混凝土外養(yǎng)護(hù)劑的應(yīng)用與研究進(jìn)展

周予啟，楊峻，何偉

（1. 中建一局集團(tuán)建設(shè)發(fā)展有限公司，北京 100102；2. 清華大學(xué)土木工程系，北京 100084）

混凝土外養(yǎng)護(hù)劑的應(yīng)用與研究進(jìn)展

周予啟1，楊峻2，何偉2

（1. 中建一局集團(tuán)建設(shè)發(fā)展有限公司，北京 100102；2. 清華大學(xué)土木工程系，北京 100084）

混凝土的力學(xué)性能和耐久性能與養(yǎng)護(hù)方式緊密相關(guān)，傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)方式已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代的各種施工要求，因此使用外養(yǎng)護(hù)劑進(jìn)行混凝土養(yǎng)護(hù)的方法已經(jīng)越來(lái)越多地被采用。目前外養(yǎng)護(hù)劑主要包括無(wú)機(jī)類、有機(jī)高分子乳液類、石蠟乳液類和有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合類。本文著重討論這些外養(yǎng)護(hù)劑的作用機(jī)理、特性、效果和缺陷，并結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)例加以說(shuō)明。

外養(yǎng)護(hù)劑；作用機(jī)理；無(wú)機(jī)類養(yǎng)護(hù)劑；有機(jī)類養(yǎng)護(hù)劑；復(fù)合養(yǎng)護(hù)劑；工程應(yīng)用

1 綜述

混凝土強(qiáng)度除了與水膠比、齡期、膠材用量等因素緊密相關(guān)之外，還與混凝土的養(yǎng)護(hù)方式相關(guān)，良好的養(yǎng)護(hù)方式可以保證水泥的充分水化，促進(jìn)強(qiáng)度增長(zhǎng)[1-2]。混凝土的干縮裂縫和結(jié)構(gòu)疏松會(huì)因?yàn)槿狈λ侄觿。M(jìn)而造成混凝土的耐久性等一系列性能的下降，因此混凝土的養(yǎng)護(hù)至關(guān)重要，必須加以重視[3]。

傳統(tǒng)混凝土可以按照養(yǎng)護(hù)溫度的不同分為高溫蒸汽養(yǎng)和常溫養(yǎng)護(hù)，按養(yǎng)護(hù)濕度的不同分為普通養(yǎng)護(hù)和濕養(yǎng)護(hù)，按養(yǎng)護(hù)機(jī)制的不同分為填埋養(yǎng)護(hù)和薄膜養(yǎng)護(hù)。但是對(duì)于高層建筑或是處于干旱地區(qū)，正常的養(yǎng)護(hù)施工方法無(wú)法滿足養(yǎng)護(hù)要求[2]。

除了傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)方式外，現(xiàn)代混凝土的養(yǎng)護(hù)方式主要是根據(jù)加入時(shí)間和方式的不同分為外養(yǎng)護(hù)和內(nèi)養(yǎng)護(hù)[4]。外養(yǎng)護(hù)是指在混凝土澆筑完成后，涂抹或者噴灑一層具有一定滲透性的物質(zhì)，可以迅速地在混凝土表面形成致密的薄膜，或是自身添加的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成連續(xù)的薄膜，或者是與混凝土內(nèi)部的水泥發(fā)生反應(yīng)，生成膠凝產(chǎn)物或無(wú)機(jī)鹽等，不僅能夠形成一層覆蓋物，而且還能使得反應(yīng)產(chǎn)物堵塞毛細(xì)孔，阻礙水分蒸發(fā)[5]。外養(yǎng)護(hù)劑的普遍作用機(jī)理便是如上述的作用過(guò)程，但根據(jù)不同的原材料和反應(yīng)過(guò)程，機(jī)理也有所不同，下文會(huì)進(jìn)行區(qū)分和詳述。內(nèi)養(yǎng)護(hù)則是在混凝土的制備過(guò)程中加入養(yǎng)護(hù)劑，當(dāng)水分逐漸消耗或者環(huán)境較為干燥，無(wú)法從外界獲取充分的水分時(shí)，內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑會(huì)因?yàn)闇囟然驂簭?qiáng)等因素的變化自身引起反應(yīng)，產(chǎn)生多余的水分，改善養(yǎng)護(hù)條件，促進(jìn)水化[6]。使用養(yǎng)護(hù)劑有許多優(yōu)點(diǎn)，不但能夠更好地使混凝土的性能得到發(fā)展，而且能夠在惡劣的環(huán)境下保證混凝土性能增加，如缺水地域或者雨季等，更能顯示出其優(yōu)越性。本文主要介紹外養(yǎng)護(hù)劑的發(fā)展歷程、研究成果和一些典型的工程應(yīng)用實(shí)例。

