掺合料混凝土的早期养护问题研究

郑捷

（上海市退（离）休高级专家协会土木建筑专业委，上海 200041）

0 前言

在影响混凝土强度的诸多因素中除了水灰比、水泥与骨料的比例以及骨料的粒度、表面组织、形状、强度等这些相关因素之外，早期养护也是不可或缺的重要因素。近年来在混凝土可持续发展的理念推动下，广大混凝土生产企业大力开发应用工业废弃物，节约资源、减少排放，矿物掺合料的利用技术得到了快速发展。在混凝土中掺加两种或两种以上的矿物掺合料已成为混凝土生产企业常用的技术措施。这些矿物掺合料的应用对于改善混凝土各项性能起到了重要作用。但同时掺合料混凝土因养护问题而导致的质量事故也屡有耳闻，为此引发了对掺合料混凝土养护问题的关注，特别是早期养护问题的研究。本文试以常用的矿物掺合料为例，通过分析其主要成分及作用机理进而阐述掺合料混凝土早期养护的重要性。

1 掺合料的分类与作用机理

根据行业标准 JG/T 486—2015《混凝土用复合掺合料》的定义，复合掺合料可分为活性矿物掺合料和惰性矿物掺合料。为了叙述方便起见对常用的矿物掺合料据其主要成分及作用机理还可分为如下三种类型（详见表1）：

表 1 常用矿物掺合料的反应类型

表 1 中的火山灰反应类型与潜在水硬性类型的矿物掺合料都含有硅、铝、钙等一种或多种氧化物，这些活性矿物掺合料在混凝土中能逐步地与水泥水化过程中产生的氢氧化物反应生成水化铝酸钙或水化铝硅酸钙，随着水化产物的增多，混凝土强度逐渐增长。如果说硅酸盐水泥加水后产生的水化反应称之为一次反应的话，这些活性矿物掺合料的添加则在原来一次反应的基础上产生二次反应。由一次反应到二次反应说明掺合料混凝土内部的水化过程是一个渐进叠加的过程，掺合料的加入延长了水化进程，同时也预示着混凝土各龄期的养护时间也相应延后，早期混凝土强度的缓慢发展，愈加显示早期养护的重要性。

1.1 粉煤灰及微硅粉的作用机理与早期养护

粉煤灰的化学成分组成中 70% 以上是 SiO2、Al2O3和 Fe2O3，其中 SiO2和 Al2O3是粉煤灰玻璃体中铝硅酸盐的主要成分，而 Fe2O3对于降低熔点、形成玻璃微珠是有利的。粉煤灰材料自身不具有水硬性，但是它能够和水泥水化过程中析出的 Ca(OH)2进行二次反应，生成类似水泥水化后的产物 C-S-H 凝胶，因此从这个意义上讲粉煤灰的火山灰反应其实是二次反应后所体现的凝胶效应。通过不断地探索，发现在高钙粉煤灰中还存在类似水泥熟料中的硅酸二钙等持有自硬性的化合物。

粉煤灰作为具有火山灰反应的矿物掺合料在混凝土中取代一定量的水泥后，其早期、中期水化产物较少，强度偏低，为此必须重视早期养护工作。一般情况下湿润养护 7～14d，干燥或炎热气候条件下必须养护14～21d，冬季施工时，掺有粉煤灰的混凝土表面最低温度不宜低于 5℃。

与粉煤灰同样具有火山灰反应的微硅粉是一种比水泥颗粒小很多的非晶质球形粒子，平均粒径为0.1～0.2μm，主要成分 SiO2一般大于 85%，国产微硅粉的平均比表面积为 20m2/g，商品化微硅粉的体积密度为 0.6～0.8g/m3，是配制高强、超高强混凝土的重要组成材料之一。

微硅粉是一种比表面积很大，活性很高的火山灰物质，微硅粉与粉煤灰相比除了火山灰效应，即其主要成分 SiO2与水泥水化后产生的 Ca(OH)2发生二次反应生成水化硅酸钙凝胶之外，由于微硅粉的微粒子充填效应，促使水泥硬化体组织的致密度大大提高。在二次化学反应和微粒子的充填效应同时作用下，混凝土早期强度有了较大提高。值得注意的是掺用微硅粉的混凝土养护过程中应防止水分的过早蒸发，因此，浇筑完毕应立即覆膜，并铺设麻袋、浇水养护。此外在配制低水胶比高强混凝土时，微硅粉的添加将增大混凝土的自收缩，所以整个养护周期都需防止混凝土表面的水分蒸发。

1.2 高炉矿渣粉的作用机理与早期养护

高炉矿渣粉的潜在水硬性主要表现在微粉中的氧化物在碱的激发下溶出，生成的水化物具有硬化的性质。与上述火山灰反应不同的是不需要过度消费碱，在少量碱的刺激下即可硬化。这是因为矿渣粉是一种非晶质的玻璃体矿物材料，不具备格子构造，而且 Si 和 O 之间的结构空隙是一种网眼结构，在碱溶液的激发下氢氧离子的侵入较容易并且这种反应随着温度的升高而加速。

我国对矿渣粉的技术要求中以比表面积大小分为 3个等级，即 S105、S95、S75。比表面积大表示其反应速率大，对早期强度有利，而比表面积小则反应延迟从而能抑制水化热，一般混凝土生产企业采用 S95 级的矿渣粉居多。掺加矿渣粉的混凝土与未掺用的混凝土相比早期强度有所降低，随着掺量的增加自收缩也相应增大，因此早期养护对掺加矿渣粉的混凝土而言同样重要。早期养护不当不仅使混凝土强度受到损害，而且极易造成混凝土表面的水分蒸发产生表面质量问题。

