摻合料混凝土的早期養(yǎng)護(hù)問(wèn)題研究

鄭捷

（上海市退（離）休高級(jí)專家協(xié)會(huì)土木建筑專業(yè)委，上海 200041）

0 前言

在影響混凝土強(qiáng)度的諸多因素中除了水灰比、水泥與骨料的比例以及骨料的粒度、表面組織、形狀、強(qiáng)度等這些相關(guān)因素之外，早期養(yǎng)護(hù)也是不可或缺的重要因素。近年來(lái)在混凝土可持續(xù)發(fā)展的理念推動(dòng)下，廣大混凝土生產(chǎn)企業(yè)大力開發(fā)應(yīng)用工業(yè)廢棄物，節(jié)約資源、減少排放，礦物摻合料的利用技術(shù)得到了快速發(fā)展。在混凝土中摻加兩種或兩種以上的礦物摻合料已成為混凝土生產(chǎn)企業(yè)常用的技術(shù)措施。這些礦物摻合料的應(yīng)用對(duì)于改善混凝土各項(xiàng)性能起到了重要作用。但同時(shí)摻合料混凝土因養(yǎng)護(hù)問(wèn)題而導(dǎo)致的質(zhì)量事故也屢有耳聞，為此引發(fā)了對(duì)摻合料混凝土養(yǎng)護(hù)問(wèn)題的關(guān)注，特別是早期養(yǎng)護(hù)問(wèn)題的研究。本文試以常用的礦物摻合料為例，通過(guò)分析其主要成分及作用機(jī)理進(jìn)而闡述摻合料混凝土早期養(yǎng)護(hù)的重要性。

1 摻合料的分類與作用機(jī)理

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) JG/T 486—2015《混凝土用復(fù)合摻合料》的定義，復(fù)合摻合料可分為活性礦物摻合料和惰性礦物摻合料。為了敘述方便起見對(duì)常用的礦物摻合料據(jù)其主要成分及作用機(jī)理還可分為如下三種類型（詳見表1）：

表 1 常用礦物摻合料的反應(yīng)類型

表 1 中的火山灰反應(yīng)類型與潛在水硬性類型的礦物摻合料都含有硅、鋁、鈣等一種或多種氧化物，這些活性礦物摻合料在混凝土中能逐步地與水泥水化過(guò)程中產(chǎn)生的氫氧化物反應(yīng)生成水化鋁酸鈣或水化鋁硅酸鈣，隨著水化產(chǎn)物的增多，混凝土強(qiáng)度逐漸增長(zhǎng)。如果說(shuō)硅酸鹽水泥加水后產(chǎn)生的水化反應(yīng)稱之為一次反應(yīng)的話，這些活性礦物摻合料的添加則在原來(lái)一次反應(yīng)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生二次反應(yīng)。由一次反應(yīng)到二次反應(yīng)說(shuō)明摻合料混凝土內(nèi)部的水化過(guò)程是一個(gè)漸進(jìn)疊加的過(guò)程，摻合料的加入延長(zhǎng)了水化進(jìn)程，同時(shí)也預(yù)示著混凝土各齡期的養(yǎng)護(hù)時(shí)間也相應(yīng)延后，早期混凝土強(qiáng)度的緩慢發(fā)展，愈加顯示早期養(yǎng)護(hù)的重要性。

1.1 粉煤灰及微硅粉的作用機(jī)理與早期養(yǎng)護(hù)

粉煤灰的化學(xué)成分組成中 70% 以上是 SiO2、Al2O3和 Fe2O3，其中 SiO2和 Al2O3是粉煤灰玻璃體中鋁硅酸鹽的主要成分，而 Fe2O3對(duì)于降低熔點(diǎn)、形成玻璃微珠是有利的。粉煤灰材料自身不具有水硬性，但是它能夠和水泥水化過(guò)程中析出的 Ca(OH)2進(jìn)行二次反應(yīng)，生成類似水泥水化后的產(chǎn)物 C-S-H 凝膠，因此從這個(gè)意義上講粉煤灰的火山灰反應(yīng)其實(shí)是二次反應(yīng)后所體現(xiàn)的凝膠效應(yīng)。通過(guò)不斷地探索，發(fā)現(xiàn)在高鈣粉煤灰中還存在類似水泥熟料中的硅酸二鈣等持有自硬性的化合物。

