现代混凝土收缩开裂组合调控法评述*

韩宇栋 丁小平 岳清瑞 林松涛 李 威 解世祥

(1.中冶建筑研究总院有限公司, 北京 100088； 2.北京科技大学城镇化与城市安全研究院， 北京 100083；3.清华大学土木工程系, 北京 100084)

0 引 言

混凝土开裂及由此导致的有害离子快速侵入与钢筋锈蚀问题，严重影响混凝土耐久性与结构构件的安全服役，是钢筋混凝土结构的典型弱点。混凝土裂缝中，因早期温度与湿度变化导致的非荷载性开裂占据主要部分，受到广泛关注。由于胶材水化耗水以及干燥环境下的扩散失水，混凝土内部相对湿度降低，毛细孔内溶液由饱和态逐渐转为出现凹曲液面，基材毛细孔壁受到凹液体表面张力的影响而产生局部拉应力，混凝土宏观上将由此产生表观体积收缩，并在外部或内部相邻约束的情况下引发构件开裂[1-2]。特别是对于高强混凝土，一方面，由于水灰比低，浇筑后早期基材孔隙中水分含量下降迅速，内部自收缩拉应力及混凝土弹性模量随龄期发展较快且相应较大；另一方面，相较于低强混凝土，高强混凝土早期徐变小，因此其收缩开裂现象更甚，这往往出现工程常见的高强混凝土反而开裂更早、抗裂性更差的“怪象”，从而对其应用发展不利。

除混凝土配合比及强度等级不同引起的收缩特性差异外，混凝土服役条件变化(其应用的工程类型及结构部位、地理位置及其自然环境)也将带来混凝土收缩发展特性受环境影响而产生的差异。首先，服役环境方面，我国南海岛礁常年高温高湿，雨季空气相对湿度更是可达95%，因此，南海岛礁环境下硬化混凝土干燥失水速率较慢，失水量小，混凝土以自收缩为主；但是岛礁上大风天气多，容易造成混凝土在塑性状态下表面失水较快。与此形成对比，我国西北高原和沙漠干旱地区，大部分时间下环境干燥、大风，空气相对湿度可低至25%以下，因此，该地区混凝土则遭受较为明显的干燥失水和干缩开裂问题。其次，结构类型方面，大体积混凝土一般较厚或体量面积都较大，例如水利大坝、大型基础、桥梁墩台墩柱、核电安全壳等，因常压下常规混凝土受环境空气干燥和雨水润湿影响的深度有限，即使是C30强度等级的普通混凝土，该影响深度也通常仅限在10 cm左右，高强混凝土则更浅。因此，大体积混凝土的核心部位的混凝土其经历的外部干燥作用较弱，收缩以自收缩为主，而表层混凝土则自收缩和干燥收缩均会发展；同时钢管混凝土构件中的芯部混凝土也仅会产生自收缩。与此形成对比，一些薄壁混凝土构件，例如管道、薄墙、楼板屋面，其厚度可低于10 cm，构件经历双面干燥影响，干燥失水快且量大，因此，该类构件干燥收缩开裂问题较多发生。而如普通强度的梁柱及核心筒剪力墙、路桥面板、跑道面板、地铁管片及地下通道管廊等中厚结构，混凝土自收缩和干燥收缩均会一定程度的发展。第三，结构部位方面，同一建筑工程其结构柱基础埋置或水下部分混凝土干燥收缩几乎可忽略，地下室外墙一般是单面临空单面埋置(南方地区地下室外墙外侧多临潮湿或泡水土壤，西北地区地下室外墙则外覆土多，较为干燥)，而楼板、屋面板的上下两表面均为干燥面。因此，这三种情况下即使是相同配合比混凝土，不同部位构件的自收缩和干燥收缩发展也会产生较大差异，不同部位混凝土受外部约束也各有不同。

为了有效解决混凝土收缩开裂问题，国内外研究人员对多种方法进行了研究。首先，添加减缩剂(SRA)与膨胀剂已被验证是调控混凝土收缩的有效方法，前者通过降低毛细孔内凹曲液面的表面张力来减小收缩[3-5]，后者通过生成水化产物引入膨胀来抵消收缩[6-7]。另外，将预吸水的轻骨料或者高吸水树脂(SAP)掺入到混凝土中，在湿度降低时释放水分，以降低收缩的方法称为内养护法(IC)，该方法的有效性已得到证明[8-11]。以上添加内养护剂、膨胀剂是三类常用的被动型(降低收缩开裂驱动力)、内掺型收缩调控方法。其次，在成型已硬化混凝土表面喷涂水玻璃、有机高分子乳液、石蜡乳液等成膜性涂层，或者直接洒水、覆盖、浸水，以减少混凝土表层水分向外散失的外养护方法，对减轻混凝土表层干燥失水、保持混凝土内部相对湿度饱和度有着积极影响[12-15]。这是一类被动型、外用型收缩调控方法。第三，在混凝土中分别掺入一定含量的钢纤维、聚乙烯醇纤维(PVA纤维)、聚丙烯纤维(PP纤维)等或其组合，一方面在纤维约束条件下混凝土早期收缩应变的发展水平将降低，另一方面在因早期收缩引发原生裂纹开始扩展时纤维将提供桥接应力，可以有效抑制混凝土开裂并减小缝宽，提高混凝土抗裂性能[16-20]。这是一类主动型(提高收缩开裂阻力)、内掺型收缩调控方法。

