工程水泥基復(fù)合材料自收縮調(diào)控方法綜述

巫向暉，甘 偉，何堅強(qiáng)，王 慶

（1、廣州立墻墻體材料有限公司 廣州510800；2、廣州大學(xué)土木工程學(xué)院 廣州510006）

0 引言

20 世紀(jì)90 年代美國密歇根大學(xué)的V.C.Li 教授首次用短纖維對膠凝材料進(jìn)行細(xì)觀力學(xué)設(shè)計，研發(fā)了一種具有多點開裂和應(yīng)變硬化特征的水泥基材料［1］。ECC 在傳統(tǒng)混凝土的基礎(chǔ)上，通過去除粗骨料，摻入不超過2%的聚乙烯醇纖維，從而發(fā)展成為一種高延性、韌性的復(fù)合材料。眾所周知，如果水泥基材料自收縮過大，將導(dǎo)致材料產(chǎn)生裂縫，外界的水分和有害雜質(zhì)侵入材料內(nèi)部從而直接影響其使用性能。水泥基材料的收縮主要由自收縮與干燥收縮組成，自收縮是指不考慮外界因素的情況下，由于膠凝材料的水化反應(yīng)而引起的體積減小；干燥收縮是指水泥基材料由于內(nèi)部或表面的水分蒸發(fā)而引起的體積減小［2］?；炷恋脑缙谑湛s開裂與其自收縮密切相關(guān)，因此，本文從材料組成出發(fā)，為了進(jìn)一步掌握水泥基材料的自收縮規(guī)律，綜述了改善水泥基材料自收縮的技術(shù)方法，展望了ECC未來的發(fā)展方向。

1 水泥基材料的自收縮機(jī)理

Li 等人［3］認(rèn)為自收縮主要由化學(xué)反應(yīng)引起，膠凝材料在與外界無物質(zhì)交換的條件下，由于水化反應(yīng)引起的毛細(xì)孔負(fù)壓和內(nèi)部相對濕度降低，導(dǎo)致宏觀體積的減小，但不包括因溫度變化、外部加載或約束而引起的體積變化。Jensen 等人［4］認(rèn)為混凝土自收縮主要有2 個原因，一是混凝土內(nèi)部相對濕度在硬化過程中下降，在沒有外部水源補(bǔ)充的情況下發(fā)生自干燥，與自干燥密切相關(guān)的混凝土也經(jīng)歷了體積收縮，這種收縮，即自干燥收縮；二是水泥水化過程中形成的生成物的體積比反應(yīng)物的體積小。Jiang 等人［5］認(rèn)為水泥混合料在水化過程中內(nèi)部相對濕度的降低是高性能混凝土早期收縮的主要原因。自收縮發(fā)生的關(guān)鍵在于水泥基材料的內(nèi)部相對濕度降低而引起的自干燥，水泥的水化反應(yīng)是產(chǎn)生自收縮的主要原因，毛細(xì)管理論能夠較好地解釋水泥基材料自收縮的機(jī)理。要測量自收縮值，就需要先排除干燥收縮的影響。多數(shù)的實驗研究表明，密封條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)測得的收縮值為自收縮［6-8］，干燥條件下測得的收縮為自收縮與干燥收縮之和，因此，材料自收縮的測定方法也需引起足夠重視。

2 自收縮調(diào)控方法

為降低水泥基材料自收縮，目前已有的調(diào)控方法包括內(nèi)養(yǎng)護(hù)、外加劑、礦物摻合料等［9］。

2.1 內(nèi)養(yǎng)護(hù)技術(shù)

常用的內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料包括高吸水樹脂和輕質(zhì)多孔材料。在水膠比較低的情況下，隨著試件內(nèi)部水化反應(yīng)的進(jìn)行，內(nèi)部水含量下降，造成試件內(nèi)部產(chǎn)生自干燥，這是引起自收縮的一個重要原因［10］。如有多余的水分不斷補(bǔ)充反應(yīng)消耗的水，則自干燥現(xiàn)象可以得到緩解［11］。

