混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究進(jìn)展

王立成， 張 磊

(1.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116024)(2.中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院 綠色建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100024)

隨著現(xiàn)代土木工程的發(fā)展，高強(qiáng)(低水膠比)混凝土因其卓越的力學(xué)和耐久性能而不斷地應(yīng)用到各種工程中.然而，高強(qiáng)混凝土由于低水膠比帶來的高密實(shí)性，導(dǎo)致其滲透性較差，傳統(tǒng)外部養(yǎng)護(hù)的表面養(yǎng)護(hù)水難以有效滲透到其結(jié)構(gòu)的內(nèi)部區(qū)域而失去養(yǎng)護(hù)效果.因此，高強(qiáng)混凝土常表現(xiàn)出過大的早期自干燥和自收縮，引起混凝土的開裂，而內(nèi)養(yǎng)護(hù)技術(shù)能很好地解決此問題[1-3].高強(qiáng)混凝土的內(nèi)養(yǎng)護(hù)是通過在混凝土配合比中引入高吸水性材料來實(shí)現(xiàn)混凝土的內(nèi)部養(yǎng)護(hù)，從而有效減少混凝土的自收縮.

1948年，Powers等提出了硬化水泥漿體相體積分布經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚4-5]，隨后，Hansen[6]據(jù)此模型得出：混凝土的水膠比達(dá)到0.42時(shí)水泥才能充分水化，解決早期自收縮問題最適合的方法是從混凝土內(nèi)部提供水源進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，這一模型也成為混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)的理論基礎(chǔ).1957年，Shideler[7]研究了摻預(yù)濕輕骨料混凝土的力學(xué)性能和體積穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)預(yù)濕輕骨料能夠減小混凝土的自收縮.1991年，Philleo[8]提出，為解決高強(qiáng)混凝土傳統(tǒng)外部養(yǎng)護(hù)效果差的問題，應(yīng)采用從內(nèi)部養(yǎng)護(hù)的方式，指出摻預(yù)濕輕骨料是一種方法，并明確提出了“內(nèi)養(yǎng)護(hù)”的概念.1999年，Bentz等[9]為確保有足夠水能完成混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)，建立了輕骨料置換量的計(jì)算公式，推動(dòng)了內(nèi)養(yǎng)護(hù)研究的進(jìn)展.2000年，Jensen等提出了采用高吸水性樹脂(SAP)作為內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的方法[5].2003年，國(guó)際材料與結(jié)構(gòu)研究實(shí)驗(yàn)聯(lián)合會(huì)(RILEM)[10]定義了內(nèi)養(yǎng)護(hù)技術(shù)，即向混凝土中引入可用作養(yǎng)護(hù)的水，并將內(nèi)養(yǎng)護(hù)分為輕骨料(LWA)內(nèi)養(yǎng)護(hù)和高吸水性樹脂(SAP)內(nèi)養(yǎng)護(hù)2大類.

此后，內(nèi)養(yǎng)護(hù)技術(shù)在工程應(yīng)用中取得了飛速發(fā)展，美國(guó)等在路面和橋面工程中大量采用內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土[11-12].到2012年，美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)制定了內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范ASTM C1761M-15.

基于以上國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)分析，本文從混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)技術(shù)的起源和發(fā)展歷程出發(fā)，綜述了常用內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料和用量、內(nèi)養(yǎng)護(hù)理論基礎(chǔ)、內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用機(jī)理和內(nèi)養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土性能的影響，并指出了當(dāng)前混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)技術(shù)存在的問題和未來可能的研究方向.

1 混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料和用量

1.1 內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料

內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料是在混凝土中引入的一種養(yǎng)護(hù)劑，可在其內(nèi)部起到“蓄水池”的作用，需要滿足的一般要求包括：(1)熱力學(xué)效率，要求材料的水活度接近1，即平衡相對(duì)濕度接近100%；(2)傳輸效率，要求水能夠從“蓄水池”，即內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料，輸送到自干燥膠凝材料的各個(gè)部位[13].