粉煤灰作為具有火山灰反應(yīng)的礦物摻合料在混凝土中取代一定量的水泥后，其早期、中期水化產(chǎn)物較少，強(qiáng)度偏低，為此必須重視早期養(yǎng)護(hù)工作。一般情況下濕潤(rùn)養(yǎng)護(hù) 7～14d，干燥或炎熱氣候條件下必須養(yǎng)護(hù)14～21d，冬季施工時(shí)，摻有粉煤灰的混凝土表面最低溫度不宜低于 5℃。

與粉煤灰同樣具有火山灰反應(yīng)的微硅粉是一種比水泥顆粒小很多的非晶質(zhì)球形粒子，平均粒徑為0.1～0.2μm，主要成分 SiO2一般大于 85%，國(guó)產(chǎn)微硅粉的平均比表面積為 20m2/g，商品化微硅粉的體積密度為 0.6～0.8g/m3，是配制高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土的重要組成材料之一。

微硅粉是一種比表面積很大，活性很高的火山灰物質(zhì)，微硅粉與粉煤灰相比除了火山灰效應(yīng)，即其主要成分 SiO2與水泥水化后產(chǎn)生的 Ca(OH)2發(fā)生二次反應(yīng)生成水化硅酸鈣凝膠之外，由于微硅粉的微粒子充填效應(yīng)，促使水泥硬化體組織的致密度大大提高。在二次化學(xué)反應(yīng)和微粒子的充填效應(yīng)同時(shí)作用下，混凝土早期強(qiáng)度有了較大提高。值得注意的是摻用微硅粉的混凝土養(yǎng)護(hù)過(guò)程中應(yīng)防止水分的過(guò)早蒸發(fā)，因此，澆筑完畢應(yīng)立即覆膜，并鋪設(shè)麻袋、澆水養(yǎng)護(hù)。此外在配制低水膠比高強(qiáng)混凝土?xí)r，微硅粉的添加將增大混凝土的自收縮，所以整個(gè)養(yǎng)護(hù)周期都需防止混凝土表面的水分蒸發(fā)。

1.2 高爐礦渣粉的作用機(jī)理與早期養(yǎng)護(hù)

高爐礦渣粉的潛在水硬性主要表現(xiàn)在微粉中的氧化物在堿的激發(fā)下溶出，生成的水化物具有硬化的性質(zhì)。與上述火山灰反應(yīng)不同的是不需要過(guò)度消費(fèi)堿，在少量堿的刺激下即可硬化。這是因?yàn)榈V渣粉是一種非晶質(zhì)的玻璃體礦物材料，不具備格子構(gòu)造，而且 Si 和 O 之間的結(jié)構(gòu)空隙是一種網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)，在堿溶液的激發(fā)下氫氧離子的侵入較容易并且這種反應(yīng)隨著溫度的升高而加速。

我國(guó)對(duì)礦渣粉的技術(shù)要求中以比表面積大小分為 3個(gè)等級(jí)，即 S105、S95、S75。比表面積大表示其反應(yīng)速率大，對(duì)早期強(qiáng)度有利，而比表面積小則反應(yīng)延遲從而能抑制水化熱，一般混凝土生產(chǎn)企業(yè)采用 S95 級(jí)的礦渣粉居多。摻加礦渣粉的混凝土與未摻用的混凝土相比早期強(qiáng)度有所降低，隨著摻量的增加自收縮也相應(yīng)增大，因此早期養(yǎng)護(hù)對(duì)摻加礦渣粉的混凝土而言同樣重要。早期養(yǎng)護(hù)不當(dāng)不僅使混凝土強(qiáng)度受到損害，而且極易造成混凝土表面的水分蒸發(fā)產(chǎn)生表面質(zhì)量問(wèn)題。

1.3 石灰石粉的作用機(jī)理與早期養(yǎng)護(hù)

石灰石粉作為一種獲取容易、質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的礦物摻合料，近年來(lái)在行業(yè)內(nèi)逐步得到應(yīng)用。石灰石粉基本上屬于非結(jié)合性的惰性材料，除了具有充填效應(yīng)外近期的研究表明還具有加速水泥早期水化的效應(yīng)。圖 1[1]顯示的是添加不同摻量石灰石粉時(shí)的硅酸三鈣反應(yīng)率。

