目前复合养护剂主要以硅酸盐、硫酸盐为无机主份,高分子乳液、石蜡乳液、聚乙烯醇、有机硅烷等为有机主份。

吴少鹏等[25]用硅酸盐溶液、石蜡乳液及乳化剂合成了一种复合养护剂,经混凝土检测发现:该养护剂失水率均低于石蜡乳液或硅酸钠的失水率,磨损量与前后期强度同标准养护相当。贺晟[26]用无机硅酸盐与有机高分子乳液及助剂复合一种CLT型养护剂,结果表明:该养护剂能有效改善混凝土的收缩、龟裂及早期强度。薛斌等[27]以硅酸钠、石蜡乳液与纯丙乳液的复合乳液、三乙醇胺、甲基硅醇钠制备复合养护剂,结果表明:混凝土3 d保水率为80%,28 d强度比与渗水高度比分别为95.5%、85.9%,7 d干缩值降低41.1%,3 d裂纹数量和面积均低于干燥养护。专利CN 103253985A[28]报道了硫酸铝改性硅酸钠与环氧树脂乳液制备复合养护剂,其各项指标为:保水率92%,前后期抗压强度比均在97%以上,磨损量为2.2 kg/m2。

张振雷[29]等以超细偏高岭土作为无机增密材料,同石蜡乳液、高分子乳液及助剂制备复合养护剂,经检测发现:混凝土表面毛细管道被较好封闭,保水作用得到增强。专利CN 101811887A[30]通过聚乙烯醇、硅酸钠、硫酸铝制备复合养护剂,发现该养护剂的成膜性、封闭性得到大幅度提高,对混凝土硬化、抗压强度、耐磨性及抗冻性均具有提高作用。专利CN 103992135A[31]将水玻璃、硫酸铝与聚乙二醇、有机硅烷等制备复合养护剂,将其用于混凝土发现抗压强度、抗裂性能得到较大提高,体积收缩得到减小。

有机无机复合养护剂既兼有有机养护剂保水性能高、成膜速率快、失水率低等优点,还具有无机养护剂成膜性强、渗透率高等特征而受到青睐。

3 内养护剂

内养护起源于上世纪90年代由Philleo首次提出,并在2001年的美国混凝土学会将其定义为“由存在于混凝土内额外的水而非拌和用水引起的水泥水化过程”,其养护过程发生在混凝土内部。目前用于内养护的材料分为饱水轻集料(LAW)及高吸水树脂(SAP)两类。

3.1饱水轻集料(LWA)

饱水轻集料是最早的内养护材料,其养护机理为含有多孔特征的轻集料其孔尺度远大于水泥基材中毛细孔尺度,在湿度差、毛细管压力差等作用下,轻集料内部储存的水逐渐向硬化水泥浆体迁移,为胶凝材料提供良好的水化环境[32]。该类养护材料出现了多孔陶粒、陶瓷废料、膨胀珍珠岩等。

如Javier[33]研究了页岩陶粒对混凝土吸水/释水特性,发现其24 h吸水率达到真空吸水率的80%以上,并在93%相对湿度下释水率达到24 h吸水率83%~98%。韩松[34]研究表明:饱水陶粒能减缓早龄期内部相对湿度下降,促使混凝土早期塑性收缩减少、抗裂性能提高。李北星等[35]研究发现混凝土自收缩降低幅度随页岩陶粒量增加而增加,当取代量为50%时,混凝土自收缩/干缩值随龄期延长呈先增加后降低趋势。

Suzuki[36]将多孔陶瓷废料作为内养护材料,发现混凝土的抗压、抗拉劈裂强度明显上升。同时刘凤利等[37]等研究表明废陶瓷促进胶凝材料充分水化,有利于砂浆及混凝土的抗开裂、抗冻、抗渗性能。

Ghourchian[38]认为沸石、膨胀珍珠岩作为内养护并不理想,发现该两种材料较细的孔导致其吸水、释水速度低,在相对湿度为80%仍有大量水不能释放。同样孙诗兵等[39,40]认为高掺量珍珠岩导致浆体孔隙率、界面相增加,不利于强度发展;但使用粒径较小的珍珠岩会降低早期吸水能力,提高后期释水速率,对降低收缩率、提高力学性能具有促进作用。

综合分析,LWA在混凝土体系中具有良好的吸水、释水、保湿功能,对限制混凝土收缩、开裂具有正面效应,但有研究表明LWA内部孔隙率较高、孔径较大,作为混凝土养护剂易出现上浮等现象,导致混凝土流动性、和易性变差,还使力学性能大幅度下降[41]。

3.2高吸水树脂(SAP)

高吸水树脂(SAP)是一种具有直链、支链、交链共存网络结构的高吸水聚合物,其结构中含有-COOH、-OH等亲水基团同自由水易形成氢键;同时SAP具有的三维胶状网络结构,通过溶胀作用将自由水固定其网络结构中(见图1),在水泥水化的高碱性环境下(pH=12~13),高吸水性树脂的吸水倍率降低将预先吸收的水分会被释放出来,从而保证内部湿度、维持水泥水化[42]。目前SAP主要有聚丙烯酸树脂、聚丙烯酸胺、丙烯酰胺-丙烯酸共聚物等。