目前，可用于混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)的材料包括：輕骨料(LWA)[14]，如浮石[15]、沸石[16]、膨脹頁(yè)巖[17]、珍珠巖[18]、再生骨料[19]、輕質(zhì)膨脹黏土(LECA)[20]、稻殼灰(RHA)[21]、煤底灰[22]、膨潤(rùn)土[23]和高吸水性樹脂(SAP)[24]等.根據(jù)吸水機(jī)理，內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料分為多孔材料和可物理吸附水材料2大類，多孔材料還可分為輕骨料和多孔超細(xì)粉體.不同類型內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的吸水機(jī)理及主要特點(diǎn)見表1.

表1 不同類型內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的吸水機(jī)理及主要特點(diǎn)

此外，內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的釋水性能(水分遷移速率和距離)直接影響混凝土內(nèi)部的相對(duì)濕度，進(jìn)而影響其減縮效果.王發(fā)洲等[25]比較了相同環(huán)境下SAP、黏土陶粒和頁(yè)巖陶粒的吸、釋水性能及內(nèi)養(yǎng)護(hù)效果，發(fā)現(xiàn)前兩者保水能力較好，釋水緩慢，而頁(yè)巖陶粒釋水較快，三者釋水速率的不同導(dǎo)致其對(duì)混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度下降過程的延緩效果不同.Akcay等[26]通過圖像研究了預(yù)濕浮石輕骨料在混凝土中的空間分布規(guī)律，得出其水分遷移距離為100μm.M?nnig[27]采用顯微鏡觀察了預(yù)吸水SAP的尺寸和影響范圍，發(fā)現(xiàn)其水分遷移距離為50～60μm.內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的水分遷移距離反映了內(nèi)養(yǎng)護(hù)水的分布情況.Assmann[28]認(rèn)為若內(nèi)養(yǎng)護(hù)水重分布過慢，則可利用性差，即使SAP顆粒處于半飽和狀態(tài)，自干燥也會(huì)發(fā)生，進(jìn)而引發(fā)自收縮.

1.2 內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料用量和引入水量

內(nèi)養(yǎng)護(hù)引入的水分可以改善混凝土內(nèi)部濕度環(huán)境，保證混凝土中膠凝材料充分水化，最大程度減少混凝土的自收縮.因此，內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料用量和引入水量對(duì)內(nèi)養(yǎng)護(hù)效果有重要影響.內(nèi)養(yǎng)護(hù)技術(shù)的關(guān)鍵是引入適量?jī)?nèi)養(yǎng)護(hù)水，即通過調(diào)節(jié)內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的摻量，來控制混凝土自收縮.例如，Zhutovsky等[29]通過控制輕骨料的粒徑和孔隙率，在輕骨料摻量盡量少的前提下獲得了高效的內(nèi)養(yǎng)護(hù)體系，減少了自收縮.孔祥明等[30]開展了SAP摻量對(duì)減少混凝土自收縮效果的研究，發(fā)現(xiàn)SAP摻量與內(nèi)養(yǎng)護(hù)效果密切相關(guān).Cusson等[17]研究表明當(dāng)內(nèi)養(yǎng)護(hù)水膠比mWic/mB(內(nèi)養(yǎng)護(hù)水與膠凝材料質(zhì)量之比)為0.06時(shí)，混凝土1d后出現(xiàn)微小膨脹，即能完全消除早期自收縮，7d內(nèi)自收縮顯著減少；7d時(shí)混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度(RH)仍然能達(dá)到96%，與飽水(RH=98%)養(yǎng)護(hù)的狀態(tài)相近.根據(jù)內(nèi)養(yǎng)護(hù)引入額外水補(bǔ)償水泥漿體化學(xué)收縮的原理，Bentz等[31]提出了內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料用量的計(jì)算公式：

(1)

式中：MLWA為內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料用量，kg；MC為水泥用量，kg；CS為化學(xué)收縮；αmax為最大水化程度；φLWA為內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的吸水率；S為內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的飽水程度.

