混凝土養(yǎng)護(hù)膜保濕性能及其養(yǎng)護(hù)效果研究

程冠之，曾 志，郁培云，鄭新國(guó)，謝永江，李書(shū)明

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

早期合理養(yǎng)護(hù)是確保現(xiàn)澆混凝土質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)控制表層混凝土因失水引起的收縮開(kāi)裂，提升表層混凝土質(zhì)量和結(jié)構(gòu)耐久性至關(guān)重要[1-4]。如何確保混凝土早期保濕養(yǎng)護(hù)效果，降低表層混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，一直是混凝土界研究的熱點(diǎn)[5-8]。

現(xiàn)澆混凝土傳統(tǒng)上主要通過(guò)2種外部養(yǎng)護(hù)方式來(lái)營(yíng)造保濕養(yǎng)護(hù)環(huán)境。其一是防止混凝土水分散失，如噴灑養(yǎng)護(hù)劑或覆蓋薄膜養(yǎng)護(hù)；其二是額外補(bǔ)充水分，如覆蓋土工布灑水或者噴霧養(yǎng)護(hù)[9-10]。但上述措施在實(shí)際施工中往往會(huì)發(fā)生灑水頻次和水量難以保證，養(yǎng)護(hù)劑漏刷漏噴，薄膜保濕功能不足等問(wèn)題。

養(yǎng)護(hù)膜作為一種新型養(yǎng)護(hù)材料，兼具抑制水分散失和補(bǔ)充水分的雙重功能[11]。如圖1所示，養(yǎng)護(hù)膜由具有低水汽透過(guò)性的高強(qiáng)度、高韌性薄膜面層，親水性微孔無(wú)紡布底層和可控儲(chǔ)釋水材料的中間層組成。在養(yǎng)護(hù)膜鋪設(shè)時(shí)進(jìn)行一次性充分給水，使中間層實(shí)現(xiàn)飽和吸水；在養(yǎng)護(hù)階段中間層可通過(guò)親水性底層向混凝土緩慢釋放水，而面層薄膜則可防止水分散失，使混凝土始終處于高濕度養(yǎng)護(hù)狀態(tài)。研究者們對(duì)養(yǎng)護(hù)膜材料的關(guān)注度正在提升，唐冬漢等[12]研究了養(yǎng)護(hù)膜對(duì)混凝土耐久性的影響，表明養(yǎng)護(hù)膜可以提高混凝土的強(qiáng)度和抗碳化能力。高久平等[13]研究指出，養(yǎng)護(hù)膜可以提高混凝土的強(qiáng)度和耐磨性。但要進(jìn)一步優(yōu)化養(yǎng)護(hù)膜相關(guān)技術(shù)，仍需對(duì)其養(yǎng)護(hù)效果和機(jī)制進(jìn)行更充分研究。

本文首先考察了混凝土養(yǎng)護(hù)膜吸水性、保水性、釋水性和透水汽性等保濕性能參數(shù)，進(jìn)而明確了養(yǎng)護(hù)膜對(duì)密閉空間內(nèi)相對(duì)濕度的保持能力。并通過(guò)X射線衍射(XRD)和掃描電子顯微鏡(SEM)等手段，分析了不同養(yǎng)護(hù)方式下水泥凈漿的水化產(chǎn)物及微觀結(jié)構(gòu)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料與配合比

TK-CM-SA型養(yǎng)護(hù)膜來(lái)自鐵科院；A型儲(chǔ)釋水組分為T(mén)K-CM-SA型養(yǎng)護(hù)膜中所使用的材料，B型儲(chǔ)釋水組分為鐵科院提供的內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑材料，C型儲(chǔ)釋水組分為市售普通高吸水性樹(shù)脂。P.O 42.5普通硅酸鹽水泥購(gòu)自北京金隅集團(tuán)有限責(zé)任公司；粉煤灰為內(nèi)蒙古赤峰元寶山電廠Ⅰ級(jí)粉煤灰；S95級(jí)粒化高爐礦渣粉購(gòu)自唐山唐龍新型建材有限公司；細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)為2.6的Ⅱ區(qū)天然河砂；粗骨料為5～20 mm連續(xù)級(jí)配碎石；非引氣型聚羧酸系高效減水劑來(lái)自河北三楷深發(fā)科技股份有限公司。各膠凝材料主要物理性能和化學(xué)組成見(jiàn)表1。

試驗(yàn)用混凝土配合比見(jiàn)表2,混凝土水膠比為0.32。為提升微觀分析精確度，進(jìn)行微觀表征時(shí)采用了其他成分相同，僅不摻入骨料的凈漿試件。

