混凝土内养护的研究与发展

赵洪凯 王 猛

(吉林建筑大学材料科学与工程学院,长春 130118)

0 引 言

高性能混凝土可以适合恶劣地区及大跨度建筑的要求。但由于其水灰比较低,内部水分不足以满足其水化,一般养护条件,由于其致密的结构,外部水很难进入,随着水泥水化会使混凝土发生自收缩现象,产生裂缝,进而影响其性能[1,2]。而要进行蒸汽养护或者其他养护方法,经济费用高而且效果不明显。经过多年的实验研究以及应用发现,掺加一定比例的内养护材料对于高性能混凝土减少自收缩、提高强度以及耐久性均有积极影响[3-4],达到了人们应用高性能混凝土的预期效果。

1 内养护概念的提出及发展

1.1 内养护概念的提出

混凝土的养护方法有两种,内养护和外养护[5]。在最开始使用混凝土时,只有外养护方法,而随着混凝土的发展,20世纪40年代,100 MP的高强度混凝土首次应用[6]。而高强度混凝土有一个很严重的问题,就是低水灰比会导致其发生收缩开裂。在1948年,国外学者T.C.Powers[7-8]首先提出了关于混凝土内养护的Powers模型,提出当水灰比为0.42时才能满足水泥完全水化,Philleo[9]于1991年最先提出混凝土内养护的概念,也就是将保水的轻集料或者高吸水性物质作为内养护材料掺入到混凝土中,随着水泥等胶凝材料的水化反应的进行,混凝土中自由水的减少促使湿度差的产生,以及毛细管张力的增加,导致内养护材料中的水分被释放出来,平衡了混凝土内部的湿度,为胶凝材料水化反应的继续进行提供水分,避免引起自收缩开裂。

1.2 国外发展现状

丹麦学者O.M.Jensen根据Powers模型,经过大量实验测试分析,获得了内养护需水量公式,当水灰比(W/C)≤0.36时,额外需水量(W/C) c=0.18 (W/C)[10]。以色列的 A.Bentur[11]首次发现并应用内养护材料——预湿轻集料,掺加预湿轻集料对低水灰比的高性能混凝土进行内养护,在减缓自收缩方面获得有效成果。在关于力学性能的影响方面,Mehta PK[12]等学者通过添加不同内养护材料来进行探究,结果表明通过内养护的混凝土,能提高力学性能,如强度和弹性模量。在体积稳定性方面,Lopez M[13]对养护时期的混凝土试块进行形变收缩的实时跟踪测试,通过微观分析显示内养护混凝土减少了均匀分布的微观裂缝,认为添加内养护材料可以减少混凝土的收缩变形,由此也可以可以减少由于收缩引起的开裂。Thomas MDA[14]的氯离子渗透实验以及Sven Mönnig[15]的冻融循环实验都充分证明了内养护对混凝土的耐久性有所提高。Tazawa[16]研究表明对于水泥浆体自收缩掺加减缩剂起到一定的抑制作用,Sant[17]的研究也表明,对于7d龄期的砂浆,减缩剂能够减少其自收缩达42%以上。但有研究表明在实际应用中减缩剂会对混凝土的力学性能产生负面效应。Lura[18]、Saliba[19]和 Mora Ruacho[20]的研究结果表明,减缩剂的掺量越高,砂浆塑性裂缝宽度以及裂缝数量都会得到明显降低。美国和欧洲在工程应用方向,还制订了有关内养护的规范[21]。

1.3 国内发展现状

对于预湿轻集料作为内养护材料掺入混凝土中进行了研究,东南大学陈德鹏[22]最早发现其确实可以提高高强混凝土抗裂的能力。华南理工大学张宇、叶华[23]发现掺入高吸水性树脂对减小自收缩有一定的积极作用。而在之后,专家学者通过对内养护材料的不断改良与搭配以及调节养护条件,对混凝土内养护做了全面的完善,武汉理工大学胡曙光[24]等人重点研究了分别改变高吸水树脂的质量、额外引水量以及水灰比对混凝土的影响,探究三种影响因素对混凝土强度及体积稳定性的影响规律,提出高吸水树脂最佳用量为胶凝材料总量0.5%。 近几年来,国内学者还将硅灰以及其他预湿矿物掺合料掺入混凝土进行混凝土的体积变形以及强度方面的探究,例如高性能混凝土含硅灰很容易导致早期开裂,在3～12小时之内裂缝发育迅速;掺加粉煤灰之后,在早期强度上作用不大,根据实时测试发现,掺加粉煤灰的内养护混凝土强度会随着龄期的发展而显著提高,掺加不同粒径的粉煤灰作用效果也会有所不同[25-26]。对于减缩剂的研究,陈美祝[27]发现减缩剂在正常温度下虽然有助于减少混凝土的自收缩,但是延缓了水泥浆的早期水化作用。而且由于在相容性方面存在的问题,同时使用减缩剂和减水剂会影响到各自的作用效果[28]。