尽管上述三大类方法均被验证有一定的减缩抗裂效果，但单一使用某种减缩方法仍难以在千差万别的内外部条件下实现普遍较高的减缩抗裂效果，并且可能会对混凝土的其他性能造成负面影响，其适用的环境和条件范围较小、局限性较为明显。如对于内养护混凝土适用水胶比一般在0.2～0.4之间，对于实际工程中使用量更大的中低强混凝土并没有良好的解决方案；外养护剂主要是用来阻止水分蒸发，但一方面既无法完全阻止水分蒸发，另一方面在混凝土内部水泥水化过程中相对湿度下降时又无法及时补充水分，也就无法降低混凝土自身收缩；减缩剂掺量较大时，对混凝土凝结时间和早期强度有较大影响。为了突破单一的减缩抗裂方法在实际应用中的局限性，许多研究人员从不同角度尝试复合使用两种或多种减缩措施，通过不同方法之间的组合及其可能的协同作用，试图得到更好的收缩调控效果。本文基于前述分析，拟将现代混凝土收缩组合调控方法分为三大类组合：1)减缩剂、膨胀剂、内养护剂三种被动型内掺调控材料两两之间的“内掺调控组合”；2)三种内掺调控材料分别与外养护剂两两之间的“内外调控组合”；3)三种内掺调控材料的被动防裂与纤维增强(含混杂增强)的主动抗裂之间的“主被调控组合”。基于此三大类混凝土收缩调控组合，再尝试从理化、力学和微观等角度，分析该调控组合所可能存在的协同作用及其发生条件，并提出其适用场景。据此，综合评述当前国内外与混凝土收缩组合调控有关的研究现状。当然，需要指出的是，一方面，混凝土早期收缩调控还有诸如水泥和掺合料胶材品种、细度及水化特性调控、粗细骨料品种及特性调控、调凝调水化等其他化学外加剂调控等更多方法，在本文中考虑胶材和骨料属于大宗建材且具有明显地域受限性，暂未纳入分析范围；另一方面，由于三种及以上减缩措施组合，无论是其协同机理研究还是实际应用工艺都过于复杂，故本文主要综述两种减缩措施组合的双因素调控法，重点介绍膨胀剂与内养护剂组合、膨胀剂与减缩剂组合、减缩剂与内养护剂组合等相关研究进展。

1 内掺组合调控

减缩剂、膨胀剂、内养护剂是混凝土收缩调控中常用的内掺剂，均可在一定程度上实现减缩防裂的目标。为了解决单一内掺法可能存在的局限性，在控制减小其对其他性能影响的基础上，更有效地实现收缩开裂调控，多位研究人员[21-34]对内掺组合调控展开了研究，旨在验证多种内掺剂之间的组合效果，并更深一步理解其相互影响以及“内掺协同”机理和发生条件。

1.1 内养护剂与膨胀剂组合调控

膨胀剂的膨胀反应需要消耗大量内部水分，而在低水胶比的高强混凝土中，水分的匮乏严重限制了膨胀剂的膨胀效能。一方面，低水胶比的情况下，水泥水化要占用较多水分，用于膨胀反应的水分本就不足；另一方面，高强混凝土的致密结构使得外部养护水分难以进入混凝土内部实现补给，同时其基材的高弹性模量特性约束膨胀产物膨胀效能的发挥；如在大体积混凝土的核心部位近乎绝湿环境，进一步削弱了膨胀剂的膨胀反应。内养护法是指在混凝土中掺入多孔轻骨料、高吸水树脂等预吸水内养护材料，在混凝土内部相对湿度下降期通过扩散或毛细负压的作用，释放预先吸入的水分，补充毛细孔中的水分消耗，抑制毛细孔凹液面的形成，从而减小收缩。如果将内养护法与膨胀补偿法组合使用，借助内养护剂在混凝土内部湿度下降期释放的水分，可以使膨胀剂的中后期膨胀效能得到提升。此外，借助膨胀剂的膨胀产物，可以填充内养护剂(如SAP颗粒)失水之后造成的孔隙，改善密实孔结构，提高力学性能与耐久性能。两种方法的组合应用有可能实现优势互补、劣势互消，是一种很有前景的组合调控思路。

目前，国内外关于内养护剂与膨胀剂内掺组合调控的研究较多，现将部分典型研究及结果整理归纳如表1所示。

表1 内养护剂与膨胀剂组合调控研究文献分析Table 1 Research literature analysis of combined control of internal curing agent and expansive agent

笔者认为，膨胀剂补偿收缩效应的实现对其膨胀性水化产物生成过程中水分的恰时、充足补给要求严格。通过控制内养护剂的掺量、预吸水轻骨料吸水孔隙的孔径分布、高吸水树脂的颗粒粒径及其吸附脱附特性，调控内养护水引入量以及释水的时机和速率，可实现对膨胀剂特定水化阶段的大量需水保持高效供给，从而保证膨胀产物的切实、适时受控生成。高吸水树脂内养护剂释水后留下的空间及预吸水轻骨料内养护剂的外表面过渡区，为膨胀性产物的生长提供内部界面/空间。此外，在低水胶比高强混凝土中，膨胀剂往往难以得到充足水分而无法产生有效膨胀，而恰恰在低水胶比混凝土中使用内养护剂会因其较低的水分扩散系数而使引入的内养护水大部分发挥内养护作用而非被扩散蒸发，从而可为此条件下膨胀剂效能的发挥提供内部水分供给。高强混凝土因水胶比低，其自收缩和总收缩值均较大而开裂风险高，减缩控裂需求更高。因此，在高强混凝土中组合使用内养护剂和膨胀剂，将更易产生减缩控裂的协同效应。但目前膨胀剂、内养护剂的种类均较多，其膨胀机理和历程、内养护效率不尽相同，同时混凝土强度及使用条件的变化范围较大，实际中膨胀剂和内养护剂二者的相互作用和协同效应的发生条件将比以上分析复杂得多。因此，要实现内养护剂与膨胀剂调控组合的广泛适用，还需进行更深入系统的研究，并同时平衡控制此组合对力学及耐久性能的影响。