表1 水泥、礦渣粉和粉煤灰的主要物理性能和化學(xué)組成

表2 混凝土配合比 kg·m-3

1.2 試件成型與養(yǎng)護(hù)

按配合比準(zhǔn)確稱取原材料，混凝土采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)攪拌2 min后于100 mm×100 mm×400 mm的試模中振動(dòng)成型，凈漿采用凈漿攪拌機(jī)攪拌2 min后于40 mm×40 mm×160 mm的試模中成型。試件成型后24 h拆模，并立即采用如下方式進(jìn)行對(duì)比養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)：①自然養(yǎng)護(hù)，即直接將脫模后的試件置于恒溫恒濕室(溫度20±2 ℃，相對(duì)濕度RH60%±5%)內(nèi)自然暴露；②養(yǎng)護(hù)膜養(yǎng)護(hù)，即將試件用預(yù)先飽和吸水的養(yǎng)護(hù)膜包裹后，再置于上述恒溫恒濕室中；③塑料膜密封養(yǎng)護(hù)，即將試件用塑料膜密封包裹后，再置于上述恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)室中；④標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，即將試件置于溫度20±2 ℃,RH95%±5%的恒溫恒濕室中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 養(yǎng)護(hù)膜性能測(cè)定

儲(chǔ)釋水組分：吸水量和保水量參照GB/T 22905—2008《紙尿褲高吸收性樹(shù)脂》中規(guī)定的方法進(jìn)行測(cè)定，其中吸水量使用蒸餾水進(jìn)行測(cè)定，保水量采用離心法進(jìn)行測(cè)定。釋水性測(cè)試時(shí)，將定量的待測(cè)樣品置于茶袋中進(jìn)行飽和吸水處理后懸掛靜置控水10 min(臨界飽和吸水狀態(tài))，再將茶袋置于pH值為12的氫氧化鈣溶液中浸泡，每30 min取出控水10 min，測(cè)定其質(zhì)量損失。每次測(cè)試的樣品用量均為0.200 g。

養(yǎng)護(hù)膜：透水汽性按照GB/T 1037—1988《塑料薄膜和片材透水蒸氣性試驗(yàn)方法：杯式法》中的方法，在杯式不銹鋼容器中加入一定量飽和磷酸二氫銨溶液后，用養(yǎng)護(hù)膜對(duì)容器進(jìn)行封口處理，并置于20±2 ℃，RH60%的環(huán)境中測(cè)試其在不同時(shí)間的質(zhì)量損失。濕度保持性測(cè)定時(shí)，將處于臨界飽和吸水狀態(tài)的待測(cè)樣品置于40±1 ℃條件下的密封錐形瓶中，使用無(wú)線溫濕度計(jì)(605i，Testo)測(cè)試瓶?jī)?nèi)濕度變化。

1.3.2 收縮率測(cè)試

按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試混凝土試件收縮率。

1.3.3 XRD測(cè)試

養(yǎng)護(hù)14 d時(shí)，將凈漿試件表層0～5 mm破碎研磨為粉狀試樣，并立即放入無(wú)水乙醇中終止水化，在50 ℃ 真空干燥箱中干燥至質(zhì)量恒定后，在X射線衍射儀(Smartlab，Rigaku)上進(jìn)行測(cè)試。

1.3.4 SEM測(cè)試

將養(yǎng)護(hù)至28 d的凈漿試件小心破碎，并立即放入無(wú)水乙醇中終止水化，在50 ℃真空干燥箱中干燥至質(zhì)量恒定后，使用掃描電子顯微鏡(JSM-7800F，JEOL)觀察不同位置斷面的微觀形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 養(yǎng)護(hù)膜性能

參照標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)比測(cè)試了3類(lèi)儲(chǔ)釋水組分的吸水性、保水性和釋水性數(shù)據(jù)，結(jié)果見(jiàn)表3和圖2。

