內養生路面混凝土水分傳輸特性及力學性能

覃 瀟， 申愛琴， 李俊杰， 謝政專

(1.佛山科學技術學院 佛山市智慧型陸地與海洋土木工程材料工程技術研究開發中心, 廣東 佛山 528225; 2.長安大學 公路學院, 陜西 西安 710064; 3.廣東新業混凝土有限公司, 廣東 佛山 528305; 4.廣西交科集團有限公司, 廣西 南寧 530007)

路面混凝土暴露于大氣中，鋪筑后極易在板內水化反應及蒸發雙重作用下迅速喪失水分，致使收縮微裂紋萌生[1].水泥混凝土結構致密，采用傳統養生方法難以保證水分充分浸潤材料內部[2-3].高吸水性聚合物(SAP)內養生劑能夠在水泥混凝土養生早期持續釋水以維持混凝土內部的高濕狀態，有效減少收縮微裂紋[4-6].

水泥混凝土各項性能的發展主要取決于其內部水分傳輸特性[7]，現有SAP內養生水泥混凝土相關研究大多集中于宏觀性能[8-10]，缺乏對水分形式(包括毛細水、凝膠水和內養生水)轉化規律的理論研究[11].史才軍等[12-13]應用低頻1H核磁共振技術研究了水泥凈漿的水分形式轉化以及內部孔隙演化.Karakosta等[14]基于縱向弛豫時間T1，對水化凝膠的生長過程進行了精確監測.

目前，內養生混凝土的研究大多以結構混凝土為載體開展.路面混凝土屬大面積薄板，內部水分極易喪失，內養生要求必然高于結構混凝土[15]；路面混凝土振動提漿施工工藝的應用使其水膠比與材料特性沿板自上而下存在“垂直梯度”；路面混凝土力學性能評價指標為抗彎拉強度，這對骨料-水泥石界面過渡區(ITZ)的黏結強度提出了更高的要求.綜上，已有研究成果缺乏以內養生路面混凝土為載體所開展的水分傳輸特性研究，并在力學性能改善機理方面欠缺深入的分析.

本文定量分析了各形式水分在內養生路面混凝土中的轉化規律；探索了SAP粒徑及摻量對路面混凝土板內部相對濕度及收縮性能的影響，并對其濕度垂直空間分布特征進行了研究；基于對水分傳輸特性、水化程度及微觀結構特征的綜合分析，揭示了SAP內養生對路面混凝土抗彎拉強度的影響機理.

1 試驗

1.1 原材料

水泥采用海螺牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，密度為3.15g/cm3，布萊恩細度為3900cm2/g；礦物摻和料為汕頭中業粉煤灰有限公司生產的Ⅰ級粉煤灰，密度為2.10g/cm3，比表面積為270m2/kg，活性指數為75%；粗骨料為廣東省晟興石場生產的石灰巖碎石，分為4.75～9.5mm和9.5～19mm兩檔，兩檔料的質量比為2∶8；細集料為廣東省清遠市北江河砂，中砂，細度模數為2.71，含泥量(1)文中涉及的含泥量、摻量、水膠比等均為質量分數或質量比.為0.6%.內養生劑選用聚丙烯酸鈉鹽類SAP，包括380～830μm(SAP-20)、180～380μm(SAP-40)和120～150μm(SAP-100)3種粒徑，密度均為0.70～0.75g/cm3.SAP在水泥漿體(水膠比mW/mB=0.37)中的吸液特性見圖1.由圖1可見，SAP在30min 時吸液倍率基本達到穩定.

圖1 SAP在水泥漿體(mW/mB=0.37)中的吸液特性

減水劑采用JB-ZSC型聚羧酸高性能減水劑，減水率為26%.水為市政自來水.

1.2 試驗配合比

經前期大量優化試驗，已得出C40路面混凝土(mW/mB=0.37)最優基準配合比，見表1.在此基礎上，根據SAP在30min時的吸液倍率(見圖1)和式(1)確定內養生水引入量(WIC)、SAP摻量(wSAP)，見表2.其中Non-S代表不摻加SAP的基準組，S-100-0.125代表摻加SAP-100且SAP摻量為0.125%的試驗組，其余編號以此類推.