1.2 减缩剂与膨胀剂组合调控

减缩剂通过降低毛细孔内溶液的表面张力来减小收缩应力，对干燥收缩和自收缩均有较好的调控效果。但很多研究表明减缩剂会延长初凝时间，降低水化速率，对混凝土早期力学性能造成一定的折减影响[35-36]。膨胀剂通过与水反应生成结晶膨胀来抵消收缩，对早期自收缩的调控效果较好。但其膨胀作用不易精准控制，掺量难以确定，很容易出现不可控的膨胀现象，且常常出现早期膨胀值的后期回落倒缩现象；此外在水灰比较低的高强混凝土中，由于缺乏足够的水分，膨胀剂对收缩的调控效果不明显[37-38]。为了克服这两种方法在单一使用时的限制，研究人员对膨胀剂与减缩剂组合调控进行了研究，现将部分典型研究及结果整理归纳如表2所示。

表2 减缩剂与膨胀剂组合调控研究文献分析Table 2 Research literature analysis of combined control of shrinkage reducing agent and expansive agent

上述研究均表明减缩剂与膨胀剂组合调控的协同效果显著。究其原因，多位研究人员给出了相应的分析：Oliveira认为在掺入减缩剂后，混凝土凝结时间延迟，早期强度下降，刚度较小，膨胀剂反应及其产物的周围约束减小，早期膨胀效能更好[42]；另外，减缩剂的引入通常会导致强度的降低，但是在掺加膨胀剂后，氧化钙在多孔区域发生膨胀结晶，促成了一部分的强度“补偿”，明显减小了因减缩剂掺入导致的强度损失；Maltese等通过电子显微扫描、X射线衍射等方法对水泥砂浆[44]进行了微观试验，认为协同减缩机制存在于两方面，其一是组合使用后，细长氢氧化钙晶体大量形成，有利于水泥体系的初始膨胀，补偿水泥砂浆的收缩，其二是减缩剂是一种有机疏水分子，可以降低水的介电常数与溶解能力，使得膨胀产物的氢氧化钙溶解度更低，更易析出膨胀；Meddah等认为减缩剂的存在有助于减少水分蒸发，保持较高的内部相对湿度，并允许膨胀剂发生较长时间的膨胀反应，达到较好的组合调控效果[43]。

综上所述，笔者认为，减缩剂对混凝土硬化后干燥收缩调控效果较好，但其超早期的吸附成膜作用会降低胶凝材料初期的水化速率。膨胀剂发挥收缩补偿作用的合适时机主要在混凝土凝结后硬化初的前0.25～3 d内(具体会因膨胀剂组分细度性质而异)。减缩剂初期吸附成膜有延迟水泥水化的效应，削弱了混凝土终凝后约6～36 h内水泥水化的高耗水特性，从而“早期节余水分，同时削弱刚度发展”，这可能为膨胀产物此阶段择机大量反应生成(水分较充足)且产生“放大”的有效膨胀(周围约束刚度降低)提供内部条件可能。此外，水泥石毛细孔中减缩剂还可能降低膨胀产物(例如氢氧化钙)的溶解度，从而促进其膨胀性。因此，减缩剂与膨胀剂组合调控的协同效应可主要总结为两方面：减缩剂对膨胀剂膨胀效果的“放大作用”以及膨胀剂对掺入减缩剂后强度损失的“补偿作用”。

但目前减缩剂与膨胀剂的协同效应还存在如下未解问题：1)减缩剂对水分蒸发速度的影响尚无定论。Berke通过X射线透过率试验测试了减缩剂对水泥浆体内部孔隙中水分迁移的影响，结果表明减缩剂可降低水分蒸发速度[45]；Monosi等研究了不同水胶比的砂浆中硫铝酸钙基膨胀剂在有无减缩剂情况下的膨胀效果，发现减缩剂的存在并未降低水分蒸发，但使钙矾石膨胀的生成稍有延迟，并且显著改变了钙矾石晶体的形态，使其变得更细长[46]；钱春香等对掺入减缩剂的水泥砂浆进行了压汞试验，结果表明掺入减缩剂后，100 nm以上的大孔数量增多，水分散失通道变多，失水速度加快[47]。因此，减缩剂是否能通过减少水分蒸发来维持相对湿度，促进膨胀剂的膨胀反应，还无法确定。2)目前尚未明确减缩剂与膨胀剂“内掺协同”减缩效应的定量发生条件。一方面，利用减缩剂抑制混凝土养护后期的干燥收缩，并提升膨胀剂早期膨胀效能，从而实现养护早期的收缩(主要发生的是自收缩)调控主要依靠膨胀剂，养护中后期的收缩(主要发生的是干燥收缩)调控主要依靠减缩剂，由此二者可能存在全养护过程的协同作用机理。另一方面，膨胀剂生成膨胀产物在水化早期需要大量耗水，这可能与减缩剂后期发挥作用存在一定的水分竞争性，从而导致二者相容性的不确定性，使得协同效应受阻。因此，还需试验确定出其匹配协同条件，包括膨胀剂及减缩剂种类的匹配性、二者掺量的匹配性以及混凝土使用条件与协同效应发生条件的匹配性等。

1.3 减缩剂与内养护剂组合调控

在应用内养护法进行收缩调控时，为实现较好的收缩调控效果，往往需要掺入较多的内养护材料，但这对混凝土工作性、力学性能和耐久性能可能造成不利影响[48-49]。为解决内养护材料“少掺效果差、多掺强度低”的问题，多位研究人员[50-53]将减缩剂与内养护剂组合使用，以期在不影响其他性能的前提下取得良好的收缩调控效果。现将部分典型研究及结果整理归纳如表3所示。