圖 1 硅酸三鈣反應(yīng)率

圖 1 說(shuō)明隨著石灰石粉摻量的增加，反應(yīng)率也隨之增加，顯然對(duì)硅酸三鈣的水化具有促進(jìn)作用。這是因?yàn)槭沂鄣膿饺肫鸬搅怂说某珊俗饔茫噪S著水化程度的加大，水化物核體隨之?dāng)U大，在硅酸三鈣外部和石灰石粉表面分別形成了水化物凝膠，改善了石灰石粉與硬化水化產(chǎn)物的界面結(jié)構(gòu)，提高了混凝土的早期強(qiáng)度。同時(shí)也有研究表明當(dāng)采用石灰石粉配制大流動(dòng)混凝土?xí)r，伴隨著單位水泥用量的增加，要防止產(chǎn)生自收縮及溫度裂縫，有鑒于此，在早期養(yǎng)護(hù)方面保持濕潤(rùn)養(yǎng)護(hù)是減少混凝土早期開裂和提高硬化混凝土耐久性的根本措施，原則上混凝土澆筑后應(yīng)立即養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不宜少于 14d。

2 混凝土裂縫與早期養(yǎng)護(hù)

做好摻合料混凝土的早期養(yǎng)護(hù)不僅能使混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求而且可以避免各種混凝土裂縫的產(chǎn)生。表2 初步歸納了早期養(yǎng)護(hù)不當(dāng)可能產(chǎn)生的裂縫種類、成因及抑制對(duì)策，供同行參考。

混凝土裂縫破壞了混凝土的防水性能，而且對(duì)混凝土的耐久性帶來(lái)很大影響。從表 2 裂縫發(fā)生的成因分析，溫度和濕度始終是混凝土養(yǎng)護(hù)的根本問(wèn)題。澆筑后的混凝土因水泥在硬化過(guò)程中產(chǎn)生大量的水化熱，從而使混凝土內(nèi)部溫度急劇上升，而在冬季，氣候干燥、環(huán)境溫度較低，形成較大的溫差，導(dǎo)致產(chǎn)生溫差裂縫。特別是在大體積混凝土施工時(shí)，要嚴(yán)格控制澆筑體中心與澆筑體表層溫度之差不宜大于 25℃，澆筑體表面與大氣溫差不宜大于 20℃。在夏季混凝土表面水分蒸發(fā)較快，內(nèi)外水分的不平衡引起的體積收縮也將導(dǎo)致產(chǎn)生裂縫。因此混凝土在冬季和炎熱的夏季，若天氣發(fā)生驟然變化時(shí)，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施，即冬季的保溫和夏季的隔熱，防止混凝土產(chǎn)生過(guò)大的溫差應(yīng)力。此外也要考慮混凝土表面的吸水問(wèn)題。英國(guó)伯明翰大學(xué)的 R.K.Dhir曾對(duì)混凝土濕潤(rùn)養(yǎng)護(hù)期間，不同配合比的混凝土表面吸水量進(jìn)行了試驗(yàn)比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護(hù) 4d 比養(yǎng)護(hù) 1d 的混凝土，吸水量平均降低了 50%，可見保濕養(yǎng)護(hù)的重要性。

近年來(lái)在濕潤(rùn)養(yǎng)護(hù)方法上已從傳統(tǒng)的草包、麻袋、薄膜養(yǎng)護(hù)以及表面噴涂養(yǎng)護(hù)液等技術(shù)手段發(fā)展到膜養(yǎng)護(hù)、內(nèi)養(yǎng)護(hù)。所謂膜養(yǎng)護(hù)是在混凝土表面形成一層保水膜，主要成分有石蠟或丙烯等材料；而內(nèi)養(yǎng)護(hù)主要采用吸水性材料，如吸水性的聚合物、吸水性大的輕骨料等在飽水狀態(tài)下置換一部分骨料，通過(guò)水分的緩釋以減少混凝土收縮。分析以往混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的原因可知，由濕度和溫度變化引起的裂縫占了主要部分，因此從早期養(yǎng)護(hù)及至以后階段的養(yǎng)護(hù)，溫度和濕度始終是做好混凝土養(yǎng)護(hù)工作的關(guān)鍵。濕潤(rùn)養(yǎng)護(hù)技術(shù)的發(fā)展為施工方提供了多項(xiàng)選擇的機(jī)會(huì)，也為混凝土養(yǎng)護(hù)提供了技術(shù)支撐。