外養(yǎng)護(hù)劑于 1940 年開始進(jìn)行研究，30 多年后經(jīng)過(guò)西方國(guó)家的探究，逐漸開發(fā)出一種較為穩(wěn)定的外養(yǎng)護(hù)劑——有機(jī)高分子乳液養(yǎng)護(hù)劑，該養(yǎng)護(hù)劑的制作還較為粗糙，且有毒性，不利于推廣。在 1980 年，石蠟乳液類外養(yǎng)護(hù)劑首次被研發(fā)出來(lái)，無(wú)毒且易制備，對(duì)混凝土養(yǎng)護(hù)效果較好。21 世紀(jì)以來(lái)，復(fù)合型養(yǎng)護(hù)劑逐漸被開發(fā)出來(lái)。目前外養(yǎng)護(hù)劑主要包括無(wú)機(jī)類、有機(jī)高分子乳液類、石蠟乳液類、有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合類[2,4]。一般來(lái)說(shuō)，外養(yǎng)護(hù)劑需要在混凝土初凝且表面無(wú)明水時(shí)立即進(jìn)行涂抹，如果噴灑或涂抹過(guò)早，容易造成膜不連續(xù)，如果過(guò)晚，則混凝土水分損失太大，容易產(chǎn)生裂縫，不過(guò)對(duì)于不同種類的外養(yǎng)護(hù)劑的具體噴灑或涂抹時(shí)間還是有所區(qū)別的。

2 無(wú)機(jī)類外養(yǎng)護(hù)劑的作用機(jī)理和研究進(jìn)展

目前研究中最主要的無(wú)機(jī)類外養(yǎng)護(hù)劑是以硅酸鹽和硫酸鹽為基的改性研究，常使用的硅酸鹽便是Na2O·nSiO2和 K2O·nSiO2，可以加入另外的有機(jī)物或無(wú)機(jī)物，或者調(diào)整模數(shù)，進(jìn)行更加深入而廣泛的研究。其作用機(jī)理是，外養(yǎng)護(hù)劑中硅酸鹽能夠與 Ca(OH)2、C-AS-H 反應(yīng)生成膠凝材料和針棒狀的鈣礬石，堵塞毛細(xì)孔，并且生成連續(xù)的一層薄膜，促進(jìn)水化持續(xù)進(jìn)行，并且抑制水分蒸發(fā)，其反應(yīng)方程式如下所示[4]：

因?yàn)榇祟愷B(yǎng)護(hù)劑的工作原理是需要與水泥中的熟料和水化產(chǎn)物反應(yīng)，不能等混凝土完全成型使得結(jié)構(gòu)致密，因此必須在澆筑完立即噴灑該種外養(yǎng)護(hù)劑。

以水玻璃為基制成的混凝土無(wú)機(jī)類外養(yǎng)護(hù)劑是研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題，摻入的有機(jī)物主要有三乙醇胺、尿素和甲基硅醇鈉，而加入的無(wú)機(jī)物主要包括了氟硅酸鈉、硅酸鋰、偏硅酸、硼酸、甲酸鈣和氯化鎂[7-8]。其中，加入氟硅酸鈉、硼酸鈉等一系列酸性物質(zhì)有利于抑制裂紋的產(chǎn)生，減小混凝土的收縮；加入甲基硅醇鈉則能顯著提高混凝土的強(qiáng)度、滲透性能和耐磨性；加入氯化鎂的工作原理與上述普通無(wú)機(jī)類外養(yǎng)護(hù)劑有所不同，該養(yǎng)護(hù)劑能夠吸收外界水分，使得混凝土一直保持較高的濕度環(huán)境，促進(jìn)水化。使用硫酸鹽為基制成的外養(yǎng)護(hù)劑不常見，但有關(guān)專利設(shè)計(jì)出一種硫酸鹽外養(yǎng)護(hù)劑，在早期能夠生成鈣礬石，在后期促進(jìn)膠凝產(chǎn)物的生成，提高了混凝土抗?jié)B性。

總結(jié)來(lái)說(shuō)，無(wú)機(jī)類養(yǎng)護(hù)劑制作較為容易，成膜性很強(qiáng)，施工較為簡(jiǎn)單。但此類外養(yǎng)護(hù)劑由于容易受溫度影響而不利于混凝土在各種環(huán)境中使用，且實(shí)用性不強(qiáng)，不能在惡劣條件下大量使用，特別是干旱地區(qū)。