1.3 石灰石粉的作用机理与早期养护

石灰石粉作为一种获取容易、质优价廉的矿物掺合料，近年来在行业内逐步得到应用。石灰石粉基本上属于非结合性的惰性材料，除了具有充填效应外近期的研究表明还具有加速水泥早期水化的效应。图 1[1]显示的是添加不同掺量石灰石粉时的硅酸三钙反应率。

图 1 硅酸三钙反应率

图 1 说明随着石灰石粉掺量的增加，反应率也随之增加，显然对硅酸三钙的水化具有促进作用。这是因为石灰石粉的掺入起到了水化核的成核作用，所以随着水化程度的加大，水化物核体随之扩大，在硅酸三钙外部和石灰石粉表面分别形成了水化物凝胶，改善了石灰石粉与硬化水化产物的界面结构，提高了混凝土的早期强度。同时也有研究表明当采用石灰石粉配制大流动混凝土时，伴随着单位水泥用量的增加，要防止产生自收缩及温度裂缝，有鉴于此，在早期养护方面保持湿润养护是减少混凝土早期开裂和提高硬化混凝土耐久性的根本措施，原则上混凝土浇筑后应立即养护，养护时间不宜少于 14d。

2 混凝土裂缝与早期养护

做好掺合料混凝土的早期养护不仅能使混凝土强度达到设计要求而且可以避免各种混凝土裂缝的产生。表2 初步归纳了早期养护不当可能产生的裂缝种类、成因及抑制对策，供同行参考。

混凝土裂缝破坏了混凝土的防水性能，而且对混凝土的耐久性带来很大影响。从表 2 裂缝发生的成因分析，温度和湿度始终是混凝土养护的根本问题。浇筑后的混凝土因水泥在硬化过程中产生大量的水化热，从而使混凝土内部温度急剧上升，而在冬季，气候干燥、环境温度较低，形成较大的温差，导致产生温差裂缝。特别是在大体积混凝土施工时，要严格控制浇筑体中心与浇筑体表层温度之差不宜大于 25℃，浇筑体表面与大气温差不宜大于 20℃。在夏季混凝土表面水分蒸发较快，内外水分的不平衡引起的体积收缩也将导致产生裂缝。因此混凝土在冬季和炎热的夏季，若天气发生骤然变化时，应采取适当的技术措施，即冬季的保温和夏季的隔热，防止混凝土产生过大的温差应力。此外也要考虑混凝土表面的吸水问题。英国伯明翰大学的 R.K.Dhir曾对混凝土湿润养护期间，不同配合比的混凝土表面吸水量进行了试验比较，结果发现养护 4d 比养护 1d 的混凝土，吸水量平均降低了 50%，可见保湿养护的重要性。

近年来在湿润养护方法上已从传统的草包、麻袋、薄膜养护以及表面喷涂养护液等技术手段发展到膜养护、内养护。所谓膜养护是在混凝土表面形成一层保水膜，主要成分有石蜡或丙烯等材料；而内养护主要采用吸水性材料，如吸水性的聚合物、吸水性大的轻骨料等在饱水状态下置换一部分骨料，通过水分的缓释以减少混凝土收缩。分析以往混凝土结构产生裂缝的原因可知，由湿度和温度变化引起的裂缝占了主要部分，因此从早期养护及至以后阶段的养护，温度和湿度始终是做好混凝土养护工作的关键。湿润养护技术的发展为施工方提供了多项选择的机会，也为混凝土养护提供了技术支撑。

表 2 裂缝种类与抑制对策

3 混凝土养护期限的规定

施工现场混凝土的养护毕竟与试验室标准试块的养护有所区别，在 GB 50666—2011《混凝土结构工程施工规范》 8.5.2 中规定采用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥配制的混凝土，养护时间不应少于7d，采用缓凝型外加剂、大掺量矿物掺合料配制的混凝土，不应少于 14d。

美国混凝土养护指南（ACI 308 R）中推荐了 10℃以上环境下的最小养护期限，见表 3[2]。

表 3 10℃ 以上环境下的最小养护期限

日本在混凝土规范（施工篇）中对于混凝土养护期限的规定见表 4[2]。

表 4 混凝土湿润养护期限

对照我国与美、日两国的规范不难发现，凡是添加矿物掺合料的养护期限都适当延长，不同的是美国在养护指南中规定了 10℃以上环境下使用各水泥品种时的最小养护期限，而日本规范是根据日平均气温和所使用的水泥品种规定养护期限，两者都注重环境温度对混凝土早期养护的影响。混凝土从初凝至终凝其强度始终处在一个逐渐增长的时期，但在早期整个混凝土组织还是比较脆弱的，因此早期养护是促使混凝土强度正常发展、确保混凝土表面质量的重要时间段，必须严格遵循规定的混凝土养护期限。

4 结语

混凝土强度的增长缘于水化反应，在规范的养护条件下龄期越长混凝土强度的增长也越大，虽然受水泥、外加剂种类等因素的影响强度发展会有所差异，但在通常情况下 3～14d 混凝土强度发展较快，28～90d 强度发展比较平稳，而一年以后的强度增长极小。由此可见早期采取适当的养护措施对确保混凝土强度按自身规律发展以及提高混凝土的耐久性都是至关重要的。

最近几年矿物掺合料的应用取得了很大的进展，新型矿物掺合料不断涌现，常用复合矿物掺合料在一些大体积混凝土、大坝工程中大掺量使用，取得了良好的技术经济效益，同时也应该看到复合掺合料的使用对混凝土长期性能的影响变得错综复杂，有些性能还需进一步试验验证，但早期强度偏低是共同的特点，使用时事先把握适用范围和使用环境是很有必要的。

总而言之，养护工作是混凝土施工中的一个环节而早期养护是整个养护龄期中的一个节点，掺合料混凝土的早期养护问题必须引起应有的重视。