混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)的研究與發(fā)展

趙洪凱 王 猛

(吉林建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,長春 130118)

0 引 言

高性能混凝土可以適合惡劣地區(qū)及大跨度建筑的要求。但由于其水灰比較低,內(nèi)部水分不足以滿足其水化,一般養(yǎng)護(hù)條件,由于其致密的結(jié)構(gòu),外部水很難進(jìn)入,隨著水泥水化會使混凝土發(fā)生自收縮現(xiàn)象,產(chǎn)生裂縫,進(jìn)而影響其性能[1,2]。而要進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)或者其他養(yǎng)護(hù)方法,經(jīng)濟(jì)費用高而且效果不明顯。經(jīng)過多年的實驗研究以及應(yīng)用發(fā)現(xiàn),摻加一定比例的內(nèi)養(yǎng)護(hù)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(dá)到了人們應(yīng)用高性能混凝土的預(yù)期效果。

1 內(nèi)養(yǎng)護(hù)概念的提出及發(fā)展

1.1 內(nèi)養(yǎng)護(hù)概念的提出

混凝土的養(yǎng)護(hù)方法有兩種,內(nèi)養(yǎng)護(hù)和外養(yǎng)護(hù)[5]。在最開始使用混凝土?xí)r,只有外養(yǎng)護(hù)方法,而隨著混凝土的發(fā)展,20世紀(jì)40年代,100 MP的高強度混凝土首次應(yīng)用[6]。而高強度混凝土有一個很嚴(yán)重的問題,就是低水灰比會導(dǎo)致其發(fā)生收縮開裂。在1948年,國外學(xué)者T.C.Powers[7-8]首先提出了關(guān)于混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)的Powers模型,提出當(dāng)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(nèi)養(yǎng)護(hù)的概念,也就是將保水的輕集料或者高吸水性物質(zhì)作為內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料摻入到混凝土中,隨著水泥等膠凝材料的水化反應(yīng)的進(jìn)行,混凝土中自由水的減少促使?jié)穸炔畹漠a(chǎn)生,以及毛細(xì)管張力的增加,導(dǎo)致內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料中的水分被釋放出來,平衡了混凝土內(nèi)部的濕度,為膠凝材料水化反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行提供水分,避免引起自收縮開裂。

1.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀

丹麥學(xué)者O.M.Jensen根據(jù)Powers模型,經(jīng)過大量實驗測試分析,獲得了內(nèi)養(yǎng)護(hù)需水量公式,當(dāng)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(fā)現(xiàn)并應(yīng)用內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料——預(yù)濕輕集料,摻加預(yù)濕輕集料對低水灰比的高性能混凝土進(jìn)行內(nèi)養(yǎng)護(hù),在減緩自收縮方面獲得有效成果。在關(guān)于力學(xué)性能的影響方面,Mehta PK[12]等學(xué)者通過添加不同內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料來進(jìn)行探究,結(jié)果表明通過內(nèi)養(yǎng)護(hù)的混凝土,能提高力學(xué)性能,如強度和彈性模量。在體積穩(wěn)定性方面,Lopez M[13]對養(yǎng)護(hù)時期的混凝土試塊進(jìn)行形變收縮的實時跟蹤測試,通過微觀分析顯示內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土減少了均勻分布的微觀裂縫,認(rèn)為添加內(nèi)養(yǎng)護(hù)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(huán)實驗都充分證明了內(nèi)養(yǎng)護(hù)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(dá)42%以上。但有研究表明在實際應(yīng)用中減縮劑會對混凝土的力學(xué)性能產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)。Lura[18]、Saliba[19]和 Mora Ruacho[20]的研究結(jié)果表明,減縮劑的摻量越高,砂漿塑性裂縫寬度以及裂縫數(shù)量都會得到明顯降低。美國和歐洲在工程應(yīng)用方向,還制訂了有關(guān)內(nèi)養(yǎng)護(hù)的規(guī)范[21]。