Sala[43]认为高吸水性树脂附带的表面活性剂会引入空气,增大混凝土的孔隙率,从而提高混凝土抗冻性能。秦鸿根[44]研究表明SAP促进了水泥水化与钙矾石形成,使其限制膨胀率与早期膨胀值得到提高,收缩与膨胀的差值得到降低。Han等[45]发现SAP可以明显降低自收缩和轻微减小干燥收缩。史才军[46]认为SAP增加了Ca(OH)2生成量及浆体的凝胶空间比,降低了浆体毛细空隙体积和连通性,使得混凝土的碳化深度降低、抗氯离子系数增加。

对于混凝土的工作性能,叶华等[47]认为向混凝土引入未预吸水SAP,造成拌合物中的自由水减少,而降低混凝土工作性能;而马新伟[48]向混凝土引入预吸水的SAP,提高了混凝土的保水性能,同时无泌水现象。

对于混凝土强度发展,目前大量观点倾向认为,SAP对强度产生负面影响,主要因为SAP释放的水造成水胶比上升及SAP吸水溶胀后给浆体留下大孔[49]。如魏晓帆[50]研究显示SAP的引入对混凝土前期强度降低幅度大,对后期强度降低幅度小。Pierard等[51]向混凝土中分别添加0.6%和0.3%的高吸水树脂,发现28 d抗压强度分别损失14%和8%;但也有学者认为SAP溶胀后其空隙释放的水促进了胶凝材料水化,使混凝土强度得到提高。如刘成虎[52]在低水胶比情况下,掺入少量的预吸水SAP,混凝土前后期强度分别提高6%、5%;Espinoza[53]研究表明在湿度为65%、水胶比低于0.42%条件下,粒径小的SAP使混凝土强度提高19%。

图1  SAP颗粒结构图及溶胀图[42]Fig.1 Structure and swelling of SAP particle(a)SAP structure;(b)swelling SAP

同LWA相比,SAP在吸水、释水、保湿等方面得到大大提高,对混凝土抗开裂、抗收缩及抗冻等耐久性能的改善较显著。对混凝土力学性能及工作性能总体可归纳为:(1)预吸水SAP有利于混凝土的保水性和流动性,未吸水SAP对混凝土的工作性能不利;(2)SAP对混凝土的强度和弹性模量产生不利影响,而通过改变其掺量、粒径等因素可将该影响控制在可接受范围内,尤其在低水胶比、低湿度环境下,SAP有利于提高混凝土强度。

4 结语及展望

养护作为混凝土施工后的一个重要环节,而养护剂养护作为一种新型高效的养护方式,大力推广养护剂养护既对传统养护进行技术上的革新,又对混凝土面向高性能化、多功能化起到促进作用。根据目前建筑工程需求、养护剂技术发展方向,对今后混凝土养护剂的发展,以下几个建议希望进行采纳及探讨:

(1)复合养护剂既兼容了有机和无机养护剂各自的优点,又互补了它们之间的缺点,应作为未来外养护剂的发展方向,但复合养护剂制备工艺较复杂、原料成本高;

(2)SAP对混凝土的养护效果优越于LWA,但SAP的吸水/释水特性、掺量、引水量、颗粒尺寸等对混凝土性能影响较大;同时内养护剂的养护效果评判,目前尚缺乏国家标准;

(3)养护剂对混凝土的宏观性能改善得到广泛认同,而对混凝土微观改性的研究有待加强,如对水泥水化程度及产物、钙矾石延迟、晶体结构生长等之间的关系应进一步探讨;

(4)混凝土养护方式上可采取内外结合养护,使其对混凝土起到内部保水、外层阻水双重作用,有效保证混凝土内部胶凝材料充分水化,使混凝土各性能得到更为全面发展;

(5)混凝土养护效果评判应采用更为精密、准确的方法,如超声波法、电阻法、表面抗渗法等,使其对混凝土性能改善更具科学性、准确性。

(6)探索新型养护剂及制备技术,使其面向高性能、多功能、低成本方向发展。

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Development Status and Prospect of Concrete Curing Agent

XIEQian1,2,CHENXiao-ping1,WENLi-yuan1

(1.Institute of Industrial Catalysis,Guangdong University of Petrochemical Technology,Maoming 525000,China;2.College of Materials and Chemical Engineering,Chengdu University of Technology,Chendu 610059,China)

Use of curing agent has a positive effect on maintain internal humidity, promote hydration degree, develop concrete performance in the process of concrete construction. The research status all kinds of concrete curing agents were introduced in this paper, and it can be divided into internal curing agent and external curing agent, the external curing agent mainly include inorganic type, organic emulsion type, organic and inorganic composite type, and the internal curing agent include super-absorbent polymer and lightweight aggregate. The curing mechanism and curing effect of all kinds of curing agents were reviewed, the advantages and disadvantages of various curing agents were summarized. Finally, the development trend of concrete curing agent was predicted.

concrete;curing agent;development status

谢迁(1988-),男,硕士研究生.主要从事建筑材料的开发及研究工作.

陈小平,博士,研究员.

TU526

A

1001-1625(2016)06-1761-06

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