2 混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)理論基礎(chǔ)

Powers等[4]基于對(duì)硬化水泥漿體中水蒸氣吸附等溫線和化學(xué)結(jié)合水的綜合研究，提出了硬化水泥漿體相體積分布經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，即Powers模型.該模型可以定量計(jì)算水泥基材料的體積組成，將水泥漿體中的水分為化學(xué)結(jié)合水(非蒸發(fā)水)、凝膠水(物理結(jié)合水)和毛細(xì)孔水(游離水).化學(xué)結(jié)合水是在水泥水化過程中，配合比中的一部分拌和水參與水化反應(yīng)而形成的；凝膠水是另一部分拌和水按照固定比例吸附在水化產(chǎn)物表面而形成的；毛細(xì)孔水則是拌和水中剩下的部分，以自由水的形式儲(chǔ)存在水泥石內(nèi)部毛細(xì)孔中.

如前所述，只有毛細(xì)孔水可以自由地用于水泥水化.當(dāng)毛細(xì)孔水用完時(shí)，水化作用明顯減慢.完全水化過程中，1.00g水泥可與約0.23g水進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，吸附0.19g凝膠水.因此，只有當(dāng)水膠比高于0.42(0.23+0.19)時(shí)，才有可能發(fā)生完全的水化反應(yīng)[5].若水膠比低于0.42，則由于滲透性差，傳統(tǒng)外部養(yǎng)護(hù)方法中的表面養(yǎng)護(hù)水難以有效滲透到其結(jié)構(gòu)的內(nèi)部區(qū)域而失去養(yǎng)護(hù)效果，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生較大自收縮.因此，為解決低水膠比混凝土自收縮引起的開裂問題，最合適的方法是從混凝土內(nèi)部提供水源進(jìn)行養(yǎng)護(hù).

3 混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用機(jī)理

3.1 混凝土自收縮產(chǎn)生的原因

隨著水泥水化的進(jìn)行，固體生成物不斷搭接，在水泥漿體內(nèi)部形成大小不同、亂向交錯(cuò)的毛細(xì)孔隙，同時(shí)水化產(chǎn)物固相體積逐漸增加，使得孔隙水的連通性被逐漸破壞(見圖1)[32]，從而形成水-空氣凹液面并導(dǎo)致混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度下降，發(fā)生自干燥現(xiàn)象，這一過程符合Kelvin定律.凹液面的存在會(huì)引起孔隙流體的拉應(yīng)力(符合Laplace定律)，進(jìn)而引發(fā)自收縮.

圖1 水泥漿體截面示意圖[32]Fig.1 Schematic representation of a cross-section of hydrating cement paste[32]

自收縮產(chǎn)生機(jī)理主要有毛細(xì)孔張力、表面張力和分離壓力等，下面將逐一展開討論.

3.1.1毛細(xì)孔張力

一般在中高相對(duì)濕度(RH>45%)條件下，毛細(xì)孔張力對(duì)自收縮的產(chǎn)生起主要作用.隨著水泥水化的進(jìn)行，游離水逐漸減少，內(nèi)部相對(duì)濕度降低.硬化后的水泥漿體中會(huì)形成大量的孔隙，孔隙水飽和度下降.孔隙內(nèi)凹表面受到內(nèi)部壓力(P)作用.為了使凹面處于平衡狀態(tài)，毛細(xì)孔張力(σ)增加，產(chǎn)生自收縮[33]，原理如圖2所示.

圖2 毛細(xì)孔張力示意圖[33]Fig.2 Schematic diagram of capillary tension[33]

3.1.2水泥凝膠顆粒表面張力

表面張力理論認(rèn)為表面結(jié)合力的不平衡會(huì)產(chǎn)生表面自由能和表面張力.水泥凝膠顆粒吸收水分子會(huì)增大表面分子結(jié)合能，故吸水可減小其表面拉應(yīng)力[34]，即體系內(nèi)部相對(duì)濕度越低，表面張力作用越明顯.因此水泥漿體的體積膨脹和收縮是水泥凝膠顆粒表面張力變化的結(jié)果，提高相對(duì)濕度將導(dǎo)致水泥漿體體積膨脹，反之則收縮.然而，Powers[35]認(rèn)為表面張力機(jī)理引起的自收縮只占全部自收縮的一小部分，原因在于當(dāng)顆粒表面有2層或2層以上的吸附水時(shí)，可認(rèn)為顆粒表面已經(jīng)全部被水分子包圍，而條件是相對(duì)濕度要高于75%.但在產(chǎn)生自收縮階段，相對(duì)濕度通常不會(huì)降至75%以下[36].

