內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土的研究現(xiàn)狀

周明

（南京海華混凝土集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210038）

0 引言

近年來(lái)，混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂已成為行業(yè)研究的熱門(mén)課題之一。 收縮是混凝土材料產(chǎn)生開(kāi)裂的主要原因之一。 引起混凝土材料收縮的原因很多，包括化學(xué)收縮、自收縮、冷縮、干燥收縮、碳化收縮、沉降收縮等因素[1]。 導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂的主要原因是自收縮?，F(xiàn)代混凝土普遍水膠比低、膠凝材料用量較高，這也導(dǎo)致了高水化熱、大溫度應(yīng)力、搞自收縮等問(wèn)題，所以在水泥基材料早期就會(huì)出現(xiàn)由過(guò)高的溫度應(yīng)力和自收縮引起的裂縫[2]。 隨著水泥的水化程度不斷提高，混凝土內(nèi)部的濕度也會(huì)隨之降低，該現(xiàn)象稱(chēng)為自干燥。 一般水膠比越低，自干燥現(xiàn)象越嚴(yán)重。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)混凝土的自收縮做了大量的研究，發(fā)現(xiàn)較低水膠比的混凝土雖然強(qiáng)度提高，但是其自收縮遠(yuǎn)大于普通混凝土。 而且常規(guī)的養(yǎng)護(hù)和摻入膨脹劑等措施已不能有效減小自收縮。 更嚴(yán)重的是，混凝土自收縮導(dǎo)致的微裂紋很可能會(huì)引起混凝土28 d強(qiáng)度發(fā)生倒縮，從而限制混凝土強(qiáng)度的進(jìn)一步增加[3]。 現(xiàn)代混凝土普遍結(jié)構(gòu)密實(shí)，水分從外面很難滲透到混凝土內(nèi)部，傳統(tǒng)的外部養(yǎng)護(hù)方法并不能有效減小自收縮。 因此，很多學(xué)者開(kāi)始研究?jī)?nèi)養(yǎng)護(hù)措施對(duì)抑制混凝土自收縮的效果。

1 內(nèi)養(yǎng)護(hù)機(jī)理

傳統(tǒng)的混凝土養(yǎng)護(hù)方式主要有直接噴水、覆蓋塑料薄膜及蓋草袋灑水等措施，稱(chēng)為外養(yǎng)護(hù)。 高性能混凝土水化的早期強(qiáng)度發(fā)展較快， 且結(jié)構(gòu)致密，常規(guī)的外養(yǎng)護(hù)方法對(duì)混凝土內(nèi)部的養(yǎng)護(hù)效果相對(duì)有限。

1948年，Powers就首次提出“內(nèi)養(yǎng)護(hù)”理論模型[4]。Power基于水泥水化機(jī)理，提出混凝土水灰比不能低于0.42，即使在養(yǎng)護(hù)比較充分的情況下，也不能低于0.36，否則混凝土內(nèi)部的濕度會(huì)迅速下降，膠凝材料不能充分水化，混凝土發(fā)生自收縮。 根據(jù)文獻(xiàn)，為保證膠凝材料充分水化，要求內(nèi)部濕度至少要保持在90%。 同時(shí)，高性能混凝土水膠比較低，內(nèi)部的水分很容易被水泥水化硬化消耗， 從而引起自干燥收縮。 目前，最有效的措施就是從混凝土內(nèi)部補(bǔ)充水分進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。 根據(jù)內(nèi)養(yǎng)護(hù)的理論與技術(shù)，這種措施主要解決高性能混凝土的自收縮，通過(guò)在混凝土內(nèi)部?jī)?chǔ)存的水分補(bǔ)償水化反應(yīng)消耗掉水而引起的水泥石內(nèi)部的自干燥，使得更多的孔隙能保持飽和狀態(tài)。 丹麥Jensen在總結(jié)Powers模型的基礎(chǔ)上，又推導(dǎo)出了內(nèi)養(yǎng)護(hù)需水量的計(jì)算方法，為內(nèi)養(yǎng)護(hù)技術(shù)的最終實(shí)現(xiàn)提高了理論基礎(chǔ)[5]。 自收縮實(shí)質(zhì)上是由混凝土本身的自干燥引起的，在水化反應(yīng)過(guò)程中，膠凝材料會(huì)消耗大量的水，使毛細(xì)孔內(nèi)嚴(yán)重失水。 當(dāng)失水到一定程度，毛細(xì)孔內(nèi)的溶液與空氣界面位置就會(huì)形成彎液面，產(chǎn)生表面張力。 并且相對(duì)濕度的下降會(huì)導(dǎo)致表面張力增大。 表面張力方向是從孔壁指向孔中心，最終就表現(xiàn)為體積收縮。 美國(guó)RILEM將內(nèi)養(yǎng)護(hù)法分為兩種：即內(nèi)部水養(yǎng)護(hù)和內(nèi)部密封[6]。 內(nèi)部水養(yǎng)護(hù)是指在混凝土內(nèi)部布置釋放水，在混凝土水化硬化過(guò)程中可以有規(guī)律地釋放出水分；內(nèi)部密封則是通過(guò)減小或避免混凝土水化硬化過(guò)程中的水分散失。內(nèi)部水養(yǎng)護(hù)方法可以在混凝土水化硬化過(guò)程中釋放水分，改善自干燥，有效減小自收縮，是目前主要的內(nèi)養(yǎng)護(hù)方法。