1.3 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

對于預(yù)濕輕集料作為內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料摻入混凝土中進(jìn)行了研究,東南大學(xué)陳德鵬[22]最早發(fā)現(xiàn)其確實可以提高高強混凝土抗裂的能力。華南理工大學(xué)張宇、葉華[23]發(fā)現(xiàn)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(xué)者通過對內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的不斷改良與搭配以及調(diào)節(jié)養(yǎng)護(hù)條件,對混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)做了全面的完善,武漢理工大學(xué)胡曙光[24]等人重點研究了分別改變高吸水樹脂的質(zhì)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(wěn)定性的影響規(guī)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(nèi)學(xué)者還將硅灰以及其他預(yù)濕礦物摻合料摻入混凝土進(jìn)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(dǎo)致早期開裂,在3～12小時之內(nèi)裂縫發(fā)育迅速;摻加粉煤灰之后,在早期強度上作用不大,根據(jù)實時測試發(fā)現(xiàn),摻加粉煤灰的內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土強度會隨著齡期的發(fā)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(fā)現(xiàn)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(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的分類以及作用機理

2.1 輕集料(LWA)

作為內(nèi)養(yǎng)護(hù)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(nèi)養(yǎng)護(hù)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(dāng)中后,隨著膠凝材料的水化反應(yīng)進(jìn)行,混凝土內(nèi)部所含的水分逐步減少,在濕度差、毛細(xì)管壓力差等作用下,輕集料預(yù)先吸收的水,慢慢釋放出來,為膠凝材料的繼續(xù)水化提供良好的濕度環(huán)境[29]。但需要注意的是,毛細(xì)管的供水,只有當(dāng)漿體與輕集料之間的距離即毛細(xì)孔距離在100～200 μm范圍內(nèi)才產(chǎn)生效果[30]。

2.2 高吸水性樹脂(SAP)

高吸水樹脂,是一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)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(tuán),加之內(nèi)部化學(xué)鏈的互相連接而形成的三維空間結(jié)構(gòu),是其擁有可以到達(dá)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(nèi)部復(fù)雜的三維空間結(jié)構(gòu)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(nèi)養(yǎng)護(hù)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(nèi)膠凝材料的繼續(xù)水化提供濕度環(huán)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(xì)壓力外,隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行,溫度和PH值的提高都會促進(jìn)高吸水性樹脂發(fā)生釋水現(xiàn)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(chǎn)于20世紀(jì)80年代,由日本研究者研發(fā)了[34],目前國外的減縮劑產(chǎn)品研究已經(jīng)相當(dāng)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(fù)合型減縮劑兩大類。更細(xì)的劃分,根據(jù)其官能團(tuán)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(fù)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(yīng)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(nèi)養(yǎng)護(hù)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(yīng)力也就是水分散失而引起的毛細(xì)管張力,毛細(xì)管張力的大小與溶液的表面張力呈線性關(guān)系,因此減縮劑減小溶液表面張力就相當(dāng)于減少了毛細(xì)管張力,進(jìn)而減少自收縮應(yīng)力[36]。

3 內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料對混凝土性能影響研究

3.1 輕集料(LWA)

