混凝土內養護的研究與發展

趙洪凱 王 猛

(吉林建筑大學材料科學與工程學院,長春 130118)

0 引 言

高性能混凝土可以適合惡劣地區及大跨度建筑的要求。但由于其水灰比較低,內部水分不足以滿足其水化,一般養護條件,由于其致密的結構,外部水很難進入,隨著水泥水化會使混凝土發生自收縮現象,產生裂縫,進而影響其性能[1,2]。而要進行蒸汽養護或者其他養護方法,經濟費用高而且效果不明顯。經過多年的實驗研究以及應用發現,摻加一定比例的內養護材料對于高性能混凝土減少自收縮、提高強度以及耐久性均有積極影響[3-4],達到了人們應用高性能混凝土的預期效果。

1 內養護概念的提出及發展

1.1 內養護概念的提出

混凝土的養護方法有兩種,內養護和外養護[5]。在最開始使用混凝土時,只有外養護方法,而隨著混凝土的發展,20世紀40年代,100 MP的高強度混凝土首次應用[6]。而高強度混凝土有一個很嚴重的問題,就是低水灰比會導致其發生收縮開裂。在1948年,國外學者T.C.Powers[7-8]首先提出了關于混凝土內養護的Powers模型,提出當水灰比為0.42時才能滿足水泥完全水化,Philleo[9]于1991年最先提出混凝土內養護的概念,也就是將保水的輕集料或者高吸水性物質作為內養護材料摻入到混凝土中,隨著水泥等膠凝材料的水化反應的進行,混凝土中自由水的減少促使濕度差的產生,以及毛細管張力的增加,導致內養護材料中的水分被釋放出來,平衡了混凝土內部的濕度,為膠凝材料水化反應的繼續進行提供水分,避免引起自收縮開裂。

1.2 國外發展現狀

丹麥學者O.M.Jensen根據Powers模型,經過大量實驗測試分析,獲得了內養護需水量公式,當水灰比(W/C)≤0.36時,額外需水量(W/C) c=0.18 (W/C)[10]。以色列的 A.Bentur[11]首次發現并應用內養護材料——預濕輕集料,摻加預濕輕集料對低水灰比的高性能混凝土進行內養護,在減緩自收縮方面獲得有效成果。在關于力學性能的影響方面,Mehta PK[12]等學者通過添加不同內養護材料來進行探究,結果表明通過內養護的混凝土,能提高力學性能,如強度和彈性模量。在體積穩定性方面,Lopez M[13]對養護時期的混凝土試塊進行形變收縮的實時跟蹤測試,通過微觀分析顯示內養護混凝土減少了均勻分布的微觀裂縫,認為添加內養護材料可以減少混凝土的收縮變形,由此也可以可以減少由于收縮引起的開裂。Thomas MDA[14]的氯離子滲透實驗以及Sven M?nnig[15]的凍融循環實驗都充分證明了內養護對混凝土的耐久性有所提高。Tazawa[16]研究表明對于水泥漿體自收縮摻加減縮劑起到一定的抑制作用,Sant[17]的研究也表明,對于7d齡期的砂漿,減縮劑能夠減少其自收縮達42%以上。但有研究表明在實際應用中減縮劑會對混凝土的力學性能產生負面效應。Lura[18]、Saliba[19]和 Mora Ruacho[20]的研究結果表明,減縮劑的摻量越高,砂漿塑性裂縫寬度以及裂縫數量都會得到明顯降低。美國和歐洲在工程應用方向,還制訂了有關內養護的規范[21]。

1.3 國內發展現狀

對于預濕輕集料作為內養護材料摻入混凝土中進行了研究,東南大學陳德鵬[22]最早發現其確實可以提高高強混凝土抗裂的能力。華南理工大學張宇、葉華[23]發現摻入高吸水性樹脂對減小自收縮有一定的積極作用。而在之后,專家學者通過對內養護材料的不斷改良與搭配以及調節養護條件,對混凝土內養護做了全面的完善,武漢理工大學胡曙光[24]等人重點研究了分別改變高吸水樹脂的質量、額外引水量以及水灰比對混凝土的影響,探究三種影響因素對混凝土強度及體積穩定性的影響規律,提出高吸水樹脂最佳用量為膠凝材料總量0.5%。 近幾年來,國內學者還將硅灰以及其他預濕礦物摻合料摻入混凝土進行混凝土的體積變形以及強度方面的探究,例如高性能混凝土含硅灰很容易導致早期開裂,在3～12小時之內裂縫發育迅速;摻加粉煤灰之后,在早期強度上作用不大,根據實時測試發現,摻加粉煤灰的內養護混凝土強度會隨著齡期的發展而顯著提高,摻加不同粒徑的粉煤灰作用效果也會有所不同[25-26]。對于減縮劑的研究,陳美祝[27]發現減縮劑在正常溫度下雖然有助于減少混凝土的自收縮,但是延緩了水泥漿的早期水化作用。而且由于在相容性方面存在的問題,同時使用減縮劑和減水劑會影響到各自的作用效果[28]。