表1 C40路面混凝土(mW/mB=0.37)最優基準配合比

表2 內養生路面混凝土的內養生水引入量、SAP摻量

(1)

式中：mW,IC為內養生水量；mW,IC/mB為內養生所需額外水膠比.

1.3 低頻1H核磁共振(NMR)試驗

選擇1H核磁共振譜，采用PQ-001型低頻核磁共振分析儀測試橫向弛豫時間T2.通過InvFit軟件對采集的弛豫信號進行反演擬合，得到弛豫時間T2分布圖譜.

1.4 相對濕度及收縮性能測試

分別采用深圳莫尼特公司生產的MIC-TD-TM型濕度傳感器和MIC-YWC-5型位移計連續采集試件內部相對濕度及收縮變形.采用尺寸為400mm×100mm×100mm的大尺寸薄板試件，標準養生24h 后開始測試，后續養生條件為：室溫(20±2)℃，相對濕度RH=(80±5)%.垂直空間相對濕度測點布設示意圖見圖2，收縮變形試驗中探頭位置為試件2個相對側面的中心點.

圖2 垂直空間相對濕度測點布設示意圖

1.5 熱分析及SEM試驗

采用美國TA公司生產的SDT Q600 DSC-TG綜合熱分析儀測試混凝土中的水泥水化程度.水化程度主要通過化學結合水含量及Ca(OH)2含量來表征，計算方法如下：

(2)

(3)

式中：w(H2O)與w(Ca(OH)2)分別為化學結合水含量和Ca(OH)2含量；w70-400為70～400℃溫度范圍內試件的熱失重量(C-S-H分解)；w400-650為400～650℃溫度范圍內試件的熱失重量(Ca(OH)2分解)；w650-750為650～750℃溫度范圍內試件的熱失重量(其他產物分解)；M表示相對分子質量，H2O、CO2及Ca(OH)2的相對分子質量分別為18、44、74.

采用Hitachi S-4800型場發射掃描電子顯微鏡(SEM)對路面混凝土微觀結構進行表征，并根據配套的能譜儀(EDS)測試鈣硅比n(Ca)/n(Si)沿ITZ的分布，根據n(Ca)/n(Si)的變化特征計算ITZ寬度.

1.6 抗彎拉強度測試方法

采用YES-1000型壓力機對試件進行四點彎曲試驗，測試其28d抗彎拉強度，試驗依據JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》開展.

2 結果與討論

2.1 內部水分形式轉化及分布規律分析

圖3為內養生路面混凝土試件15min～28d齡期的NMR弛豫時間T2分布圖.考慮內養生水量占總水量的比例較小，為便于數據分析，在繪制T2圖譜時將內養生進程產生的右側峰峰強增強300倍.

由圖3(a)可知，基準組T2分布圖中只有1個弛豫主峰.而內養生組除左側主峰外，還存在1～2個右側主峰，如圖3(b)～(d)所示，左峰是因新拌漿體絮凝結構中的毛細水產生，右峰則由SAP凝膠所束縛的內養生水造成.各主峰弛豫時間隨齡期均不斷減小，峰值持續降低.即隨著膠凝材料的持續水化，漿體中原有毛細水逐漸轉化為凝膠水或化學結合水，水化產物不斷填充孔隙，致使孔中水分與孔壁的碰撞頻率增大，弛豫時間隨之減小.

15min～1d齡期范圍內基準組的主峰具有“雙峰形”特征(圖3(a))，雙峰之間的交界點平均在7ms 時出現.1d前大部分未反應的可蒸發水進入水化產物孔中成為凝膠水，但同時殘留部分毛細水，因而導致雙峰的出現.因此，7ms為區別凝膠水與毛細水的臨界弛豫時間[16].

弛豫峰包絡面積與實際漿體水分含量呈正相關關系.由圖3(b)～(d)可見，SAP粒徑越小，內養生弛豫峰的位置區間范圍越小，同時峰值有所增加.如1d齡期時，S-20-0.092、S-40-0.124、S-100-0.145試樣的右峰弛豫區間分別為120～900、200～905、310～600ms，峰值分別為1.00、1.27和1.93.這是因為在相同內養生水含量下，SAP-100在漿體中的殘留孔隙最小，使得S-100-0.145漿體孔中水分與孔壁的碰撞頻率高于其他組.