Wang 等人［12］探究了預(yù)吸水陶粒對混凝土自收縮與抗壓強(qiáng)度的影響，實驗結(jié)果表明，當(dāng)陶粒100%等質(zhì)量替代粗骨料時，試樣的28 d自收縮值降低了22%，但抗壓強(qiáng)度下降了29.3%。可見，雖然輕質(zhì)多孔材料的摻入改善了自收縮，但卻對抗壓強(qiáng)度造成了影響。Zielinski 等人［13］的研究也得到類似結(jié)果，他們通過用粒徑為0～4 mm的預(yù)吸水輕骨料替代混凝土中0～2 mm粒徑的天然骨料，使得試樣的28 d自收縮值從582 μm下降到217 μm，自收縮下降了62.7%，但抗壓強(qiáng)度從102.9 MPa 下降至66 MPa，強(qiáng)度損失了35.86%。然而輕質(zhì)多孔骨料對抗壓強(qiáng)度的影響并不全是負(fù)面的，如Suzuki 等人［14］將再生多孔陶瓷骨料應(yīng)用于減少自收縮，因骨料的粒度分布合理，再生骨料多孔的特性使得水泥基質(zhì)中的水傳輸更流暢，當(dāng)粗骨料替代率為40%時，實驗測得的28 d自收縮值接近于0，強(qiáng)度也得到了提升。此外，Abate 等人［15］的研究表明，再生骨料能改善高強(qiáng)礦渣水泥砂漿的自收縮，他們對再生骨料進(jìn)行碳化處理，當(dāng)摻入25%體積的碳化再生骨料時，自收縮降低了38%～42%，抗壓強(qiáng)度雖然略有降低，但在可接受范圍內(nèi)。綜上所述，輕質(zhì)多孔骨料能顯著降低混凝土的自收縮，但對抗壓強(qiáng)度會造成一定的影響，最理想的調(diào)控手段是在不影響材料其他性能的前提下，避免由于自收縮導(dǎo)致裂縫。上述文獻(xiàn)調(diào)控前后的自收縮值如圖1所示。

圖1 輕質(zhì)多孔骨料對自收縮的影響［12-15］Fig.1 Influence of Lightweight Porous Aggregate on Autogenous Shrinkage

高吸水樹脂（SAP）也是一種調(diào)控ECC 自收縮的內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑［16］。Yang 等人［17］向自流平砂漿中加入高吸水樹脂，結(jié)果表明當(dāng)摻入水泥質(zhì)量的0.4%的高吸水樹脂時，改善自收縮的效果最好，自收縮下降了10.2%，但抗壓強(qiáng)度從57.5 MPa 下降至45 MPa。Song等人［18］利用高吸水樹脂作為內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑加入到堿礦渣砂漿中，實驗結(jié)果表明，摻入0.15%的高吸水樹脂使得自收縮從75 μm 下降至35 μm，但抗壓強(qiáng)度從45 MPa 下降至35 MPa。SAP 的摻入雖然使自收縮得到了改善，但抗壓強(qiáng)度受到了影響。此外，Yang 和Yao 等人［19，20］的研究表明，高吸水樹脂能延緩并且改善ECC 的自收縮，但會降低5%～15%的抗壓強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度降低是因為高吸水樹脂的附加水會影響水膠比，而水泥基材料的水膠比是決定抗壓強(qiáng)度的關(guān)鍵。

Ahmaran等人［21］利用預(yù)濕的浮石替代ECC中的硅砂，使得ECC的自收縮顯著降低。此外，Keskin 等人［22］的研究表明，預(yù)吸水珍珠巖部分替代ECC 中的骨料可以顯著降低自收縮，當(dāng)替代率為30%時，自收縮下降了77%，如圖2所示。Zhang等人［23］通過用經(jīng)濕潤、煅燒處理的沸石顆粒加入到高強(qiáng)ECC 中，28 d 時自收縮最高降低62.8%，且材料強(qiáng)度基本穩(wěn)定。內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑的開發(fā)和使用，為水泥基復(fù)合材料自收縮的調(diào)控提供了路線和方法，但類型和用量的選擇依然需要根據(jù)實際需求進(jìn)行優(yōu)化，此外，內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑對強(qiáng)度的影響也不能忽視。

圖2 預(yù)吸水珍珠巖含量對自收縮影響［19］Fig.2 Influence of Pre-wetted Perlite Content on Autogenous Shrinkage