2 内养护材料的分类以及作用机理

2.1 轻集料(LWA)

作为内养护轻集料的最基本的要求就是材料本身多孔,而且具有一定的保水能力,目前国际上普遍使用的轻集料有陶粒,膨胀页岩,硅藻土,沸石等。使用轻集料作为内养护材料,在掺加到混凝土之前,要将其做饱水处理,在掺入到混凝土当中后,随着胶凝材料的水化反应进行,混凝土内部所含的水分逐步减少,在湿度差、毛细管压力差等作用下,轻集料预先吸收的水,慢慢释放出来,为胶凝材料的继续水化提供良好的湿度环境[29]。但需要注意的是,毛细管的供水,只有当浆体与轻集料之间的距离即毛细孔距离在100～200 μm范围内才产生效果[30]。

2.2 高吸水性树脂(SAP)

高吸水树脂,是一种内部结构复杂交错的高分子材料,高吸水性树脂所含的大量羧基、羟基是两种亲水基团,加之内部化学链的互相连接而形成的三维空间结构,是其拥有可以到达自身重量的上千倍超高的吸水率的重要原因,因此其又叫做超强吸水剂、超吸水聚合物,内部复杂的三维空间结构也决定了它在常温下具有良好的保水性能,这是轻集料无法比拟的,常见高吸水树脂的粒径为100～250 μm[31]。SAP的种类很多,天然的有淀粉和纤维素,合成有聚丙烯酸树脂、聚丙烯酰胺树脂、丙烯酰胺-丙烯酸共聚物、羟乙基纤维素醚等等,它的制备目前也较常见,方法主要有溶解法和悬浮聚合法[32]。作为内养护材料,高吸水性树脂的使用目的与轻集料一致,都是为混凝土内胶凝材料的继续水化提供湿度环境,不同的是,促使高吸水性树脂释水的条件除了湿度差和毛细压力外,随着水化反应的进行,温度和PH值的提高都会促进高吸水性树脂发生释水现象[33]。其良好的保水性相对于轻集料会更加满足混凝土的制备需求。

2.3 减缩剂(SRA)

最早的减缩剂生产于20世纪80年代,由日本研究者研发了[34],目前国外的减缩剂产品研究已经相当成熟。对于其种类的划分,对于组成成分不同,总体可分为单一组分的减缩剂、复合型减缩剂两大类。更细的划分,根据其官能团的不同,单一组分的减缩剂可分为聚氧乙烯类、醇类和其它类型减缩剂;醇及其衍生物类、醚及聚醚类属于复合型减缩剂[35]。 目前在降低溶液表面张力以及对混凝土干燥收缩、自收缩、开裂等方面有良好的应用和研究价值。对于混凝土收缩控制原理,减缩剂的控制原理与内养护材料完全不同,减缩剂的作用原理是降低分布在混凝土中自由水的表面张力。收缩应力也就是水分散失而引起的毛细管张力,毛细管张力的大小与溶液的表面张力呈线性关系,因此减缩剂减小溶液表面张力就相当于减少了毛细管张力,进而减少自收缩应力[36]。

3 内养护材料对混凝土性能影响研究

3.1 轻集料(LWA)