表 2 裂縫種類與抑制對(duì)策

3 混凝土養(yǎng)護(hù)期限的規(guī)定

施工現(xiàn)場(chǎng)混凝土的養(yǎng)護(hù)畢竟與試驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)試塊的養(yǎng)護(hù)有所區(qū)別，在 GB 50666—2011《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》 8.5.2 中規(guī)定采用硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥或礦渣硅酸鹽水泥配制的混凝土，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不應(yīng)少于7d，采用緩凝型外加劑、大摻量礦物摻合料配制的混凝土，不應(yīng)少于 14d。

美國(guó)混凝土養(yǎng)護(hù)指南（ACI 308 R）中推薦了 10℃以上環(huán)境下的最小養(yǎng)護(hù)期限，見表 3[2]。

表 3 10℃ 以上環(huán)境下的最小養(yǎng)護(hù)期限

日本在混凝土規(guī)范（施工篇）中對(duì)于混凝土養(yǎng)護(hù)期限的規(guī)定見表 4[2]。

表 4 混凝土濕潤(rùn)養(yǎng)護(hù)期限

對(duì)照我國(guó)與美、日兩國(guó)的規(guī)范不難發(fā)現(xiàn)，凡是添加礦物摻合料的養(yǎng)護(hù)期限都適當(dāng)延長(zhǎng)，不同的是美國(guó)在養(yǎng)護(hù)指南中規(guī)定了 10℃以上環(huán)境下使用各水泥品種時(shí)的最小養(yǎng)護(hù)期限，而日本規(guī)范是根據(jù)日平均氣溫和所使用的水泥品種規(guī)定養(yǎng)護(hù)期限，兩者都注重環(huán)境溫度對(duì)混凝土早期養(yǎng)護(hù)的影響。混凝土從初凝至終凝其強(qiáng)度始終處在一個(gè)逐漸增長(zhǎng)的時(shí)期，但在早期整個(gè)混凝土組織還是比較脆弱的，因此早期養(yǎng)護(hù)是促使混凝土強(qiáng)度正常發(fā)展、確保混凝土表面質(zhì)量的重要時(shí)間段，必須嚴(yán)格遵循規(guī)定的混凝土養(yǎng)護(hù)期限。

4 結(jié)語(yǔ)

混凝土強(qiáng)度的增長(zhǎng)緣于水化反應(yīng)，在規(guī)范的養(yǎng)護(hù)條件下齡期越長(zhǎng)混凝土強(qiáng)度的增長(zhǎng)也越大，雖然受水泥、外加劑種類等因素的影響強(qiáng)度發(fā)展會(huì)有所差異，但在通常情況下 3～14d 混凝土強(qiáng)度發(fā)展較快，28～90d 強(qiáng)度發(fā)展比較平穩(wěn)，而一年以后的強(qiáng)度增長(zhǎng)極小。由此可見早期采取適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)措施對(duì)確保混凝土強(qiáng)度按自身規(guī)律發(fā)展以及提高混凝土的耐久性都是至關(guān)重要的。

最近幾年礦物摻合料的應(yīng)用取得了很大的進(jìn)展，新型礦物摻合料不斷涌現(xiàn)，常用復(fù)合礦物摻合料在一些大體積混凝土、大壩工程中大摻量使用，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也應(yīng)該看到復(fù)合摻合料的使用對(duì)混凝土長(zhǎng)期性能的影響變得錯(cuò)綜復(fù)雜，有些性能還需進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證，但早期強(qiáng)度偏低是共同的特點(diǎn)，使用時(shí)事先把握適用范圍和使用環(huán)境是很有必要的。

總而言之，養(yǎng)護(hù)工作是混凝土施工中的一個(gè)環(huán)節(jié)而早期養(yǎng)護(hù)是整個(gè)養(yǎng)護(hù)齡期中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，摻合料混凝土的早期養(yǎng)護(hù)問(wèn)題必須引起應(yīng)有的重視。