表3 儲(chǔ)釋水組分吸水性和保水性測(cè)試結(jié)果

圖2 儲(chǔ)釋水材料在pH值為12的氫氧化鈣溶液中的釋水情況

由表3可知，經(jīng)相同的離心處理后3類(lèi)材料均能保留90%左右的水分。其中，A型、B型材料的吸水量和保水量接近，均顯著低于C型材料。說(shuō)明C型材料吸水率較高，有相對(duì)更強(qiáng)的容納水的能力。圖2顯示：A型、B型材料在pH值為12的堿性環(huán)境下釋水趨勢(shì)類(lèi)似，均在起始30 min內(nèi)大量釋水。隨處理時(shí)間延長(zhǎng)，單位時(shí)間內(nèi)的釋水量逐漸降低；150 min后已基本無(wú)水分釋出。累積釋水百分比分別在60%和68%的水平上維持穩(wěn)定，說(shuō)明此時(shí)A,B兩類(lèi)材料的溶脹壓力和滲透壓差已達(dá)到平衡。C型材料在前180 min內(nèi)以約0.2 g/min的速率穩(wěn)定釋水，釋水量遠(yuǎn)高于另兩類(lèi)材料。其前期累積釋水百分比相對(duì)較低，但在150 min 時(shí)已達(dá)到72%，超過(guò)了其他兩類(lèi)材料；至240 min時(shí)，C型材料的累積釋水百分比已接近95%，絕對(duì)殘余質(zhì)量已顯著低于A，B型材料。雖然基于官能團(tuán)類(lèi)別、交聯(lián)密度等分子結(jié)構(gòu)的差異，C型材料對(duì)蒸餾水的吸水量和保水量均較高，但其在堿性環(huán)境下短期釋水量過(guò)大，并不適于在混凝土養(yǎng)護(hù)中使用。對(duì)于混凝土養(yǎng)護(hù)中使用的A型與B型材料，其在堿性環(huán)境下達(dá)到溶脹平衡時(shí)的含水率仍較高，當(dāng)環(huán)境濕度下降或外部滲透壓升高時(shí)，材料內(nèi)部水分還可進(jìn)一步釋放以補(bǔ)充到周?chē)_(dá)到新的平衡狀態(tài)[14]。對(duì)于養(yǎng)護(hù)膜而言，其內(nèi)部高濕度環(huán)境的維持時(shí)間還與其透水汽性、密封效果等因素相關(guān)。

在相同條件下對(duì)比測(cè)試了養(yǎng)護(hù)膜和單層塑料膜的透水汽性，結(jié)果見(jiàn)圖3。其中，試樣質(zhì)量損失是由于水蒸氣透過(guò)薄膜散失而引起的。

圖3 不同測(cè)試時(shí)間下的水汽質(zhì)量損失

由圖3可知，養(yǎng)護(hù)膜與塑料膜的透水汽性均約為0.47 mg/h，這說(shuō)明二者對(duì)水蒸汽的阻隔效果相近。對(duì)該結(jié)果分析可知，使用塑料膜對(duì)混凝土進(jìn)行包裹養(yǎng)護(hù)時(shí)，由于塑料膜自身存在一定的水汽透過(guò)性，加上其不易密貼、密封等特點(diǎn)，混凝土養(yǎng)護(hù)環(huán)境濕度難以達(dá)標(biāo)。同時(shí)，該結(jié)果也說(shuō)明養(yǎng)護(hù)膜中的儲(chǔ)釋水材料并未提供更高的水汽阻隔效果，但其可在整個(gè)養(yǎng)護(hù)期內(nèi)持續(xù)緩慢釋水以維持養(yǎng)護(hù)膜內(nèi)部環(huán)境的整體濕度，實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土較理想的養(yǎng)護(hù)效果。

進(jìn)一步在密閉環(huán)境中測(cè)試了養(yǎng)護(hù)膜飽水后對(duì)環(huán)境濕度的保持能力，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 密封瓶中不同測(cè)試時(shí)間下的空氣相對(duì)濕度

由圖4可知，在密閉環(huán)境中飽水后的養(yǎng)護(hù)膜對(duì)環(huán)境濕度的影響與液態(tài)水一致。150 min后，密閉空間中的相對(duì)濕度均可達(dá)到95%以上。由于液態(tài)水轉(zhuǎn)變?yōu)樗魵鈺r(shí)，體積擴(kuò)大至少3個(gè)數(shù)量級(jí)，所以維持密閉空間濕度所需的水量較少。尤其是當(dāng)養(yǎng)護(hù)膜密貼于混凝土表面時(shí)，養(yǎng)護(hù)膜中的儲(chǔ)釋水材料僅需補(bǔ)充從薄膜透過(guò)散失以及從混凝土表面滲入的水分差額，故可在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)維持其內(nèi)部濕度。

2.2 混凝土收縮特性

首先測(cè)試28 d齡期內(nèi)不同養(yǎng)護(hù)方式下混凝土試件早期收縮，然后將試件置于自然養(yǎng)護(hù)條件下測(cè)試總齡期90 d的試件總收縮率，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 不同養(yǎng)護(hù)方式下C50混凝土試件收縮率