圖3 NMR 弛豫時間T2分布圖

為進一步探索不同形式水之間的轉化規律，對T2圖譜中各弛豫峰的包絡面積進行求解，并基于凝膠水與毛細水的臨界弛豫時間計算毛細水、凝膠水及內養生水的含量(占初始拌和總水量的比例)，計算公式見式(4)～(6)，其中弛豫峰的包絡面積A通過積分計算.計算出的各形式可蒸發水含量隨齡期的變化見圖4.

(4)

(5)

(6)

式中：pW，IC、pW，cap、pW，gel分別為內養生水、毛細水、凝膠水的含量；A15為15min齡期時T2圖譜中所有弛豫峰的總包絡面積，可視為初始拌和總水量對應的積分面積；Arp為內養生右峰的包絡面積；Arc、Alc分別為臨界弛豫時間右側、左側部分的包絡面積.

由圖4(a)可知：終凝(10h)前S-20-0.092與S-40-0.124漿體中毛細水含量均大于基準組Non-S，10h時分別為基準組的1.08、1.05倍，而S-100-0.145漿體中毛細水含量為基準組的99%.說明SAP-20和SAP-40在漿體終凝前出現了小幅釋水，而SAP-100能夠較好地鎖住內養生水，并吸持部分拌和水，故S-100-0.145漿體中毛細水含量有所降低；7d時，S-100-0.145漿體中毛細水含量反而最高(0.1463%)，依次是S-40-0.124(0.1328%)、S-20-0.092(0.0923%)和基準組(0.0838%)，可見S-100-0.145、S-40-0.124漿體中毛細水含量明顯大于基準組，說明在7d時以上2組漿體仍處于釋水養生階段，而S-20-0.092漿體則基本完成釋水.

由圖4(b)可知：7d齡期時凝膠水含量變化規律與毛細水變化規律相似；然而，28d時，凝膠水含量由大到小排序再次恢復到S-20-0.092(0.5282%)>S-40-0.124(0.4602%)>S-100-0.145(0.4382%).究其原因，小粒徑SAP可緩慢釋水，能更好地促進膠凝材料水化，大幅增加凝膠水轉化為化學結合水的比例，故凝膠水含量有所降低.

由圖4(c)可見，在初凝(4h)前，SAP持水能力由大到小排序為SAP-100>SAP-40>SAP-20，再次證明小粒徑SAP能夠從時間上及空間上均勻地對漿體進行內養生.

圖4 各形式可蒸發水含量隨齡期的變化

2.2 內部相對濕度發展規律及收縮性能研究

2.2.1SAP粒徑的影響

不同粒徑SAP內養生路面混凝土中層測點處的內部相對濕度和收縮變形隨齡期的發展曲線如圖5所示.由圖5可見，相比基準組，摻加SAP的各試件在內部相對濕度與收縮變形兩方面均具備顯著優勢.

圖5 不同粒徑SAP內養生路面混凝土內部相對濕度和收縮變形隨齡期的發展曲線

3、7d齡期試件的收縮變形程度直接決定材料內部微裂紋數量，對于路面混凝土耐久性影響顯著，而7d后收縮變形的影響則相對較小.由圖5可見：3d時基準組試件的收縮變形為100.463μm/m，而內養生組均出現不同程度的膨脹，其中試件S-20-0.092膨脹變形最大(|-140.24256|μm/m)，在該階段混凝土強度尚未發展完全，極易因膨脹而產生微裂紋；而3d時試件S-100-0.145(|-12.735|μm/m)與試件S-40-0.124(|-8.331|μm/m)的膨脹變形接近，說明摻加SAP-40和SAP-100的試件在3d時減縮效果優良；7d齡期時，收縮變形由大到小排序為Non-S>S-40-0.124>S-100-0.145>S-20-0.092.綜合3、7d收縮變形測試結果可知，對于內養生組，試件S-20-0.092在3d時變形過大，而試件S-40-0.124在7d時變形最大，故認為試件S-100-0.145對收縮性能的改善效果最佳且最為穩定.