3 有機(jī)類外養(yǎng)護(hù)劑的作用機(jī)理和研究進(jìn)展

目前來(lái)說(shuō)，有機(jī)類外養(yǎng)護(hù)劑的研究主要圍繞高分子乳液和石蠟乳液兩種體系開展，下面重點(diǎn)說(shuō)明這兩種外養(yǎng)護(hù)劑的機(jī)理和相應(yīng)研究。

（1）高分子乳液類

高分子乳液養(yǎng)護(hù)劑的工作機(jī)理與無(wú)機(jī)類有所不同，該養(yǎng)護(hù)劑不與水泥或水泥產(chǎn)物反應(yīng)，只是在混凝土成型后在其表面形成連續(xù)的有粘性的薄膜，進(jìn)而覆蓋住混凝土的孔隙，抑制了內(nèi)部的水分蒸發(fā)，從而提高了混凝土的強(qiáng)度。目前所用的高分子乳液以苯丙體系為主。

目前，關(guān)于高分子乳液外養(yǎng)護(hù)劑的研究主要集中在使用苯丙為乳液基，加入不同的有機(jī)基團(tuán)，比如 -OH基團(tuán)、有機(jī)氟單體和硅單體。已有的研究表明，使用苯丙乳液為基的外養(yǎng)護(hù)劑能夠顯著降低塑性開裂、碳化和收縮，提高了抗凍融循環(huán)、抗氯離子滲透性能[9,10]。有研究表明，加入氟和硅后制成的養(yǎng)護(hù)劑，能夠保證混凝土表面形成水膜的封閉性更好，降低氯離子滲透性[11]。有專利的做法是改變了苯丙的分子結(jié)構(gòu)，從納米級(jí)構(gòu)造改變了養(yǎng)護(hù)劑的性質(zhì)，大幅提高了養(yǎng)護(hù)性能。還有專利以氯乙烯—偏氯乙烯乳液為基，并且加入納米級(jí)粉狀材料，獲得了更好性能的外養(yǎng)護(hù)劑。

總結(jié)來(lái)說(shuō)，高分子乳液養(yǎng)護(hù)劑的優(yōu)勢(shì)在于較好的保水性和成膜性，不會(huì)出現(xiàn)開裂和起皮的現(xiàn)象，施工質(zhì)量能夠得到相應(yīng)的提高。但缺點(diǎn)與無(wú)機(jī)類外養(yǎng)護(hù)劑類似，都易受環(huán)境溫度影響，不夠穩(wěn)定，不利于運(yùn)輸，影響施工，同時(shí)有機(jī)溶液易揮發(fā)、污染環(huán)境。

（2）石蠟乳液類

與上述高分子乳液外養(yǎng)護(hù)劑作用機(jī)理類似，石蠟乳液外養(yǎng)護(hù)劑能夠在混凝土表面形成一層連續(xù)的憎水油脂膜，與高分子乳液一樣對(duì)混凝土毛細(xì)孔起到很好的封閉作用，這是一種多相的穩(wěn)定乳液。

目前，石蠟乳液外養(yǎng)護(hù)劑的研究趨向于添加新材料進(jìn)行合成，雖然單獨(dú)添加石蠟乳液已經(jīng)能夠大幅降低混凝土的水分蒸發(fā)率，進(jìn)而抑制裂縫的生成，但其仍然存在著受環(huán)境因素影響的缺點(diǎn)，比如容易被稀釋等[12]。有研究加入有機(jī)物如三乙醇胺、丙烯酸酯、淀粉等，制成新型的外養(yǎng)護(hù)劑[13,14]，提高了混凝土的強(qiáng)度、保水率和抗?jié)B透性。也有相關(guān)研究改變了石蠟的形態(tài)，如使用晶體和液態(tài)，進(jìn)而改變了其表面活性，獲得更高性能的外養(yǎng)護(hù)劑，提高混凝土的保水率[13]。

相較于高分子乳液，以石蠟乳液為基的外養(yǎng)護(hù)劑綜合性能更高，制作工藝更加簡(jiǎn)單，運(yùn)輸過(guò)程受擾動(dòng)影響較小，同時(shí)，石蠟乳液的污染小。但同樣的，對(duì)于惡劣環(huán)境，特別是潮濕環(huán)境，該類外養(yǎng)護(hù)劑會(huì)因?yàn)楸幌♂尪斐尚阅芙档汀?/p>