关于掺加轻集料的内养护混凝土,在掺入量方面,A.Bentur等[11]将饱水轻集料作为骨料替代普通骨料,按比例等体积替代的方式制备混凝土进行自收缩研究。实验表明将饱水轻质骨料的以25%等体积来替代正常骨料,在消除混凝土的自收缩应力和抑制应力方面是非常有效的,而且产生了一定范围内的持续膨胀,经分析可能是因为在饱水轻集料释水的作用下促进了混凝土内水泥的进一步水化。但受轻集料的影响,混凝土的强度有所降低。 在轻集料饱水量方面,董淑慧[37]等通过试验,研究了不同含水量(0%、20%、40%、60%、100%)混凝土的自收缩和约束应力的变化。发现轻集料含水率越高,对混凝土早期的内养护作用越明显,最多可以缓解45.7%的自收缩作用。虽然掺加预含水轻集料在早期可以明显减少混凝土的自收缩,但由于轻集料以一定比例取代了普通砂石骨料,而且其弹性模量比普通砂石骨料要低,导致其对混凝土后期的收缩形变没有良好的抑制作用,因此也对混凝土的强度等方面有消极影响。在轻集料粒径方面,国内学者对掺加烧结粉煤灰和膨胀页岩的混凝土进行微观结构观察和混凝土性能分析,在0.3和0.4水灰比情况下,实验结果表示当轻集料粒径与粘结浆体厚度比值为1.1时,抗收缩效果最好[38]。通过 Zhutorsky S等[39]的研究表明,在同等质量掺入量的情况下,不同粒径的轻集料对混凝土的自收缩作用有很大区别,最高效率粒径要根据轻集料种类进行选择。Zhutorsky S[40]还对轻集料在渗透性方面对混凝土影响的探究,发现对于水灰比为0.33的混凝土,饱水轻集料内养护混凝土与普通混凝土相比,氯离子扩散系数有所降低;水灰比为0.25的两种混凝土氯离子扩散系数差别很小;在0.25水灰比之后,随着混凝土水灰比的降低,掺加轻集料的内养护混凝土氯离子扩散系数逐渐提高。研究表明水灰比与轻集料相比,水灰比对于氯离子渗透性的影响程度要比轻集料大,但总体来讲,对于水灰比相同的条件下,掺加轻集料对于减小混凝土的渗透性有一定积极作用,因此在使用过程中,要根据渗透要求对轻集料的使用作出合理安排。为了使轻集料发挥最大的内养护应用效果,T.J.Barrett[41]通过对掺加40%等体积粉煤灰的混凝土、双掺40%等体积粉煤灰和轻集料的混凝土和普通混凝土进行对比分析,发现双掺40%等体积粉煤灰和轻集料,降低了混凝土收缩开裂的风险,并且早期强度更高;在振捣过程中,掺加轻集料的混凝土存在分层离析的危险,Saili Yang[42]研究了轻集料以20%～40%等体积替代粗骨料,制备了自密实混凝土,轻集料上浮现象在自密实混凝土中得到有效控制,接解决了分层离析的问题;在降低自收缩和改善运输性能方面,轻集料自密实混凝土也表现出较好的性能,并且随着轻集料的增加效果越明显。

综上所诉,对于轻集料的使用,想要达到预期效果,除了要控制轻集料的掺入量、含水量、粒径等本身性质外,还有考虑混凝土的水灰比以及与其他拌合料的配合使用。

3.2 高吸水性树脂(SAP)

高吸水性树脂与轻集料相比,它具有粒径小,保水性好等优点,在同等额外引水量的要求下,掺加的高吸水性树脂相对较少[43]。关于SAP掺入量,A.Assmann[44]发现通过加入胶凝材料质量0.7%的SAP就可以完全抑制低水灰比混凝土的自收缩,混凝土中仅掺入水泥质量0.35%的SAP,与没掺加SAP相比,自收缩可以减少80%,养护28天之后的混凝土总收缩量也有很大减少。中国矿业大学逢鲁峰[45]研究发现,掺入超过一定量的高吸水性树脂,将会对混凝土的强度以及其他性能造成不良影响,而在一定掺量范围内,其变化又不太明显,他得到的结论是在吸水倍率在15～20倍的前提下,最优掺量为0.1%～0.2%之间。但由于高吸水性树脂的制备工艺的不同,导致其吸水率、释水速率、粒径等也会有所不同,因此高吸水性树脂的使用也存在一些不确定性。关于额外饮水量,Cracyc B[46]等在试验中在低水灰比混凝土中加入等量SAP,额外引水量分别为30 kg/m3、40 kg/m3、50 kg/m3,经测混凝土的自收缩分别降低51%、58%、68%。孔祥明[47]研究结果显示,由于水在混凝土中的分布形态的差别,普通提高水灰比的混凝土与SAP引入额外水的混凝土相比,前者收缩量要比后者大。对于水灰比为0.29的混凝土,通过SAP额外引入与普通拌和增加等量的水,14d的自收缩量降低了90%。 关于掺入的SAP粒径方面,Esteves[48-49]测试了50 μm、100 μm和200 μm直径的SAP颗粒,水灰比为0.3的混凝土,早期的自收缩发育与 SAP的颗粒大小呈相反联系,SAP的粒径增大,变形速率逐渐减小,且水化效果越来越好,但是对于内部湿度变化没有影响。SAP的粒径越大,其吸水速率和吸水效果越好,周围水泥浆体的水化程度越好,但是会形成较大直径的孔隙,容易造成应力集中,当引水量相同的时候,使用粒径小的 SAP,会使 SAP均匀分布在混凝土内部,在释水之后,虽然留下的孔隙较小,当相对来说空隙比较密集,应力集中现象也不可避免。在工程应用中,应根据混凝土使用的具体目标确定一套SAP的使用方案。 例如,如果需要抗冻融能力强的混凝土,则可以相应增加使用粒径较大的SAP。当设计目标为提高强度时,小颗粒的SAP的使用比例应适当增加。在挑选SAP方面,V.Mechtcherine[50]模拟水泥内部环境,对两种不同的SAP进行对比研究,发现含有负离子的 SAP在很大程度上迅速释放了存储的水溶液,而含有丙烯酰胺作为共聚物的SAP在较长时间内保留了水,这些现象可以直接与 SAP减轻高强度混凝土的自收缩的内养护效率相联系。可以较好释放水的SAP大大降低了混凝土的自收缩,最后通过对强度的测定,总结出只有平衡的选择SAP的类型、用量和最适当的额外引水量来进行内养护才没有负面影响,甚至可以提高混凝土抗压强度。

