工程水泥基复合材料自收缩调控方法综述

2020-07-18巫向晖何坚强

广东土木与建筑 2020年7期

巫向晖，甘伟，何坚强，王庆

（1、广州立墙墙体材料有限公司广州510800；2、广州大学土木工程学院广州510006）

0 引言

20 世纪90 年代美国密歇根大学的V.C.Li 教授首次用短纤维对胶凝材料进行细观力学设计，研发了一种具有多点开裂和应变硬化特征的水泥基材料［1］。ECC 在传统混凝土的基础上，通过去除粗骨料，掺入不超过2%的聚乙烯醇纤维，从而发展成为一种高延性、韧性的复合材料。众所周知，如果水泥基材料自收缩过大，将导致材料产生裂缝，外界的水分和有害杂质侵入材料内部从而直接影响其使用性能。水泥基材料的收缩主要由自收缩与干燥收缩组成，自收缩是指不考虑外界因素的情况下，由于胶凝材料的水化反应而引起的体积减小；干燥收缩是指水泥基材料由于内部或表面的水分蒸发而引起的体积减小［2］。混凝土的早期收缩开裂与其自收缩密切相关，因此，本文从材料组成出发，为了进一步掌握水泥基材料的自收缩规律，综述了改善水泥基材料自收缩的技术方法，展望了ECC未来的发展方向。

1 水泥基材料的自收缩机理

Li 等人［3］认为自收缩主要由化学反应引起，胶凝材料在与外界无物质交换的条件下，由于水化反应引起的毛细孔负压和内部相对湿度降低，导致宏观体积的减小，但不包括因温度变化、外部加载或约束而引起的体积变化。Jensen 等人［4］认为混凝土自收缩主要有2 个原因，一是混凝土内部相对湿度在硬化过程中下降，在没有外部水源补充的情况下发生自干燥，与自干燥密切相关的混凝土也经历了体积收缩，这种收缩，即自干燥收缩；二是水泥水化过程中形成的生成物的体积比反应物的体积小。Jiang 等人［5］认为水泥混合料在水化过程中内部相对湿度的降低是高性能混凝土早期收缩的主要原因。自收缩发生的关键在于水泥基材料的内部相对湿度降低而引起的自干燥，水泥的水化反应是产生自收缩的主要原因，毛细管理论能够较好地解释水泥基材料自收缩的机理。要测量自收缩值，就需要先排除干燥收缩的影响。多数的实验研究表明，密封条件下进行养护测得的收缩值为自收缩［6-8］，干燥条件下测得的收缩为自收缩与干燥收缩之和，因此，材料自收缩的测定方法也需引起足够重视。

2 自收缩调控方法

为降低水泥基材料自收缩，目前已有的调控方法包括内养护、外加剂、矿物掺合料等［9］。

2.1 内养护技术

常用的内养护材料包括高吸水树脂和轻质多孔材料。在水胶比较低的情况下，随着试件内部水化反应的进行，内部水含量下降，造成试件内部产生自干燥，这是引起自收缩的一个重要原因［10］。如有多余的水分不断补充反应消耗的水，则自干燥现象可以得到缓解［11］。

Wang 等人［12］探究了预吸水陶粒对混凝土自收缩与抗压强度的影响，实验结果表明，当陶粒100%等质量替代粗骨料时，试样的28 d自收缩值降低了22%，但抗压强度下降了29.3%。可见，虽然轻质多孔材料的掺入改善了自收缩，但却对抗压强度造成了影响。Zielinski 等人［13］的研究也得到类似结果，他们通过用粒径为0～4 mm的预吸水轻骨料替代混凝土中0～2 mm粒径的天然骨料，使得试样的28 d自收缩值从582 μm下降到217 μm，自收缩下降了62.7%，但抗压强度从102.9 MPa 下降至66 MPa，强度损失了35.86%。然而轻质多孔骨料对抗压强度的影响并不全是负面的，如Suzuki 等人［14］将再生多孔陶瓷骨料应用于减少自收缩，因骨料的粒度分布合理，再生骨料多孔的特性使得水泥基质中的水传输更流畅，当粗骨料替代率为40%时，实验测得的28 d自收缩值接近于0，强度也得到了提升。此外，Abate 等人［15］的研究表明，再生骨料能改善高强矿渣水泥砂浆的自收缩，他们对再生骨料进行碳化处理，当掺入25%体积的碳化再生骨料时，自收缩降低了38%～42%，抗压强度虽然略有降低，但在可接受范围内。综上所述，轻质多孔骨料能显著降低混凝土的自收缩，但对抗压强度会造成一定的影响，最理想的调控手段是在不影响材料其他性能的前提下，避免由于自收缩导致裂缝。上述文献调控前后的自收缩值如图1所示。

图1 轻质多孔骨料对自收缩的影响［12-15］Fig.1 Influence of Lightweight Porous Aggregate on Autogenous Shrinkage