3.1.3相鄰微粒間分離壓力

Ferraris等[37]發(fā)現(xiàn)依據(jù)毛細(xì)孔張力理論計(jì)算所得的收縮值小于實(shí)際值，結(jié)合相對(duì)濕度低于40%時(shí)收縮的連續(xù)性，引入了分離壓力的概念，認(rèn)為這種分離壓力是由相鄰微粒間的楔形吸水薄膜所產(chǎn)生的使微粒彼此分開的作用力.固體顆粒間的分離壓力是范德華力、雙層斥力和結(jié)構(gòu)力共同作用的結(jié)果.分離壓力隨相對(duì)濕度的變化而變化.當(dāng)相對(duì)濕度降低時(shí)，分離壓力也隨之降低，引起自收縮.

3.2 內(nèi)養(yǎng)護(hù)減縮機(jī)理

若混凝土與外界無水分交換，任何混凝土都會(huì)發(fā)生自干燥現(xiàn)象.混凝土凝結(jié)硬化期間，隨著水泥水化的進(jìn)行，毛細(xì)孔中的水分被利用，形成凹液面，水泥漿體內(nèi)部相對(duì)濕度降低，發(fā)生自干燥.隨著凹液面的產(chǎn)生，水泥漿體將受到毛細(xì)孔負(fù)壓作用，引發(fā)自收縮.

孔隙結(jié)構(gòu)，包括孔隙率、孔徑分布和孔隙形態(tài)，在水泥基材料自收縮過程中起著重要作用.孔隙連通性直接影響水分從飽和孔隙向非飽和孔隙的遷移，從而影響收縮的發(fā)展[38].SAP等內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的摻入，即內(nèi)養(yǎng)護(hù)水的引入會(huì)影響硬化水泥漿體的孔隙結(jié)構(gòu).例如，張珍林[39]通過研究預(yù)吸水SAP對(duì)混凝土孔隙率、孔徑分布及連通性、孔隙形貌的影響，發(fā)現(xiàn)通過SAP引入的額外內(nèi)養(yǎng)護(hù)水會(huì)增大混凝土總孔隙率，且內(nèi)養(yǎng)護(hù)水量越多，總孔隙率提高幅度越大；SAP的摻入也會(huì)增大凝膠孔、小毛細(xì)孔和大孔的含量，減小大毛細(xì)孔的體積，原因在于，SAP的摻入改變了漿體中內(nèi)養(yǎng)護(hù)水的分布狀態(tài).

內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料引入水會(huì)與混凝土毛細(xì)孔網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通，毛細(xì)孔中不會(huì)形成凹液面.而內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料可以根據(jù)周圍濕度變化，通過毛細(xì)孔作用，實(shí)現(xiàn)釋水.具體表現(xiàn)在：內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料中的水分在早期水化階段不參與水化反應(yīng)，當(dāng)水泥漿體與內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料之間存在濕度梯度時(shí)，內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料中的水分會(huì)被釋放出來，以補(bǔ)償水泥漿體的相對(duì)濕度損失，保證水化反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行.

釋水過程中，儲(chǔ)水的內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料將作為內(nèi)部“蓄水池”，其釋水動(dòng)力來源于內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料與水泥漿體毛細(xì)孔內(nèi)部的相對(duì)濕度差以及由此產(chǎn)生的毛細(xì)孔壓力差.在相對(duì)濕度差和毛細(xì)孔壓力差的推動(dòng)下，內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的水分向水泥漿體擴(kuò)散，這一過程符合Fick定律.而混凝土毛細(xì)孔中水的蒸氣壓受表面張力影響，并與混凝土中水分遷移密切相關(guān)，符合Laplace定律.由于混凝土孔隙中的水分總是由大孔遷移至小孔[40]，而通常內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料中孔的尺寸要大于水泥漿體中的毛細(xì)孔，因而內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料中的水將逐漸遷移至水泥漿體，實(shí)現(xiàn)內(nèi)養(yǎng)護(hù)，從而減少自收縮.