表3 减缩剂与内养护剂组合调控研究文献分析Table 3 Research literature analysis of combined control of shrinkage reducing agent and internal curing agent

上述研究均表明减缩剂与内养护剂组合调控效果显著。为研究减缩剂与内养护剂协同效应机理，乔墩将不同浓度的减缩剂溶液的饱和轻骨料掺入到砂浆中，并测试了其干燥收缩、自收缩与抗压强度[54]。结果表明，在使用较低掺量的减缩剂溶液的饱和轻骨料作为内养护剂时，就可以达到较好的减缩效果，而且力学性能未受影响。同时，内部减缩剂与水在相对湿度降低过程中的释放具有不同步性，浓度较低的减缩剂溶液先释放，浓度较高的减缩剂溶液后释放，从而避免了单一内掺减缩剂时对早期强度的不利影响。党玉栋在此基础上，对以减缩剂饱和轻骨料作为内养护剂的砂浆试件进行了相对湿度的测试[55]，发现在这种复合方法下密封砂浆试件的相对湿度比单一掺加减缩剂或者内养护剂的相对湿度都高。内养护剂通过释放预吸水实现对相对湿度的维持，而减缩剂可以在一定程度上阻碍早期的胶凝材料水化进程，减少水分的消耗，因此砂浆内部孔隙的饱和度也较高。从微观上讲，减缩剂与内养护剂分别从毛细孔壁所受的表面张力与毛细孔的饱和度两个方面发挥作用，Bentz等给出了收缩应变ε与平均毛细孔负应力pcap、水泥石不饱和度S、水泥石体积模量之间的关系式[56]：

(1)

式中：Ks为不含孔介质的体积模量；K为含孔介质的体积模量。从这个经典理论模型上可以看出，减缩剂与内养护剂分别减小了pcap与S，从而在收缩调控上潜在发挥协同效应。

笔者认为，减缩剂的减缩效率与水泥石毛细孔溶液的不饱和度直接相关。减缩剂需要在孔溶液形成大面积的小曲率半径的弯液面的情况下才利于其显现出高效减缩作用，全干大孔中的减缩剂减缩作用可忽略。水泥石孔隙溶液不饱和度低且同时小直径孔中弯液面表面周长越大，可发挥实际减缩作用的减缩剂数量则越多。内养护剂释水效应可降低混凝土水泥石毛细孔的水分不饱和度，延缓孔隙的干燥过程，这可能为减缩剂效能的发挥提供必要的“水载体”。进一步地，混凝土内部相对湿度从饱和态开始下降前已成干孔的粗大毛细孔中产生的毛细负压力的量可忽略不计，混凝土拌合阶段已分散在此类大毛细孔中的减缩剂几乎不能发挥其减缩效果。

因此，为充分发挥减缩剂和内养护剂组合调控的“内掺协同”效应，可从以下三方面做进一步研究：1)利用内养护颗粒预先吸收部分减缩剂的稀释溶液，使减缩剂更多地在水泥石临界毛细孔(对应内部相对湿度开始下降时的弯液面临界曲率半径)进入临界非饱和态阶段之后，“受控定时地”开始释放补给到实际将产生较大毛细负压力的小毛细孔中，而不是在拌合阶段即“全部平均地”分散到所有净浆孔隙溶液中而造成部分浪费以及大范围的早期强度折减影响。2)通过计算和成孔工艺控制，使内养护剂颗粒具有适宜的孔径分布或释水特性，使得其主体孔隙孔径与上述临界毛细孔的孔径相当，这可以保证绝大部分内养护水及其中溶解的减缩剂不提前释放到水泥石粗大的毛细孔中而造成蒸发和浪费。3)研究不同种类的减缩剂与内养护剂组合使用对混凝土收缩和开裂的影响及其协同效应的发生条件，同时考察组合调控对混凝土基本力学性能的影响。

针对以上减缩剂、膨胀剂、内养护剂两两内掺的三类调控组合，通过调研发现均存在各自的协同潜力，其机理示意如图1所示。总结该“内掺协同”的物理化学和微观机制，可分为以下三类过程：1)以水分传输(水分定向补给)为核心的收缩协同调控。例如内养护为早期的膨胀剂反应及时提供水分、为减缩剂提供作用载体；2)养护全过程自收缩和干燥收缩的协同调控。例如干燥、中厚或薄壁条件下，减缩剂主要调控中后期干燥收缩，膨胀剂或内养护剂主要调控早期自收缩发展；3)以胶材体系水化过程、化学减缩及抗拉力学性能的发展调节为核心的收缩和抗裂性协同调控。例如减缩剂延缓水泥早期水化，为膨胀剂早期膨胀提供必要水源和弱约束条件；内养护剂促进水化程度和后期强度发展，弥补减缩剂造成的早期力学性能折减；内养护剂在基材中留下孔隙或轻质骨料等弱相而折减力学性能，而膨胀剂因水化反应加强而生成更多致密的膨胀产物填充密实孔隙或界面区域而提高力学性能等。

但显而易见的是，此三种内掺剂的材料种类、细度/颗粒粒径/孔径、掺量、膨胀反应特性/吸水释水特性/表面活化特性的变化范围很大，相互间组合众多，并非任意的两两内掺组合都能产生积极的减缩抗裂协同作用。因此，通过分类、定量、科学的系统性试验研究和理论分析，才有可能建立起减缩剂、膨胀剂、内养护剂两两内掺调控组合“内掺协同”的物理化学机理理论、发生条件和适用场景。