2.2.2SAP摻量的影響

不同SAP摻量內養生路面混凝土內部相對濕度和收縮變形隨齡期的發展曲線如圖6所示.

圖6 不同SAP摻量內養生路面混凝土內部相對濕度和收縮變形隨齡期的發展曲線

由圖6可見，對于不同SAP摻量的內養生路面混凝土，總體上遵循SAP摻量越大，內部相對濕度越高，收縮變形越小的規律.基準組試件在28d時的內部相對濕度為81.53%，而在SAP最佳濕度補償狀態下(試件S-100-0.165)，28d時的內部相對濕度可達到93.12%，比基準組提高了14.22%.

SAP摻量越大，內養生路面混凝土收縮變形越小，與基準組試件相比，試件S-100-0.165在1、3、7、14、28d的減縮率分別為2.04%、68.85%、73.98%、68.95%和69.83%.

2.2.3內部相對濕度垂直空間分布特征

基準組與試件S-100-0.145的內部相對濕度垂直空間分布規律如圖7所示.

由圖7可知：在早齡期(0～3d)，內養生路面混凝土板S-100-0.145的內部相對濕度降低速度明顯低于基準混凝土；在3d齡期時，S-100-0.145板上、中、下層混凝土均能保持高濕度狀態，相對濕度分別為95.64%、98.77%和97.47%，比基準組分別提高了1.07%、4.07%和1.88%；進入水化穩定期后，內養生路面混凝土板S-100-0.145各層位之間的相對濕度差異并非如基準混凝土那樣隨齡期而增大，而是逐漸減小，在10d左右時各層相對濕度值出現交匯點；當SAP釋水完畢后，板內部相對濕度在外界干燥作用下的排序逐漸轉變為上層<中層<下層，但三者之間的相對濕度接近.

圖7 基準組與試件S-100-0.145的內部相對濕度垂直空間分布規律

以上試驗結果表明，SAP在內養生階段能夠有效減小路面混凝土垂直方向濕度梯度，上層混凝土失水程度最大，SAP對該層位的補水量也就最多，其次是中層、下層，此特征對于提升水化產物密實度、材料均勻性及抑制水泥混凝土路面的濕度翹曲應力極為有利，同時對于增強路面混凝土抗裂性能及受力穩定性具有積極作用.

2.3 基于熱分析的化學結合水量及Ca(OH)2含量分析

根據式(2)、(3)及熱分析試驗數據，得到化學結合水量及Ca(OH)2含量，結果見表3.

由表3可知，7d時內養生組的化學結合水含量和Ca(OH)2含量均高于基準組，說明SAP能夠有效促進膠凝材料的水化，進而提升其水化程度；對于不同SAP粒徑的內養生組，7d時化學結合水含量排序為S-100-0.145>S-20-0.092>S-40-0.124，

表3 化學結合水量及Ca(OH)2含量

Ca(OH)2含量排序為S-100-0.145>S-40-0.124>S-20-0.092，說明S-100-0.145試件生成的水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠、鈣釩石(AFt)晶體、Ca(OH)2等水化產物數量最多，對水化的促進作用最為顯著.

對比不同SAP摻量下試件7d時的化學結合水及Ca(OH)2含量可知，隨著SAP-100摻量由0.125%增加至0.165%，Ca(OH)2含量增加，化學結合水含量基本保持同一水平.這是因為SAP摻量越大，7d齡期內釋放的內養生水越多，與C3S、C2S等反應生成的Ca(OH)2也就越多.

此外，S-100-0.145組7d時的化學結合水及Ca(OH)2含量分別比基準組提高了3.60%和11.68%，在28d時則分別比基準組提高了19.26%和22.78%.因此，認為內養生組在7d后再次出現了一個水化增強期，即SAP-100在7d后仍會持續釋水，促進膠凝材料水化.

2.4 抗彎拉強度及影響機理分析

影響內養生路面混凝土抗彎拉強度的因素主要包括2個方面：(1)內養生水化程度與密實度；(2)ITZ的微觀結構特性，包括ITZ的致密性和寬度.