2.2 礦物摻合料

Zhang 等人［24］開展了不同硅灰含量（0～10%）、不同水灰比（0.26～0.35）對混凝土自收縮影響的研究，結(jié)果表明:自收縮隨硅灰含量增加而增加，隨水膠比增加而減少，如圖3 所示。這一實驗結(jié)果與Yoo 等人對ECC 的研究結(jié)果吻合［7］，硅灰的填充效應(yīng)使得試樣中的孔隙率與孔徑減小，內(nèi)部毛細(xì)孔半徑越小，收縮壓力越大，從而導(dǎo)致收縮變形增大。Lim 等人［25］將爐渣與硅灰作為礦物摻合料摻入到超高強(qiáng)混凝土中，結(jié)果表明當(dāng)爐渣與硅灰取代50%質(zhì)量的水泥時，不僅可以使自收縮降低42.1%，同時抗壓強(qiáng)度不會受到很大影響。Hao等人［26］對含改性粉煤灰的混合水泥砂漿進(jìn)行了自收縮試驗，替代水泥后能有效減少自收縮，且比普通粉煤灰的效果更好。Herrera等人［27］向自密實混凝土中摻入粉煤灰與細(xì)石灰石，發(fā)現(xiàn)石灰石促進(jìn)水化的作用能抵消粉煤灰對終凝時間的延遲，粉煤灰與石灰石的摻入使得自收縮減少了39%～84%。Termkhajornkit等人［28］探究了粉煤灰水化程度與自收縮的關(guān)系，結(jié)果表明隨著粉煤灰比表面積的增加，水化程度在增加，摻入粉煤灰試樣的自收縮主要取決于粉煤灰的水化程度。Yoo等人［29］分別探究了硅灰與爐渣對混凝土自收縮的影響，當(dāng)粉煤灰水泥替代率為30%與50%時，其自收縮降低了8.85%與24.90%；當(dāng)爐渣水泥替代率為30%與50%時，自收縮提高了21.43%與30.29%。Sirtoli等人［30］將硫鋁酸鹽水泥用作膠凝材料，替代50%質(zhì)量的普通硅酸鹽水泥后，結(jié)果顯示試樣的28 d自收縮得到了顯著的下降。Zhang 等人［31］將鋼渣部分替代超高性能混凝土中的水泥，明顯降低了試樣的早期自收縮。

圖3 硅粉含量對不同水灰比混凝土的自收縮影響［24］Fig.3 Effect of Silica Fume Content on Autogenous Shrinkage of Concrete with Various W/C Ratios

綜上，礦物摻合料通過改變材料內(nèi)部的孔隙率或替代水泥水化反應(yīng)，從而實現(xiàn)調(diào)控自收縮的目的。對于ECC來說，利用礦物外加劑來減少自收縮一直以來都備受關(guān)注，這不僅能夠有效減少水泥用量，而且在節(jié)約成本和減少對環(huán)境的污染方面有著突出貢獻(xiàn)。若能在現(xiàn)有礦物摻合料或工業(yè)廢料中找出適用于降低ECC自收縮的原材料，無疑對ECC的推廣應(yīng)用有著積極的作用。

2.3 外加劑

早在1995 年，Tazawa 等人［32］就開始研究化學(xué)外加劑與礦物外加劑對混凝土自收縮的影響，一般選用減縮劑、減水劑等［33］。Yoo 等人［34］研究了6 種不同的化學(xué)外加劑對水泥基材料自收縮的影響，結(jié)果表明，減縮劑對降低自收縮最為有效。Seo等人［35］發(fā)現(xiàn)經(jīng)煅燒處理的牡蠣殼粉的加入能促進(jìn)水化反應(yīng)，此外，牡蠣殼粉中氧化鈣成分與水能發(fā)生膨脹反應(yīng)，降低了20%的自收縮。Meddah 等人［36］在高性能混凝土中同時加入膨脹劑和減縮劑，能使試樣的自收縮降低，膨脹劑與減縮劑的協(xié)同作用能減少收縮應(yīng)力。而關(guān)于化學(xué)外加劑對ECC 自收縮影響的研究目前還較少。Chen 等人［37］向高強(qiáng)復(fù)合水泥基材料中入加8 L/m3的減縮劑，再用硫鋁酸鹽水泥替代5%質(zhì)量的硅酸鹽水泥，使得自收縮減少了42%。因此，減縮劑和膨脹劑是目前水泥基復(fù)合材料自收縮調(diào)控的主要外加劑。

3 結(jié)論

本文綜述了工程水泥基復(fù)合材料自收縮調(diào)控方法的研究進(jìn)展，得出如下結(jié)論:

⑴ECC 自收縮調(diào)控方法主要有內(nèi)養(yǎng)護(hù)法、礦物摻合料法和外加劑法等。

⑵內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑包括高吸水樹脂和輕質(zhì)多孔材料，礦物摻合料有硅灰、礦渣、粉煤灰等，外加劑包括減縮劑與膨脹劑。

⑶內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑、礦物摻合料和外加劑的加入能使水泥基材料的自收縮得到明顯的改善，但對抗壓強(qiáng)度的影響不能被忽視。