3.3 减缩剂(SRA)

不同的减缩剂性能存在较大差异,对于多烷基醚类减缩剂,Bentz[51]研究发现其在水中浓度为6%时,可以使蒸馏水的表面张力降低到32.4 mN/m,降低57%左右。而Weiss[52]要使溶液表面张力趋于恒定至32.5 mN/m,需要使用乙二醇醚类的SRA质量浓度达到15%。乔墩[36]研究结果显示,当减缩剂浓度为5%时,可以使溶液的表面张力降低到极值,对于水溶液的蒸发速率也提高到一定程度,当浓度继续增加,二者都会产生降低趋势。对于使用效果来看,研究证明减缩剂虽然可以减少混凝土自收缩开裂,但是发现减缩剂会导致混凝土强度下降,与其他外加剂共同作用时,由于相容性问题,强度甚至下降10%～15%以上。因此,很多学者对减缩剂与其他内养护材料互掺的共同作用进行了实验探究分析。肖黾[53]和龚建清[54]对SRA和SAP的双掺进行相关研究,发现对于一定比例的双掺减缩效果要比任何一种单掺的效果要好,说明对于减少水泥砂浆的自收缩方面,SAP与SRA不单具有良好相容性,甚至具有一定的增强效果。当SAP和SRA掺量不同时,SAP的所占比例大要比SRA所占比例大效果更好。党玉栋[55]研究减缩剂与轻集料共同使用的效果显示,两者双掺不仅可以保持材料内部的相对湿度,而且对于减少自收缩也效果显著。另外,轻骨料也补偿了减缩剂造成的水泥水化和强度的消极影响。而由于减缩剂产生的作用,降低了收缩应力,减少了收缩开裂,对水泥基材料耐久性也产生积极影响。李飞[56]研究了减缩剂与膨胀剂、内养护剂互掺使用情况下,混凝土早期收缩的变化规律。研究结果表明,三者之间互相双掺存在一定的比例关系,不同的双掺比例对收缩的影响效果不同,相对于三种材料的单独掺入,双掺得到了明显的积极效果,其中0.2%内养护剂与2%减缩剂双掺48 h早期收缩值降低了70%,10%膨胀剂与2%减缩剂双掺甚至降低了76%,而且以这两种比例掺入,不会影响混凝土的强度。

4 总结与展望

对于文中所介绍的三种内养护材料,都会减少混凝土的自收缩现象,但对于LWA来说,对混凝土强度等方面的影响依旧是一个比较严重的问题,如何在保证加入额外需水量之后不对混凝土产生不利影响,依然需要继续研究。对于SAP,在理想吸水量的状态下,掺入合适比例的饱水的SAP,会对混凝土强度,耐久性等均有提高 但是不同的制备工艺、制备材料,会造成吸水率、粒径、释水速率等性质上的差别,进而影响使用时的效果,而且对于以何种方式掺入到混凝土中,还有待研究。除此之外,要想将SAP真正应用到实际工程当中,还要解决在施工过程中如何控制其性质不发生改变的问题。对于SRA,单独过量使用或者与其他外加剂使用都会导致混凝土其他性能受到影响,本文虽然介绍了几种与内养护材料叠加使用的有效研究成果,但不同种类的SRA与不同SAP和LWA互掺效果不一定理想,相关研究还有待增加。