2 內(nèi)養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 輕骨料養(yǎng)護(hù)劑

Bentur采用輕集料實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)混凝土的內(nèi)養(yǎng)護(hù)，在減小自收縮方面取得了成果[7]。 美國(guó)的Bentz則認(rèn)為內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的顆粒尺寸應(yīng)盡可能減小，提高其與水泥漿體的接觸面積，可提高養(yǎng)護(hù)效果[8]。Lura等人在混凝土中摻入了平均粒徑為數(shù)百μm， 吸水率為自身質(zhì)量數(shù)百倍的超高吸水樹(shù)脂，結(jié)果發(fā)現(xiàn)可以明顯抑制低水膠比混凝土自收縮問(wèn)題。在實(shí)際工程應(yīng)用方面，美國(guó)及歐洲制定了有關(guān)內(nèi)養(yǎng)護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于采用輕骨料為內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者做了大量研究。 其中研究工作重點(diǎn)在輕骨料自身的吸水率、粒徑尺寸以及替代細(xì)骨料比例等因素對(duì)水泥基材料自收縮的影響作用， 并且普遍認(rèn)為，用輕骨料作為內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料對(duì)降低水泥基材料內(nèi)部的相對(duì)濕度以及抑制自收縮具有顯著效果。 輕質(zhì)骨料分散在整個(gè)水泥漿體中， 起著內(nèi)部蓄水池的作用，隨著水泥水化反應(yīng)程度的提高，混凝土內(nèi)部出現(xiàn)不同程度的濕度差，輕集料中的儲(chǔ)存水分就會(huì)依靠毛細(xì)管吸力被釋放至水泥漿體中，然后通過(guò)水蒸汽的作用向外擴(kuò)散，為水化反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行提供條件[9]。