2 內養護材料的分類以及作用機理

2.1 輕集料(LWA)

作為內養護輕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,目前國際上普遍使用的輕集料有陶粒,膨脹頁巖,硅藻土,沸石等。使用輕集料作為內養護材料,在摻加到混凝土之前,要將其做飽水處理,在摻入到混凝土當中后,隨著膠凝材料的水化反應進行,混凝土內部所含的水分逐步減少,在濕度差、毛細管壓力差等作用下,輕集料預先吸收的水,慢慢釋放出來,為膠凝材料的繼續水化提供良好的濕度環境[29]。但需要注意的是,毛細管的供水,只有當漿體與輕集料之間的距離即毛細孔距離在100～200 μm范圍內才產生效果[30]。

2.2 高吸水性樹脂(SAP)

高吸水樹脂,是一種內部結構復雜交錯的高分子材料,高吸水性樹脂所含的大量羧基、羥基是兩種親水基團,加之內部化學鏈的互相連接而形成的三維空間結構,是其擁有可以到達自身重量的上千倍超高的吸水率的重要原因,因此其又叫做超強吸水劑、超吸水聚合物,內部復雜的三維空間結構也決定了它在常溫下具有良好的保水性能,這是輕集料無法比擬的,常見高吸水樹脂的粒徑為100～250 μm[31]。SAP的種類很多,天然的有淀粉和纖維素,合成有聚丙烯酸樹脂、聚丙烯酰胺樹脂、丙烯酰胺-丙烯酸共聚物、羥乙基纖維素醚等等,它的制備目前也較常見,方法主要有溶解法和懸浮聚合法[32]。作為內養護材料,高吸水性樹脂的使用目的與輕集料一致,都是為混凝土內膠凝材料的繼續水化提供濕度環境,不同的是,促使高吸水性樹脂釋水的條件除了濕度差和毛細壓力外,隨著水化反應的進行,溫度和PH值的提高都會促進高吸水性樹脂發生釋水現象[33]。其良好的保水性相對于輕集料會更加滿足混凝土的制備需求。

2.3 減縮劑(SRA)

最早的減縮劑生產于20世紀80年代,由日本研究者研發了[34],目前國外的減縮劑產品研究已經相當成熟。對于其種類的劃分,對于組成成分不同,總體可分為單一組分的減縮劑、復合型減縮劑兩大類。更細的劃分,根據其官能團的不同,單一組分的減縮劑可分為聚氧乙烯類、醇類和其它類型減縮劑;醇及其衍生物類、醚及聚醚類屬于復合型減縮劑[35]。 目前在降低溶液表面張力以及對混凝土干燥收縮、自收縮、開裂等方面有良好的應用和研究價值。對于混凝土收縮控制原理,減縮劑的控制原理與內養護材料完全不同,減縮劑的作用原理是降低分布在混凝土中自由水的表面張力。收縮應力也就是水分散失而引起的毛細管張力,毛細管張力的大小與溶液的表面張力呈線性關系,因此減縮劑減小溶液表面張力就相當于減少了毛細管張力,進而減少自收縮應力[36]。

3 內養護材料對混凝土性能影響研究

3.1 輕集料(LWA)