2 内外组合调控

无论是内养护剂、膨胀剂、减缩剂单一内掺还是组合内掺，都可以一定程度上降低混凝土的收缩。在此基础上，辅以湿养护(蓄水、洒水、喷淋养护、蒸汽养护)、覆盖养护(湿棉毡、湿草席、塑料膜、永久性模板)、成膜养护(改性水玻璃、改性丙烯酸乳液、聚合乳胶基型成膜剂)等外部养护手段，实现混凝土内部和外部的组合调控，也是一种非常具有发展潜力的组合调控思路。

2.1 外养护剂与内养护剂组合调控

郑小波等测试陶粒内养护混凝土在密封1,7,28 d的不同外养护时长下的减缩效果[57]。结果表明，养护方式对内养护方法的减缩效果起着重要影响，随着密封养护时间的增加，内养护混凝土的减缩效果明显提高。由于陶粒的存在，内养护混凝土中含有较多大孔，因此干燥环境下更易失水，故延长密封养护时间，可以有效地减少水分的损失，使引入水更好地发挥其养护作用，减小混凝土收缩。王家赫以挤压成型的纤维增强水泥基板材作为永久性模板，通过一维湿度试验研究了带与不带模板条件下内养护混凝土的湿度场[58]。结果表明，内养护方法可以有效地提高试件内部相对湿度，降低试件的自收缩(高强混凝土中尤为突出)，永久性模板可以有效提高试件干燥面附近的相对湿度，降低试件的干燥收缩(低强混凝土中尤为突出)，二者的组合作用使得各强度等级混凝土的收缩均得到了有效控制。韩宇栋等研究了在密封和干燥两种条件下，预吸水轻骨料的掺量对混凝土早期收缩以及内部湿度的影响[59]。结果表明，随着引水量的增加，高强混凝土28 d的收缩变形与湿度下降均得到有效控制，且对密封试件的调控效果更显著，密封条件下内养护混凝土试件28 d的内部相对湿度仍可维持在98%左右；在干燥条件下，高强混凝土表层部位临近干燥状态，仅仅依靠内养护方法并不能根除干燥收缩。以上研究均表明，仅仅依靠内养护方法，难以实现混凝土自收缩及干燥收缩的整体性调控，尤其是对于表面混凝土的干燥收缩调控效果较差(特别在大水胶比的低强混凝土中)。在此基础上，采取恰当的外部养护措施，可以有效提高内养护效率，减小整体收缩。

2.2 外养护剂与减缩剂组合调控

Dang等在混凝土表面复涂减缩剂与养护剂，并评价了这种双涂层养护方式对表层混凝土收缩性能的影响[60]，结果表明，二者之间存在协同效应，复合涂抹于混凝土表面后可以有效降低混凝土干燥收缩。由于外养护剂与减缩剂组合调控的研究相对较少，笔者认为外养护剂与内掺型减缩剂组合调控时，二者之间的协同机理相对简单，主要在于调控效果叠加。

2.3 外养护剂与膨胀剂组合调控

Calvo等研究了浸水养护、覆膜养护、干燥养护等不同养护方式对膨胀混凝土膨胀效能的影响[61]。结果表明，在浸水养护条件下，膨胀混凝土达到了最大的膨胀值，并且可以维持在该值；而在其余两种养护条件下，膨胀效果减弱，并且在膨胀值达到最大后又发生了不同程度的“倒缩”，其中干燥条件下最为严重。李鹏研究了养护条件对不同膨胀剂掺量的补偿收缩高强混凝土限制膨胀率的影响，发现在同等膨胀剂掺量和养护温度的条件下，水养组的限制膨胀率始终高于密封组[62]，表明外部养护水分的供给对膨胀剂膨胀效能的发挥有着很显然的促进作用。

根据以上的研究结果，可以看出，在内养护剂、膨胀剂、减缩剂等三类内掺剂的应用过程中，外部养护措施可以作为有效的协同辅助手段，提升各种内掺剂减缩效能。在使用内养护方法时，通过覆盖薄膜、使用永久性模板等措施，可以在有效降低表层干缩的同时，保证引入水充分发挥内养护作用，而非在蒸发过程中无效浪费；在使用膨胀补偿方法时，通过浸、洒水等外部湿养护的方法，可以为表层区域内的膨胀剂保持或提供充足水分，发挥其膨胀效能；在使用减缩剂时，充分的外部养护所维持混凝土的高内部湿度环境，使水泥石毛细孔小孔的饱和度增加，从而为减缩剂发挥高效作用提供必要、充足的水载体。综上，内掺剂和外养护的“内外组合”调控，其技术过程是通过外部覆盖、成膜措施以延缓或阻绝混凝土内部水分向环境扩散蒸发以及外部湿养护向表层混凝土补水，从而以“控制水分散失或补给”为核心机制并与内掺剂之间产生减缩的协同作用，其机理示意如图2所示。因此，在三类内掺调控的同时，依然要采取恰当的外部养护措施，即“内调外养”的“内外组合”调控思路是十分必要的。

3 主被组合调控

以内外养护、减缩剂、膨胀剂等方法来抑制水泥基材料的收缩开裂，本质上是一种“被动”的调控措施，是依据补偿或降低水分耗散、降低孔溶液表面张力、补偿化学收缩等机理来减小收缩的原动力，以达到防止开裂的目的；而以短切纤维、纳米组分等作为水泥基材料的增强体来改善基材的脆性特征，提高其抗拉能力，直接提升其开裂阻力，则是一种“主动”的调控措施。将“主动”与“被动”措施组合应用，既降动力，又增阻力，是值得尝试的水泥基材料收缩开裂调控方式之一，研究者们对此也进行了大量研究。