4 復(fù)合養(yǎng)護(hù)劑的作用機(jī)理和研究進(jìn)展

復(fù)合養(yǎng)護(hù)劑結(jié)合上述無(wú)機(jī)類和有機(jī)類養(yǎng)護(hù)劑的優(yōu)勢(shì)：不僅成膜性強(qiáng)、滲透率高，而且成膜速度快、保水性能好。該養(yǎng)護(hù)劑主要成分是水玻璃和高分子乳液，并且可以通過(guò)加入其它助劑進(jìn)行改性，研究范圍更加廣闊，研究難度也更大。其工作機(jī)理也是上述無(wú)機(jī)類和有機(jī)類養(yǎng)護(hù)劑的綜合，水玻璃與水泥及其產(chǎn)物反應(yīng)，生成凝膠堵塞毛細(xì)孔，高分子乳液自身形成連續(xù)的一層薄膜，覆蓋住混凝土表面，阻礙水分蒸發(fā)[15]。目前常見的復(fù)合養(yǎng)護(hù)劑中的無(wú)機(jī)組分是水玻璃和硫酸鹽，有機(jī)成分主要有高分子、石蠟和聚乙烯醇等上述的有機(jī)類外養(yǎng)護(hù)劑。

目前的復(fù)合外養(yǎng)護(hù)劑的研究熱點(diǎn)和上述無(wú)機(jī)類和有機(jī)類養(yǎng)護(hù)劑相對(duì)應(yīng)，主要是以硅酸鹽為無(wú)機(jī)成分，高分子乳液和石蠟乳液為有機(jī)成分。其中，以高分子為有機(jī)成分的研究表明，不僅混凝土的收縮和龜裂都得到了抑制，而且早期強(qiáng)度也有了較大幅度的提高[16]。以石蠟為有機(jī)成分的研究則表明，該養(yǎng)護(hù)劑涂抹后的混凝土的保水率和抗磨性都得到了提高，與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)基本相同[17]。

近年來(lái)，有研究將石蠟和高分子復(fù)合，作為有機(jī)成分，結(jié)果表明經(jīng)過(guò)兩者混合的有機(jī)成分對(duì)混凝土的保水作用會(huì)更加明顯，養(yǎng)護(hù)效果更好，強(qiáng)度和抗?jié)B透性都會(huì)有較大幅度的提高[18]。隨著研究的深入，除了復(fù)合石蠟和高分子，有許多研究中添加了更多的有機(jī)物，比如主動(dòng)引入純丙乳液、三乙醇胺和甲基硅醇鈉。試驗(yàn)結(jié)果表明，該養(yǎng)護(hù)劑能夠顯著提高混凝土的保水率和強(qiáng)度，并且降低了干燥收縮，抑制了裂縫發(fā)展[19,20]。還有研究將聚乙二醇、有機(jī)硅烷復(fù)合作為有機(jī)組分，制得的養(yǎng)護(hù)劑也具有良好的效果，特別是對(duì)體積收縮有較明顯的減弱作用。

5 外養(yǎng)護(hù)劑的工程應(yīng)用

外養(yǎng)護(hù)劑在混凝土養(yǎng)護(hù)中已經(jīng)有了實(shí)際的工程應(yīng)用。從 1998 年開始，我國(guó)國(guó)內(nèi)許多機(jī)場(chǎng)（如首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)）已經(jīng)在機(jī)場(chǎng)道面上使用了無(wú)機(jī)硅酸鹽型養(yǎng)護(hù)劑，增強(qiáng)了道面的強(qiáng)度和耐磨性，降低了掉邊掉角的可能性，在一定意義上延長(zhǎng)了道面的使用壽命[21]。

在黑龍江寒地的施工主要使用了一種無(wú)機(jī)類養(yǎng)護(hù)劑——LNC-7，由當(dāng)?shù)氐慕ㄖ蒲性荷a(chǎn)，以水玻璃為無(wú)機(jī)組分，加入氟和硅等進(jìn)行改性。其作用機(jī)理是生成了氟硅酸鹽等化合物和不同的凝膠，覆蓋混凝土表面的同時(shí)堵塞了混凝土中的毛細(xì)孔，提升了硬度、強(qiáng)度和密實(shí)度[22]。該養(yǎng)護(hù)劑可以在零下溫度下使用，滿足冬季施工要求。吉林常春高氮合金研發(fā)工中心工程施工中就應(yīng)用到了這種 LNC-7無(wú)機(jī)類養(yǎng)護(hù)劑，零下施工順利進(jìn)行，解決了冬季施工的困難，加速了模板周轉(zhuǎn)。