高吸水树脂（SAP）也是一种调控ECC 自收缩的内养护剂［16］。Yang 等人［17］向自流平砂浆中加入高吸水树脂，结果表明当掺入水泥质量的0.4%的高吸水树脂时，改善自收缩的效果最好，自收缩下降了10.2%，但抗压强度从57.5 MPa 下降至45 MPa。Song等人［18］利用高吸水树脂作为内养护剂加入到碱矿渣砂浆中，实验结果表明，掺入0.15%的高吸水树脂使得自收缩从75 μm 下降至35 μm，但抗压强度从45 MPa 下降至35 MPa。SAP 的掺入虽然使自收缩得到了改善，但抗压强度受到了影响。此外，Yang 和Yao 等人［19，20］的研究表明，高吸水树脂能延缓并且改善ECC 的自收缩，但会降低5%～15%的抗压强度，抗压强度降低是因为高吸水树脂的附加水会影响水胶比，而水泥基材料的水胶比是决定抗压强度的关键。

Ahmaran等人［21］利用预湿的浮石替代ECC中的硅砂，使得ECC的自收缩显著降低。此外，Keskin 等人［22］的研究表明，预吸水珍珠岩部分替代ECC 中的骨料可以显著降低自收缩，当替代率为30%时，自收缩下降了77%，如图2所示。Zhang等人［23］通过用经湿润、煅烧处理的沸石颗粒加入到高强ECC 中，28 d 时自收缩最高降低62.8%，且材料强度基本稳定。内养护剂的开发和使用，为水泥基复合材料自收缩的调控提供了路线和方法，但类型和用量的选择依然需要根据实际需求进行优化，此外，内养护剂对强度的影响也不能忽视。

图2 预吸水珍珠岩含量对自收缩影响［19］Fig.2 Influence of Pre-wetted Perlite Content on Autogenous Shrinkage

2.2 矿物掺合料

Zhang 等人［24］开展了不同硅灰含量（0～10%）、不同水灰比（0.26～0.35）对混凝土自收缩影响的研究，结果表明:自收缩随硅灰含量增加而增加，随水胶比增加而减少，如图3 所示。这一实验结果与Yoo 等人对ECC 的研究结果吻合［7］，硅灰的填充效应使得试样中的孔隙率与孔径减小，内部毛细孔半径越小，收缩压力越大，从而导致收缩变形增大。Lim 等人［25］将炉渣与硅灰作为矿物掺合料掺入到超高强混凝土中，结果表明当炉渣与硅灰取代50%质量的水泥时，不仅可以使自收缩降低42.1%，同时抗压强度不会受到很大影响。Hao等人［26］对含改性粉煤灰的混合水泥砂浆进行了自收缩试验，替代水泥后能有效减少自收缩，且比普通粉煤灰的效果更好。Herrera等人［27］向自密实混凝土中掺入粉煤灰与细石灰石，发现石灰石促进水化的作用能抵消粉煤灰对终凝时间的延迟，粉煤灰与石灰石的掺入使得自收缩减少了39%～84%。Termkhajornkit等人［28］探究了粉煤灰水化程度与自收缩的关系，结果表明随着粉煤灰比表面积的增加，水化程度在增加，掺入粉煤灰试样的自收缩主要取决于粉煤灰的水化程度。Yoo等人［29］分别探究了硅灰与炉渣对混凝土自收缩的影响，当粉煤灰水泥替代率为30%与50%时，其自收缩降低了8.85%与24.90%；当炉渣水泥替代率为30%与50%时，自收缩提高了21.43%与30.29%。Sirtoli等人［30］将硫铝酸盐水泥用作胶凝材料，替代50%质量的普通硅酸盐水泥后，结果显示试样的28 d自收缩得到了显著的下降。Zhang 等人［31］将钢渣部分替代超高性能混凝土中的水泥，明显降低了试样的早期自收缩。

图3 硅粉含量对不同水灰比混凝土的自收缩影响［24］Fig.3 Effect of Silica Fume Content on Autogenous Shrinkage of Concrete with Various W/C Ratios

综上，矿物掺合料通过改变材料内部的孔隙率或替代水泥水化反应，从而实现调控自收缩的目的。对于ECC来说，利用矿物外加剂来减少自收缩一直以来都备受关注，这不仅能够有效减少水泥用量，而且在节约成本和减少对环境的污染方面有着突出贡献。若能在现有矿物掺合料或工业废料中找出适用于降低ECC自收缩的原材料，无疑对ECC的推广应用有着积极的作用。

2.3 外加剂

早在1995 年，Tazawa 等人［32］就开始研究化学外加剂与矿物外加剂对混凝土自收缩的影响，一般选用减缩剂、减水剂等［33］。Yoo 等人［34］研究了6 种不同的化学外加剂对水泥基材料自收缩的影响，结果表明，减缩剂对降低自收缩最为有效。Seo等人［35］发现经煅烧处理的牡蛎壳粉的加入能促进水化反应，此外，牡蛎壳粉中氧化钙成分与水能发生膨胀反应，降低了20%的自收缩。Meddah 等人［36］在高性能混凝土中同时加入膨胀剂和减缩剂，能使试样的自收缩降低，膨胀剂与减缩剂的协同作用能减少收缩应力。而关于化学外加剂对ECC 自收缩影响的研究目前还较少。Chen 等人［37］向高强复合水泥基材料中入加8 L/m3的减缩剂，再用硫铝酸盐水泥替代5%质量的硅酸盐水泥，使得自收缩减少了42%。因此，减缩剂和膨胀剂是目前水泥基复合材料自收缩调控的主要外加剂。