3.1 增强纤维与减缩剂

Passuello等通过钢环约束试验研究发现减缩剂可显著延缓钢环试件的开裂时间，且使裂缝宽度减少了40%；纤维对开裂时间没有明显作用，但可以更有效地控制裂缝宽度，掺加大尺寸纤维可以将裂缝宽度减少70%，掺加小尺寸纤维可将裂缝宽度减少90%；将减缩剂与纤维组合掺入后，即使纤维掺量较低，也可有效提高其抗裂性能[63]。Erhan等通过钢环约束试验研究了减缩剂与钢纤维对轻骨料混凝土收缩性能的影响，得到了与Passuello[63]相似的结果，即在水胶比不变的情况下，减缩剂与钢纤维组合，既能延缓开裂，又能减小裂缝宽度[64]。Yoo等研究了减缩剂对超高性能纤维混凝土自收缩应力、拉伸强度的影响，发现随着减缩剂掺量的增加，收缩应力降低，拉伸强度增大，在30 d的试验期内未观察到收缩致裂现象[65]。李世华研究了减缩剂与聚丙烯纤维单掺或组合时对砂浆收缩和混凝土开裂性能的影响，发现减缩剂和聚丙烯纤维能有效抑制砂浆收缩，降低混凝土总开裂面积，提高混凝土抗裂性能，减缩剂主要作用是大幅降低混凝土裂缝条数，而聚丙烯纤维则能显著降低平均裂缝宽度[66]。Gong等在陶粒混凝土中掺加PP纤维与减缩剂，发现其自收缩与干燥收缩均得到了有效的改善，认为减缩剂通过降低表面张力调控收缩，而PP纤维通过均匀分散的纤维将应力均匀化，避免应力集中，这两种作用互不影响，因此减缩效果可以叠加[67]。上述研究表明，增强纤维与减缩剂组合的协同效应体现在：减缩剂可显著降低收缩，纤维可显著提高抗裂能力，因此减缩剂与增强纤维“主被组合”调控，可“主被协同”调控混凝土收缩和开裂性能。

但目前关于增强纤维与减缩剂组合调控的研究还存在如下问题：1)减缩剂的引入对纤维与水泥浆体之间的黏结锚固产生的影响还存在不确定性。Wang等研究了不同掺量的减缩剂对纤维增强水泥基材料抗弯性能的影响，发现减缩剂的存在降低了孔溶液的表面张力，减小了钢纤维或PP纤维的润湿角，增加了纤维的润湿性，使得纤维与基体的黏结力更大，抗弯强度得到提升[68]。但Park等通过单根纤维拔出试验，得到了相反的结果，其研究表明，掺加减缩剂后，直长钢纤维在混凝土中的锚固力显著降低，并将这一结果解释为长纤维附近的基体收缩量减少，因此对长纤维的挤压锚固效应变差，黏结力降低[69]。2)增强纤维与减缩剂产生协同效应的条件还需进一步研究。高小建等通过研究聚丙烯纤维和减缩剂对混凝土收缩性能的影响，发现聚丙烯纤维的引入可以有效降低早期自收缩；但是由于大量纤维的掺入，在搅拌过程中产生引气作用而在基材中留下较多气孔，导致部分纤维-砂浆界面结合不良，同时引气导致的这部分大孔加剧了干燥条件下水分的耗散，因此干燥条件下聚丙烯纤维和减缩剂复掺的收缩调控效果反而不如单掺减缩剂[70]。3)要实现增强纤维与减缩剂组合调控的工程应用，还需进一步结合减缩剂种类及特性，研究增强纤维的表面性态匹配控制，促使二者切实发生协同效应。4)从经济适用角度考虑，增强纤维和减缩剂价格相对其他原材料较高，研究减缩剂和纤维与实际工程需求相匹配的最佳经济掺量很有必要。

3.2 增强纤维与膨胀剂

增强纤维与膨胀剂的组合效应，首先体现在减小收缩和提高抗裂能力上。朱涵等通过研究膨胀剂和聚乙烯纤维对高强轻质混凝土收缩和抗开裂性能的影响，发现双掺后可以更有效地减小收缩，提高抗开裂能力[71]。Sun等研究发现混杂纤维与膨胀剂的组合应用，比单掺时在高性能混凝土收缩性能和抗渗性能上有更好的提高，借助混杂纤维的逐级分阶段阻裂效应以及膨胀剂的补偿收缩效应，可有效改善高性能混凝土的孔结构，同时膨胀剂的引入还有效提高了水化早期基材与骨料或纤维的界面黏结作用[72]，骨料和纤维的收缩调节能力得到了更早的发挥。Corinaldesi等发现对于以镀黄铜钢纤维作为增强体的水泥基材料，由于CaO的大量引入，黄铜在碱性环境中脱锌，纤维与水泥浆体界面处形成羟基锌酸钙晶体，界面黏结力增大，抗弯强度有效提升[73]。Afroughsabet等通过纤维拔出试验研究了膨胀水泥对纤维-基材界面黏结的影响，发现以膨胀水泥代替普通水泥，不仅可以有效提高纤维混凝土的体积稳定性，也提升了钢纤维在基材中的拉拔强度[74]。Yoo等系统研究了硫铝酸钙类膨胀剂对直钢纤维、带弯钩钢纤维在UHPC中拔出行为的影响，结果表明，加入6%的膨胀剂可以有效减小UHPC的收缩，并且由于膨胀产物钙矾石的填充密实作用，基材的初始开裂强度提高，因此钢纤维在基材中的黏结强度提高，纤维的破坏方式由拔出破坏向拉断破坏转变[75-76]。以上研究均表明，通过增强纤维与膨胀剂的协同效应，可有效降低混凝土收缩，提高抗裂性能。