Jensen 等提出， 采用輕骨料作內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料時(shí)，應(yīng)盡量選擇吸水率大、開(kāi)口孔較多的輕骨料，因?yàn)閷?duì)于孔徑小于100 nm 的孔隙中儲(chǔ)存的水分在水泥石發(fā)生自干燥的過(guò)程中較難釋放出來(lái)，達(dá)不到內(nèi)養(yǎng)護(hù)的作用[10]。也有人采用細(xì)度模數(shù)不同的輕骨料以30%比例取代細(xì)骨料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)降低輕骨料的細(xì)度模數(shù)， 反而可以增強(qiáng)內(nèi)養(yǎng)護(hù)的減縮效果。 Bentz等參照混凝土材料的性質(zhì)、配合比以及輕骨料的吸水率等參數(shù)推導(dǎo)出了采用輕骨料作內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的輕骨料的最低用量計(jì)算方程[13]。 但是，摻入的輕骨料過(guò)多的話(huà)， 會(huì)對(duì)混凝土的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響， 因此輕骨料的取代率需要考慮力學(xué)性能要求。Paul 還研究了輕骨料對(duì)混凝土自收縮、強(qiáng)度、抗氯離子滲透性等耐久性的影響，發(fā)現(xiàn)輕骨料作為內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料不僅降低自收縮，還會(huì)對(duì)混凝土強(qiáng)度和耐久性產(chǎn)生不利的影響[11]。田耀剛等研究了高強(qiáng)輕集料混凝土的抗凍性， 發(fā)現(xiàn)輕集料本身抗凍性較好，且輕集料的預(yù)濕程度對(duì)混凝土抗凍性影響并不明顯。輕集料粒徑一般較大， 很難在混凝土內(nèi)部均勻分布，采用輕集料做養(yǎng)護(hù)的方法效果具有一定的離散性。 周宇飛研究認(rèn)為，輕集料的孔結(jié)構(gòu)對(duì)于其在水泥漿體中的吸水、釋水規(guī)律及其對(duì)混凝土自收縮的改善作用具有重要的影響。一般高強(qiáng)的輕集料自身吸水率較低，初始飽水量較小，所以?xún)?nèi)養(yǎng)護(hù)作用較差，而本身吸水率較高的輕集料，初始飽水量較高，內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用較好，但是存在強(qiáng)度低的問(wèn)題。因此，通過(guò)預(yù)濕輕集料來(lái)降低混凝土的自收縮關(guān)鍵技術(shù)是對(duì)輕集料吸水和釋水過(guò)程的控制作用。如果其早期釋水速率過(guò)快，則不能有效調(diào)節(jié)早期混凝土內(nèi)部濕度，抑制自收縮的效果就有限。

2.2 吸水樹(shù)脂養(yǎng)護(hù)劑

高吸水性樹(shù)脂屬于聚合物，能吸收幾百甚至上千倍。 高吸水性樹(shù)脂預(yù)先吸水或是拌和過(guò)程中吸水，隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，這些水可以提高基體濕度，達(dá)到內(nèi)養(yǎng)護(hù)效果。高吸水性樹(shù)脂的吸水、釋水效果直接決定了其內(nèi)養(yǎng)護(hù)效果。高吸水性樹(shù)脂帶有直鏈、交鏈和支鏈，可以?xún)?chǔ)存水，并且其三維網(wǎng)絡(luò)孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其具有超強(qiáng)保水功能。Reinhardt等通過(guò)大量試驗(yàn)研究， 發(fā)現(xiàn)摻入干燥吸水性樹(shù)脂可改善孔結(jié)構(gòu)，減小干縮，提高混凝土的抗凍性和抗?jié)B性[12]，但強(qiáng)度會(huì)減小。國(guó)內(nèi)陳德鵬等研究發(fā)現(xiàn)高吸水性樹(shù)脂可以改善混凝土的收縮開(kāi)裂[13]。丁以兵等研究認(rèn)為高吸水性樹(shù)脂可以提高混凝土內(nèi)部的濕度，改善相對(duì)濕度梯度，為混凝土提供自養(yǎng)護(hù)[14]，采用超吸水樹(shù)脂作為內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料也會(huì)對(duì)混凝土力學(xué)性能不利。Craeye 在混凝土中分析摻入1.11、1.56 和2.00 kg的超吸水樹(shù)脂，結(jié)果發(fā)現(xiàn)混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度以及彈性模量均顯著下降[15]。有人認(rèn)為導(dǎo)致強(qiáng)度降低的原因是使用的吸水樹(shù)脂摻量過(guò)高。蓬魯峰研究提出， 高吸水樹(shù)脂的最佳摻量在0.1%~0.2%之間， 最佳額外引水量為15~25 倍高吸水樹(shù)脂摻量的倍數(shù)。

3 結(jié)語(yǔ)

內(nèi)養(yǎng)護(hù)技術(shù)是高強(qiáng)及高性能混凝土在技術(shù)上的一個(gè)重大變革，能夠大幅度提高混凝土力學(xué)性能和耐久性。高效的內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑不僅促進(jìn)膠凝材料的水化以及礦物摻合料的二次水化反應(yīng)，而且能夠顯著減少混凝土開(kāi)裂。混凝土的內(nèi)養(yǎng)護(hù)技術(shù)是一項(xiàng)需要持續(xù)完善的技術(shù)，在實(shí)際工程應(yīng)用中還存在許多問(wèn)題，需要深入研究解決。

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