秦淮新河堤防達(dá)標(biāo)建設(shè)工程中應(yīng)用了一種有機(jī)高分子乳液養(yǎng)護(hù)劑——YF-6。該養(yǎng)護(hù)劑以水為連續(xù)相，成膜劑有著很好的附著性，并且加入有機(jī)胺，可以提高溶解度和膜的抗裂性。有機(jī)胺能夠在成膜中保持穩(wěn)定，形成連續(xù)的薄膜覆蓋在混凝土表面，且成膜后較為堅(jiān)固，抑制了水分的蒸發(fā)，在噴涂該養(yǎng)護(hù)劑后檢查效果可以發(fā)現(xiàn)，在 7d 和 1 個(gè)月后，混凝土的表面裂縫很小，而普通養(yǎng)護(hù)的混凝土裂縫卻較多[23]。

江蘇地區(qū)使用了一種新型的復(fù)合養(yǎng)護(hù)劑——SC-90，這是一種新型的雙組分復(fù)合外養(yǎng)護(hù)劑。其中的一種組分為無(wú)機(jī)組分，降低表面張力的同時(shí)提高滲透性（目的是為了和第二種組分充分反應(yīng)），在噴灑后會(huì)迅速向內(nèi)滲透，與水泥反應(yīng)生成凝膠，堵塞毛細(xì)孔，并且這種組分中含有強(qiáng)效的催化劑，故反應(yīng)會(huì)加速進(jìn)行，短時(shí)間內(nèi)形成致密結(jié)構(gòu)，提高了強(qiáng)度和耐磨性。第二種組分是高分子水乳液，具有長(zhǎng)鏈碳?xì)浣Y(jié)構(gòu)，能夠與第一組分以及水泥發(fā)生反應(yīng)，生成憎水薄膜，連續(xù)分布在混凝土表面，抑制了水分蒸發(fā)。該養(yǎng)護(hù)劑應(yīng)用較為廣泛，在南京大校場(chǎng)機(jī)場(chǎng)停機(jī)坪、國(guó)道南京段、南京中山南路擴(kuò)建工程、多個(gè)國(guó)道部分路段、煙棲公路、煙威公路、南運(yùn)機(jī)場(chǎng)、舟山機(jī)場(chǎng)等工程中都有很大規(guī)模的應(yīng)用，并被煙威一級(jí)公路指揮部列為“使用效果顯著”的“推廣項(xiàng)目”[24]。

甘肅地區(qū)較為干旱，且晝夜溫差較大，因此使用的外養(yǎng)護(hù)劑進(jìn)行養(yǎng)護(hù)時(shí)很注重成膜速度和成膜質(zhì)量，JD復(fù)合養(yǎng)護(hù)劑便應(yīng)運(yùn)而生，并在甘肅省景電二期延伸向民勤調(diào)水工程、疏勒河大型水利工程和寧夏自治區(qū)揚(yáng)黃扶貧“1236”工程中廣泛使用，均取得了良好的效果。該養(yǎng)護(hù)劑成膜時(shí)間較短，成膜質(zhì)量很好，透氣率低，雖然抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率不高，但仍可以滿足施工要求[25]。這是沙漠地區(qū)成功使用混凝土外養(yǎng)護(hù)劑的例子，具有普遍性且節(jié)省資金。

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Application and research progress of concrete curing agent

Zhou Yuqi1, Yang Jun2; He Wei2
(1. China Construction First Group Construction & Development Co., Ltd., Beijing 100102, China;2. Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Mechanical properties and durability of the concrete are closely related with curing method. The traditional curing method are becoming very difficult to meet the construction requirements, so external curing agent has been increasingly used nowadays. The external curing agent mainly includes inorganic class, organic polymer emulsion, paraffin emulsion and organic inorganic compound. In this paper, the mechanism, properties, effects and defects of these external curing agents are discussed in this paper, and the engineering applicationsare also illustrated.

external curing agent; action mechanism; inorganic curing agent; organic curing agent; compound curing agent;engineering application

周予啟（1971—），男，高級(jí)工程師，中建一局集團(tuán)建設(shè)發(fā)展有限公司總工程師，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代深基坑技術(shù)和混凝土技術(shù)。

［通訊地址］北京市朝陽(yáng)區(qū)望花路西里 17 號(hào) 中建一局建設(shè)發(fā)展有限公司（100102）