由圖5(a)可知:在養(yǎng)護(hù)膜養(yǎng)護(hù)條件下混凝土試件收縮率與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)接近，約為170×10-6，遠(yuǎn)低于自然養(yǎng)護(hù)下接近400×10-6的收縮率;密封養(yǎng)護(hù)下混凝土試件的收縮率介于其間，約為280 ×10-6。由圖5(b)可知：將前期在不同方式下養(yǎng)護(hù)的試件置于自然養(yǎng)護(hù)條件下后，相比于一直處于自然養(yǎng)護(hù)下的試件，前期養(yǎng)護(hù)膜養(yǎng)護(hù)、密封養(yǎng)護(hù)和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的試件總收縮率均有明顯上升。這主要?dú)w因于干燥收縮。整體而言，自然養(yǎng)護(hù)總收縮率仍最高，約為430×10-6；前期密封養(yǎng)護(hù)試件的總收縮率次之，約為340×10-6；養(yǎng)護(hù)膜養(yǎng)護(hù)和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件的總收縮率仍較一致，約為270×10-6。該結(jié)果說(shuō)明使用養(yǎng)護(hù)膜養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土的早期收縮和長(zhǎng)期收縮均有較明顯的抑制作用，其效果與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)相近。這也可以印證養(yǎng)護(hù)膜能為混凝土提供與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件相近的養(yǎng)護(hù)環(huán)境。

2.3 XRD分析

測(cè)試了不同養(yǎng)護(hù)方式下水泥凈漿在14 d齡期時(shí)的XRD譜圖，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 不同養(yǎng)護(hù)方式下水泥凈漿樣品14 d齡期的XRD譜圖

由圖6可知，14 d齡期時(shí)各試件的XRD衍射峰位置基本相同。這是由于養(yǎng)護(hù)條件的變化并不改變水化產(chǎn)物組成的原因。譜圖中自然養(yǎng)護(hù)條件下水化產(chǎn)物Ca(OH)2衍射峰強(qiáng)度稍低，其余各組無(wú)明顯區(qū)別，表明自然養(yǎng)護(hù)下水泥水化程度略低。這可能是由于自然養(yǎng)護(hù)下混凝土表層水分不足所引起的。養(yǎng)護(hù)膜養(yǎng)護(hù)、密封養(yǎng)護(hù)和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下試件水化程度基本相同，說(shuō)明良好密封環(huán)境可為水泥水化提供充分條件。

2.4 SEM分析

在凈漿試件達(dá)到28 d養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)，采用SEM觀察了自然養(yǎng)護(hù)和養(yǎng)護(hù)膜養(yǎng)護(hù)試件表層(深度0～5 mm)與中心斷面(深度20 mm左右)的微觀形貌，結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 不同養(yǎng)護(hù)方式下水泥凈漿的SEM照片

從圖7可知：自然養(yǎng)護(hù)條件下水泥凈漿表層結(jié)構(gòu)較為疏松，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)仍較密實(shí)；養(yǎng)護(hù)膜養(yǎng)護(hù)的水泥凈漿表層的密實(shí)程度則與內(nèi)部無(wú)明顯區(qū)別，明顯高于自然養(yǎng)護(hù)的凈漿表層。該結(jié)果直觀顯示出養(yǎng)護(hù)膜養(yǎng)護(hù)有利于提升水泥凈漿表層的密實(shí)程度。

3 結(jié)論

1)養(yǎng)護(hù)膜中儲(chǔ)釋水材料的吸水性、保水性和釋水性與透水汽性相匹配時(shí)，可維持內(nèi)部密閉空間的相對(duì)濕度在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)高于95%。其中，儲(chǔ)釋水材料的吸水量為218 g/g，保水量為197 g/g，在pH值為12的氫氧化鈣溶液中達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)累積釋水百分比為60%。

2)與自然養(yǎng)護(hù)相比，采用養(yǎng)護(hù)膜養(yǎng)護(hù)可大幅度降低混凝土早期收縮和長(zhǎng)期收縮。其總收縮量與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件接近，約為270×10-6。

3)養(yǎng)護(hù)膜養(yǎng)護(hù)對(duì)水泥水化產(chǎn)物組成無(wú)明顯影響，表層水化程度與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)相近，略高于自然養(yǎng)護(hù)。

4)養(yǎng)護(hù)膜養(yǎng)護(hù)可增加水泥凈漿表層密實(shí)度，其微觀孔隙較自然養(yǎng)護(hù)明顯減少。