增强纤维与膨胀剂间的相互作用还体现在：纤维的掺入将形成内部膨胀约束，一方面可解决膨胀剂可能引发的不可控膨胀问题，另一方面也可能降低膨胀效能。Cao等研究了不同掺量的膨胀剂以及不同种类、掺量、形状的纤维对自密实混凝土早期收缩性能、抗渗性能、力学性能的影响，发现膨胀剂的引入可以有效调控收缩，但可能会产生过度膨胀，而与钢纤维复合应用则可以有效控制膨胀效果[77-78]。Yu等研究了尼龙纤维、玻璃纤维和钢纤维对膨胀喷射混凝土抗裂性能的影响，发现在掺入纤维后，可以有效控制膨胀量，提高无侧限抗压强度与劈裂抗拉强度，降低喷射混凝土的开裂风险[79]。王爱国等通过扫描电子显微镜，研究了聚丙烯纤维、膨胀剂及其两者组合对混凝土微结构的影响[80]。结果表明：纤维使膨胀剂在无限制条件下的膨胀作用得到限制，加强了其填充和细化孔隙的作用；膨胀剂的填充作用减少了纤维表面附近的孔隙，增强了水泥浆体对纤维的握裹与黏结。

综合上述研究成果，可将增强纤维与膨胀剂的协同作用总结如下：纤维的存在，一方面直接增加了水泥基材料的抗拉性能，提高防开裂能力；另一方面为膨胀剂的膨胀效应提供内部约束，有效解决了过度膨胀的问题，利用纤维的限制能力使膨胀产物更多地被局部挤压进入孔隙中，改善了微观孔结构，提高了水泥基材料的体积稳定性以及抗渗性能。膨胀剂的存在，一方面直接对收缩进行“补偿”；另一方面使得结构更致密，因此提高了纤维-基材的界面黏结强度，改善了水泥基材料的力学性能以及抗渗性能，尤其体现在抗拉拔和抗弯强度的提升上。但现有增强纤维和膨胀剂种类众多，不同纤维与基材粘结特性、不同膨胀剂膨胀机理都不尽相同，关于增强纤维与膨胀剂产生最佳协同效应的组合和条件以及适用场景还需进一步广泛深入研究。

3.3 增强纤维与内养护

Shen等通过收缩试验和钢环约束试验研究了棒状聚丙烯纤维对高吸水树脂内养护混凝土早期收缩及开裂性能的影响，结果表明，随着纤维掺量的提高，内养护混凝土的自收缩降低，并显著延缓了开裂时间，降低开裂可能性[81]。Shen等还通过温度应力试验研究了绝热条件下棒状纤维长度对内养护混凝土抗裂性能的影响，发现当纤维长度超过54 mm时，由于在混凝土内分散性较差，内养护高性能混凝土的抗裂性降低[82]。成昊坤研究了钢纤维、聚丙烯纤维、钢-聚丙烯混杂纤维与饱水轻骨料对高性能混凝土力学性能、收缩性能、抗裂性能的影响，结果表明，纤维与预吸水轻骨料均能起到限制自收缩的作用，并且纤维的阻裂作用可以有效延缓开裂时间，减小开裂面积，提高混凝土整体抗裂性能[83]。刘婉莹采用高吸水树脂和陶粒轻骨料对纤维增强复合材料(ECC)进行内养护，并研究了内养护作用对ECC材料收缩性能与基本力学性能的影响，发现高吸水树脂与轻骨料对ECC材料的收缩调控效果均较为显著，60 d的减缩量分别为18%和26%；并且在内养护的作用下，促进了水泥水化，纤维与基体的黏结效果更好，可以有效地提高劈裂抗拉强度[84]。Zhang在高强ECC材料中掺加经过煅烧及预吸水处理的沸石细颗粒，借助这种多孔材料对ECC材料进行养护，结果表明，在不影响强度的前提下，28 d自收缩以及干燥收缩降低了60%以上[85]。于凌波通过纤维拔出试验研究了内养护陶砂掺量对UHPC中钢纤维与界面黏结强度的影响，结果表明，随着陶砂掺量从0增加到30%，UHPC的28 d自收缩减少了18%，但同时钢纤维的界面黏结与拔出耗能均减小；在UHPC的单轴拉伸试验中，也观察到相符的结果，即随着陶砂掺量的增加，应变硬化现象减弱，峰值应力、峰值应变均有所下降[86]。

以上多个研究结果表明，增强纤维与内养护的调控组合，可以有效减小混凝土的收缩尤其是自收缩，同时可以延缓混凝土的开裂，提高其抗裂性能。二者的“主被协同”效应主要表现在不同功能的叠加，内养护剂主要负责“减缩”，纤维主要负责“防裂和增强”，同时弥补内养护剂对混凝土抗拉等力学性能的不利折减。有不少研究人员均发现内养护剂的引入对纤维-基材界面黏结的影响较大，进而影响混凝土的力学性能，这种影响在钢纤维增强(长径比小，对界面锚固力更敏感)的高强混凝土、UHPC中尤为敏感和不确定。首先，内养护剂引入的内养护水可以一定程度地促进胶凝材料的水化，使水化产物增多，基材更密实，从而增强了纤维与基材之间的黏结效果；其次，纤维与基材的黏结主要依靠界面的锚固摩擦，而收缩带来一定的“夹紧”增压效果有可能少量增强这种界面摩擦。当采用内养护方法后，基材收缩减小，从而减弱了纤维与基材之间的黏结效果；第三，尤其重要的是，内养护方法一般采用的高吸水树脂在释水后将在基材中留下一定尺寸的孔隙，或预吸水轻骨料在释水后会在基材中留下较多的轻骨料-基材弱界面和轻骨料弱本体(在高强混凝土中类似于大尺寸孔隙)，从而对纤维表面局部受到的黏结锚固造成不确定的影响；第四，纤维本身的桥接增强作用，尤其是混杂纤维的分级强化作用可增大基材的抗拉强度。这几个方面的作用是同时存在且相互叠加的。随着基材强度、内养护剂种类、粒径及掺量、纤维种类、尺寸与掺量、表面性态等因素的变化，上述几种作用中当哪一项占主导地位时，会随材性和掺量的组合变化而表现出不确定性，表明此调控组合的“主被协同”作用机理和定量发生条件仍需大量深入的工作。