關(guān)于摻加輕集料的內(nèi)養(yǎng)護(hù)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(jìn)行自收縮研究。實驗表明將飽水輕質(zhì)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(yīng)力和抑制應(yīng)力方面是非常有效的,而且產(chǎn)生了一定范圍內(nèi)的持續(xù)膨脹,經(jīng)分析可能是因為在飽水輕集料釋水的作用下促進(jìn)了混凝土內(nèi)水泥的進(jìn)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(yīng)力的變化。發(fā)現(xiàn)輕集料含水率越高,對混凝土早期的內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用越明顯,最多可以緩解45.7%的自收縮作用。雖然摻加預(yù)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(dǎo)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(nèi)學(xué)者對摻加燒結(jié)粉煤灰和膨脹頁巖的混凝土進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)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(jié)果表示當(dāng)輕集料粒徑與粘結(jié)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(zhì)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(qū)別,最高效率粒徑要根據(jù)輕集料種類進(jìn)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(fā)現(xiàn)對于水灰比為0.33的混凝土,飽水輕集料內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土與普通混凝土相比,氯離子擴(kuò)散系數(shù)有所降低;水灰比為0.25的兩種混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)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(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)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(jù)滲透要求對輕集料的使用作出合理安排。為了使輕集料發(fā)揮最大的內(nèi)養(yǎng)護(hù)應(yīng)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(jìn)行對比分析,發(fā)現(xiàn)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(fēng)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(xiàn)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(xiàn)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(dá)到預(yù)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(zhì)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(yōu)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(guān)于SAP摻入量,A.Assmann[44]發(fā)現(xiàn)通過加入膠凝材料質(zhì)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(zhì)量0.35%的SAP,與沒摻加SAP相比,自收縮可以減少80%,養(yǎng)護(hù)28天之后的混凝土總收縮量也有很大減少。中國礦業(yè)大學(xué)逢魯峰[45]研究發(fā)現(xiàn),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(nèi),其變化又不太明顯,他得到的結(jié)論是在吸水倍率在15～20倍的前提下,最優(yōu)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(dǎo)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(guān)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(jīng)測混凝土的自收縮分別降低51%、58%、68%。孔祥明[47]研究結(jié)果顯示,由于水在混凝土中的分布形態(tài)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(guān)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(fā)育與 SAP的顆粒大小呈相反聯(lián)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(nèi)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(yīng)力集中,當(dāng)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(nèi)部,在釋水之后,雖然留下的孔隙較小,當(dāng)相對來說空隙比較密集,應(yīng)力集中現(xiàn)象也不可避免。在工程應(yīng)用中,應(yīng)根據(jù)混凝土使用的具體目標(biāo)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(yīng)增加使用粒徑較大的SAP。當(dāng)設(shè)計目標(biāo)為提高強度時,小顆粒的SAP的使用比例應(yīng)適當(dāng)增加。在挑選SAP方面,V.Mechtcherine[50]模擬水泥內(nèi)部環(huán)境,對兩種不同的SAP進(jìn)行對比研究,發(fā)現(xiàn)含有負(fù)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(nèi)保留了水,這些現(xiàn)象可以直接與 SAP減輕高強度混凝土的自收縮的內(nèi)養(yǎng)護(hù)效率相聯(lián)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(jié)出只有平衡的選擇SAP的類型、用量和最適當(dāng)?shù)念~外引水量來進(jìn)行內(nèi)養(yǎng)護(hù)才沒有負(fù)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(fā)現(xiàn)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(zhì)量濃度達(dá)到15%。喬墩[36]研究結(jié)果顯示,當(dāng)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(fā)速率也提高到一定程度,當(dāng)濃度繼續(xù)增加,二者都會產(chǎn)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(fā)現(xiàn)減縮劑會導(dǎo)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(xué)者對減縮劑與其他內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料互摻的共同作用進(jìn)行了實驗探究分析。肖黽[53]和龔建清[54]對SRA和SAP的雙摻進(jìn)行相關(guān)研究,發(fā)現(xiàn)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(dāng)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(nèi)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(chǎn)生的作用,降低了收縮應(yīng)力,減少了收縮開裂,對水泥基材料耐久性也產(chǎn)生積極影響。李飛[56]研究了減縮劑與膨脹劑、內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑互摻使用情況下,混凝土早期收縮的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明,三者之間互相雙摻存在一定的比例關(guān)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(nèi)養(yǎng)護(hù)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(jié)與展望

對于文中所介紹的三種內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料,都會減少混凝土的自收縮現(xiàn)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(yán)重的問題,如何在保證加入額外需水量之后不對混凝土產(chǎn)生不利影響,依然需要繼續(xù)研究。對于SAP,在理想吸水量的狀態(tài)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(zhì)上的差別,進(jìn)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(yīng)用到實際工程當(dāng)中,還要解決在施工過程中如何控制其性質(zhì)不發(fā)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(dǎo)致混凝土其他性能受到影響,本文雖然介紹了幾種與內(nèi)養(yǎng)護(hù)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(guān)研究還有待增加。