不同SAP粒徑及摻量下路面混凝土28d抗彎拉強度如圖8所示.由圖8可看出：較小粒徑的SAP能夠有效增強路面混凝土抗彎拉強度；試件S-40-0.124、S-100-0.145的抗彎拉強度比基準組分別提升了9.66%和9.47%，而試件S-20-0.092的抗彎拉強度則比基準組低7.69%；SAP-100摻量越大，試件抗彎拉強度越高.

圖8 不同SAP粒徑及摻量下路面混凝土28d抗彎拉強度

各路面混凝土28d微觀形貌見圖9.

圖9 各路面混凝土28d微觀形貌

由圖9可見：基準組微觀結構疏松(見圖9(a))，水化產物類型僅觀測到Ca(OH)2與C-S-H；試件S-20-0.092水化產物除Ca(OH)2外，還包含2種類型的C-S-H(C-S-H-Ⅱ、C-S-H-Ⅲ)；而試件S-40-0.124及S-100-0.145水化產物類型豐富，包括層狀Ca(OH)2、多種C-S-H凝膠(C-S-H-Ⅰ、C-S-H-Ⅱ、C-S-H-Ⅲ)和針狀AFt等，且水化產物之間相互重疊，結構致密；觀察試件S-40-0.124和S-100-0.145中SAP殘留孔全貌(見圖9(c)、(d))可發現，其在內養生過程中能夠對SAP殘留孔洞起到良好的水化填充作用，特別是試件S-100-0.145，孔內形成了致密的微觀結構，水化產物與孔邊界處緊密結合，有利于提升混凝土抗彎拉強度；而試件S-20-0.092中水化產物未能充分填充殘留孔洞(見圖9(b))，結構較為疏松；較小粒徑的SAP在拌和初期保水性能優良，能夠吸收部分拌和水(包括聚集在ITZ內的水膜)以降低ITZ水膠比，并促進粉煤灰二次水化，消耗部分Ca(OH)2層狀解理，進而增強ITZ內水泥石與骨料之間的黏結強度、降低混凝土受彎拉時的裂紋擴展速度；在合理摻量范圍內，小粒徑SAP摻量越大，膠凝材料水化程度越高，內養生混凝土抗彎拉強度有所提升.

相應的ITZ微觀形貌、掃描路徑與n(Ca)/n(Si) 值見圖10，圖中橫坐標從左到右依次包括骨料、ITZ及水泥石區域，2個△之間的距離代表ITZ寬度.由于S-20-0.092抗彎拉強度及微觀形貌特性相比其余內養生組較弱，故圖10中不再列出該組的ITZ特征.

圖10 ITZ微觀形貌、掃描路徑與n(Ca)/n(Si)值

由圖10(a)可知，基準組試件在ITZ處存在明顯裂紋，試件S-40-0.124裂紋則較淺，而試件S-100-0.145水泥石與骨料之間未出現可見裂紋.再由圖10中n(Ca)/n(Si)的變化規律得出，試件S-40-0.124和S-100-0.145的ITZ寬度分別為48、37μm，僅為基準試件(75μm)的64.00%和49.33%.以上特征說明小粒徑SAP能夠增強ITZ密實度、降低ITZ寬度.

3 結論

(1)小粒徑SAP(如SAP100與SAP40)持水性能較好，能夠在終凝(10h)前有效持水，并于10h后持續釋放內養生水以促進水泥水化.S-100-0.145內養生漿體在7d齡期時的毛細水含量最高，28d時凝膠水轉化為化學結合水的比例最大，水化效果最優.

(2)與基準試件相比，內養生試件在最佳濕度補償狀態下，1、3、7、14、28d的減縮率分別為2.04%、68.85%、73.98%、68.95%和69.83%；內養生能夠有效減小路面混凝土垂直方向濕度梯度，對于提升水化產物密實度、抑制水泥混凝土路面的濕度翹曲應力、增強路面混凝土受力穩定性具有積極作用.

(3)小粒徑SAP在釋水過程中能夠對混凝土內殘留孔洞起到良好的水化填充作用，增強ITZ密實度，并降低ITZ寬度，有助于增強水泥石與骨料之間的黏結強度、降低混凝土受彎拉時的裂紋擴展速度.