關于摻加輕集料的內養護混凝土,在摻入量方面,A.Bentur等[11]將飽水輕集料作為骨料替代普通骨料,按比例等體積替代的方式制備混凝土進行自收縮研究。實驗表明將飽水輕質骨料的以25%等體積來替代正常骨料,在消除混凝土的自收縮應力和抑制應力方面是非常有效的,而且產生了一定范圍內的持續膨脹,經分析可能是因為在飽水輕集料釋水的作用下促進了混凝土內水泥的進一步水化。但受輕集料的影響,混凝土的強度有所降低。 在輕集料飽水量方面,董淑慧[37]等通過試驗,研究了不同含水量(0%、20%、40%、60%、100%)混凝土的自收縮和約束應力的變化。發現輕集料含水率越高,對混凝土早期的內養護作用越明顯,最多可以緩解45.7%的自收縮作用。雖然摻加預含水輕集料在早期可以明顯減少混凝土的自收縮,但由于輕集料以一定比例取代了普通砂石骨料,而且其彈性模量比普通砂石骨料要低,導致其對混凝土后期的收縮形變沒有良好的抑制作用,因此也對混凝土的強度等方面有消極影響。在輕集料粒徑方面,國內學者對摻加燒結粉煤灰和膨脹頁巖的混凝土進行微觀結構觀察和混凝土性能分析,在0.3和0.4水灰比情況下,實驗結果表示當輕集料粒徑與粘結漿體厚度比值為1.1時,抗收縮效果最好[38]。通過 Zhutorsky S等[39]的研究表明,在同等質量摻入量的情況下,不同粒徑的輕集料對混凝土的自收縮作用有很大區別,最高效率粒徑要根據輕集料種類進行選擇。Zhutorsky S[40]還對輕集料在滲透性方面對混凝土影響的探究,發現對于水灰比為0.33的混凝土,飽水輕集料內養護混凝土與普通混凝土相比,氯離子擴散系數有所降低;水灰比為0.25的兩種混凝土氯離子擴散系數差別很小;在0.25水灰比之后,隨著混凝土水灰比的降低,摻加輕集料的內養護混凝土氯離子擴散系數逐漸提高。研究表明水灰比與輕集料相比,水灰比對于氯離子滲透性的影響程度要比輕集料大,但總體來講,對于水灰比相同的條件下,摻加輕集料對于減小混凝土的滲透性有一定積極作用,因此在使用過程中,要根據滲透要求對輕集料的使用作出合理安排。為了使輕集料發揮最大的內養護應用效果,T.J.Barrett[41]通過對摻加40%等體積粉煤灰的混凝土、雙摻40%等體積粉煤灰和輕集料的混凝土和普通混凝土進行對比分析,發現雙摻40%等體積粉煤灰和輕集料,降低了混凝土收縮開裂的風險,并且早期強度更高;在振搗過程中,摻加輕集料的混凝土存在分層離析的危險,Saili Yang[42]研究了輕集料以20%～40%等體積替代粗骨料,制備了自密實混凝土,輕集料上浮現象在自密實混凝土中得到有效控制,接解決了分層離析的問題;在降低自收縮和改善運輸性能方面,輕集料自密實混凝土也表現出較好的性能,并且隨著輕集料的增加效果越明顯。

綜上所訴,對于輕集料的使用,想要達到預期效果,除了要控制輕集料的摻入量、含水量、粒徑等本身性質外,還有考慮混凝土的水灰比以及與其他拌合料的配合使用。

3.2 高吸水性樹脂(SAP)

高吸水性樹脂與輕集料相比,它具有粒徑小,保水性好等優點,在同等額外引水量的要求下,摻加的高吸水性樹脂相對較少[43]。關于SAP摻入量,A.Assmann[44]發現通過加入膠凝材料質量0.7%的SAP就可以完全抑制低水灰比混凝土的自收縮,混凝土中僅摻入水泥質量0.35%的SAP,與沒摻加SAP相比,自收縮可以減少80%,養護28天之后的混凝土總收縮量也有很大減少。中國礦業大學逢魯峰[45]研究發現,摻入超過一定量的高吸水性樹脂,將會對混凝土的強度以及其他性能造成不良影響,而在一定摻量范圍內,其變化又不太明顯,他得到的結論是在吸水倍率在15～20倍的前提下,最優摻量為0.1%～0.2%之間。但由于高吸水性樹脂的制備工藝的不同,導致其吸水率、釋水速率、粒徑等也會有所不同,因此高吸水性樹脂的使用也存在一些不確定性。關于額外飲水量,Cracyc B[46]等在試驗中在低水灰比混凝土中加入等量SAP,額外引水量分別為30 kg/m3、40 kg/m3、50 kg/m3,經測混凝土的自收縮分別降低51%、58%、68%。孔祥明[47]研究結果顯示,由于水在混凝土中的分布形態的差別,普通提高水灰比的混凝土與SAP引入額外水的混凝土相比,前者收縮量要比后者大。對于水灰比為0.29的混凝土,通過SAP額外引入與普通拌和增加等量的水,14d的自收縮量降低了90%。 關于摻入的SAP粒徑方面,Esteves[48-49]測試了50 μm、100 μm和200 μm直徑的SAP顆粒,水灰比為0.3的混凝土,早期的自收縮發育與 SAP的顆粒大小呈相反聯系,SAP的粒徑增大,變形速率逐漸減小,且水化效果越來越好,但是對于內部濕度變化沒有影響。SAP的粒徑越大,其吸水速率和吸水效果越好,周圍水泥漿體的水化程度越好,但是會形成較大直徑的孔隙,容易造成應力集中,當引水量相同的時候,使用粒徑小的 SAP,會使 SAP均勻分布在混凝土內部,在釋水之后,雖然留下的孔隙較小,當相對來說空隙比較密集,應力集中現象也不可避免。在工程應用中,應根據混凝土使用的具體目標確定一套SAP的使用方案。 例如,如果需要抗凍融能力強的混凝土,則可以相應增加使用粒徑較大的SAP。當設計目標為提高強度時,小顆粒的SAP的使用比例應適當增加。在挑選SAP方面,V.Mechtcherine[50]模擬水泥內部環境,對兩種不同的SAP進行對比研究,發現含有負離子的 SAP在很大程度上迅速釋放了存儲的水溶液,而含有丙烯酰胺作為共聚物的SAP在較長時間內保留了水,這些現象可以直接與 SAP減輕高強度混凝土的自收縮的內養護效率相聯系。可以較好釋放水的SAP大大降低了混凝土的自收縮,最后通過對強度的測定,總結出只有平衡的選擇SAP的類型、用量和最適當的額外引水量來進行內養護才沒有負面影響,甚至可以提高混凝土抗壓強度。