综上调研分析可以发现，增强纤维与内外养护、减缩剂、膨胀剂等“主被组合”调控均有可能实现有效调控水泥基材料的收缩开裂，其机理示意如图3所示。但上述三种“主被协同”调控还存在如下共性问题：1)不论是增强纤维，还是内掺剂和外养护剂，由于其种类繁多，作用机理各异，难以提出统一的“主被协同”作用机理和定量发生条件；2)“主被协同”作用能否实现，关键在于确定“被动”调控对纤维与基材界面黏结锚固作用的影响；3)确定最佳掺量时，在保障“主被协同”作用调控效能的同时，还需从经济适用性角度进行优化。因此，“主被组合”调控要在实际工程中得到大量应用，并充分发挥其调控效能，还需进行大量系统性的研究工作。

4 总体技术路线

混凝土早期收缩开裂调控方法，诸如内掺调控材料(膨胀剂、减缩剂、内养护剂)，外养护方法(湿养护、覆盖或成膜)以及增强纤维等，这些方法单一使用时都能一定程度上实现减缩抗裂作用，但因混凝土配合比和强度等级、工程类型和使用部位以及结构服役环境变化范围大，上述单一减缩抗裂措施均存在自身一定的局限性。基于此认识，本文以混凝土收缩开裂组合调控技术为分析目标，对当前组合调控方法的研究现状和存在问题进行了总结梳理，重点分析了“内掺组合调控”“内外组合调控”“主被组合调控”这三大类混凝土早期收缩开裂的组合调控技术，提出以下组合调控总体技术路线图，如图4所示。

5 总结与展望

总结了当前研究关于三类组合调控所对应的协同作用机理的研究进展，明确了当前理论和试验研究中一些亟待解决的问题，并提出了若干未来研究方向。

通过对“内掺组合调控”“内外组合调控”“主被组合调控”这三类组合调控技术现有研究的综合分析，可以初步得到在混凝土早期收缩开裂调控工作中关于组合调控方法的几点重要认识：

1)合理设计的混凝土收缩开裂组合调控方法可分类发挥出其协同效应，其协同的物理化学、力学机理可分为：a.以水分传输(水分定向补给或受控迁移)为核心的水分协同调控；b.养护全过程对早期自收缩和中后期干燥收缩的协同调控；c.以胶材体系水化过程、化学减缩发展及抗拉力学性能调节为核心的收缩抗裂协同调控；d.以增强纤维增开裂阻力和“内掺外养”降致裂动力为核心的“主被力学协同调控”。

2)整体性、全过程。整体考虑“两两内掺”“内掺外养”分类作用，早期自收缩和中后期干燥收缩、内部湿度饱和期和下降期的全过程不同收缩兼顾控制，增开裂阻力、降致裂动力两方面同步调控，充分利用“内掺”“内外”“主被”三种潜在可行的协同机制。

3)定时定向，高效针对。用内养护材料预吸一定浓度的减缩剂溶液，将内养护法与减缩剂法相结合，在湿度下降期缓慢定向地向含有凹曲液面的小孔中释放减缩剂溶液，定时、定点发挥作用，可以有效提高减缩剂的使用效率并控制其折减力学性能不利影响。在内养护过程中，辅以恰当的外部养护措施，避免内养护水向环境中的无效扩散，可以有效提高内养护效率。针对膨胀剂水化膨胀历程特点，匹配设计合理的内养护材料孔隙和释水特性，使内养护水受控及时高效地供给膨胀剂水化反应，提高膨胀效能。

4)优势互补，劣势互消。在内养护与膨胀剂的组合应用中，引入水为膨胀剂提供了反应原料，膨胀产物反过来又改善了内养护带来的有害孔；在减缩剂与膨胀剂的组合应用中，二者不仅可以在减缩作用上实现叠加“放大”效应，膨胀剂的存在也可以有效弥补减缩剂对强度发展造成的负面影响；在纤维与膨胀剂的组合应用中，纤维限制了膨胀剂的不受控膨胀，同时膨胀产物对基材的“挤密”作用也增强了对纤维的锚固摩擦；在纤维与内养护剂的组合应用中，增强纤维弥补了内养护引入有害孔对基材抗拉力学性能的折减，同时内养护促进基材更充分水化也强化了基材对纤维表面的黏结锚固。

5)混凝土收缩开裂分类组合调控技术中，由于调控材料种类多元、参数变量范围很大，特性多变，虽然以上分析的技术优势明显，但也并非万能或随意组合即可发挥出协同效果，使用不当或滥用时甚至可能产生消极后果或严重风险。因此，需通过大量的分类、定量、科学的系统性试验研究和理论分析，长期的实践积累才能掌握好行之高效的组合调控方法。建立混凝土收缩开裂分类组合调控材料和技术体系、基础理论，以及明确其分类协同作用的定量发生条件和适用场景。当前的研究成果还较为基础且分散不成体系，未来的研究前景广阔，尚需聚焦更多研究者的兴趣和工作投入。

6)需研究建立混凝土工程结构收缩开裂分类组合调控的设计和应用技术规程。