3.3 減縮劑(SRA)

不同的減縮劑性能存在較大差異,對于多烷基醚類減縮劑,Bentz[51]研究發現其在水中濃度為6%時,可以使蒸餾水的表面張力降低到32.4 mN/m,降低57%左右。而Weiss[52]要使溶液表面張力趨于恒定至32.5 mN/m,需要使用乙二醇醚類的SRA質量濃度達到15%。喬墩[36]研究結果顯示,當減縮劑濃度為5%時,可以使溶液的表面張力降低到極值,對于水溶液的蒸發速率也提高到一定程度,當濃度繼續增加,二者都會產生降低趨勢。對于使用效果來看,研究證明減縮劑雖然可以減少混凝土自收縮開裂,但是發現減縮劑會導致混凝土強度下降,與其他外加劑共同作用時,由于相容性問題,強度甚至下降10%～15%以上。因此,很多學者對減縮劑與其他內養護材料互摻的共同作用進行了實驗探究分析。肖黽[53]和龔建清[54]對SRA和SAP的雙摻進行相關研究,發現對于一定比例的雙摻減縮效果要比任何一種單摻的效果要好,說明對于減少水泥砂漿的自收縮方面,SAP與SRA不單具有良好相容性,甚至具有一定的增強效果。當SAP和SRA摻量不同時,SAP的所占比例大要比SRA所占比例大效果更好。黨玉棟[55]研究減縮劑與輕集料共同使用的效果顯示,兩者雙摻不僅可以保持材料內部的相對濕度,而且對于減少自收縮也效果顯著。另外,輕骨料也補償了減縮劑造成的水泥水化和強度的消極影響。而由于減縮劑產生的作用,降低了收縮應力,減少了收縮開裂,對水泥基材料耐久性也產生積極影響。李飛[56]研究了減縮劑與膨脹劑、內養護劑互摻使用情況下,混凝土早期收縮的變化規律。研究結果表明,三者之間互相雙摻存在一定的比例關系,不同的雙摻比例對收縮的影響效果不同,相對于三種材料的單獨摻入,雙摻得到了明顯的積極效果,其中0.2%內養護劑與2%減縮劑雙摻48 h早期收縮值降低了70%,10%膨脹劑與2%減縮劑雙摻甚至降低了76%,而且以這兩種比例摻入,不會影響混凝土的強度。

4 總結與展望

對于文中所介紹的三種內養護材料,都會減少混凝土的自收縮現象,但對于LWA來說,對混凝土強度等方面的影響依舊是一個比較嚴重的問題,如何在保證加入額外需水量之后不對混凝土產生不利影響,依然需要繼續研究。對于SAP,在理想吸水量的狀態下,摻入合適比例的飽水的SAP,會對混凝土強度,耐久性等均有提高 但是不同的制備工藝、制備材料,會造成吸水率、粒徑、釋水速率等性質上的差別,進而影響使用時的效果,而且對于以何種方式摻入到混凝土中,還有待研究。除此之外,要想將SAP真正應用到實際工程當中,還要解決在施工過程中如何控制其性質不發生改變的問題。對于SRA,單獨過量使用或者與其他外加劑使用都會導致混凝土其他性能受到影響,本文雖然介紹了幾種與內養護材料疊加使用的有效研究成果,但不同種類的SRA與不同SAP和LWA互摻效果不一定理想,相關研究還有待增加。