4 內(nèi)養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土性能的影響

4.1 內(nèi)養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土收縮的影響

混凝土的收縮分為早期和后期2個(gè)階段.第1階段(澆筑成型后24h內(nèi))定義為混凝土凝結(jié)硬化期間的收縮；第2階段是指超過24h后的收縮.這2個(gè)階段的收縮主要包括化學(xué)收縮、自收縮、干燥收縮、碳化收縮和熱收縮.隨著水泥水化的進(jìn)行，化學(xué)收縮和自收縮發(fā)生，在水泥漿體硬化過程中，絕對(duì)體積變化為化學(xué)收縮，表觀體積變化為水泥水化過程中的自收縮[32].干燥收縮是水泥基材料由于毛細(xì)水的損失而發(fā)生的變形.由于對(duì)碳化收縮和熱收縮的相關(guān)研究較少，本節(jié)重點(diǎn)總結(jié)分析了內(nèi)養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土化學(xué)收縮、自收縮和干燥收縮的影響.

4.1.1化學(xué)收縮

為減少化學(xué)收縮引起的自收縮，需引入額外的水來填充化學(xué)收縮留下的毛細(xì)孔[41].化學(xué)收縮取決于水泥的水化程度和輔助膠凝材料的反應(yīng)程度[42].Esteves[43]采用重量分析法研究了SAP對(duì)化學(xué)收縮的影響，發(fā)現(xiàn)加入SAP增加了化學(xué)收縮.與SAP相似，預(yù)濕輕骨料也會(huì)增加化學(xué)收縮.原因在于，隨著內(nèi)養(yǎng)護(hù)水的釋放，有效水膠比增加，促進(jìn)了水泥水化，化學(xué)收縮增大[44].因此，由式(1)得出的內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料用量對(duì)應(yīng)的內(nèi)養(yǎng)護(hù)水量低于實(shí)際值.

4.1.2自收縮

Lura[45]發(fā)現(xiàn)，高強(qiáng)混凝土早期體積變化最顯著的是自收縮，也稱自干縮.關(guān)于“自收縮”的定義，1940年Davis[46]提出：自收縮是因其內(nèi)部自身的物理化學(xué)變化而引發(fā)的體積變形.

預(yù)濕輕骨料減縮效果良好，可降低開裂風(fēng)險(xiǎn).Bentur等[20]研究表明，當(dāng)細(xì)輕骨料替代量達(dá)到25%時(shí)，可完全消除混凝土自收縮.由于輕骨料的替代量與輕骨料的孔隙結(jié)構(gòu)和吸水率密切相關(guān)，可以通過優(yōu)化輕骨料的粒徑和孔隙率來實(shí)現(xiàn)用最少量的輕骨料達(dá)到有效內(nèi)養(yǎng)護(hù)的效果[47].韓松等[3]研究了粗輕骨料內(nèi)養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土早期抗裂性能的影響，發(fā)現(xiàn)飽水陶?？梢愿纳颇z凝材料水化環(huán)境，顯著降低混凝土早期自收縮，減緩開裂.Zhutovsky等[29]發(fā)現(xiàn)細(xì)輕骨料比粗輕骨料更能有效保證混凝土內(nèi)部養(yǎng)護(hù)水的充分分布.當(dāng)輕骨料粒徑減小時(shí)，其在基體中的分布更加均勻，有利于水泥漿體的內(nèi)養(yǎng)護(hù).

高吸水性樹脂(SAP)作為內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑也具有顯著的減縮效果，可以降低混凝土早期自收縮的發(fā)展速度，延緩開裂.SAP的用量和水飽和狀態(tài)對(duì)混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)效率具有重要作用.孔祥明等[30]通過控制預(yù)吸水SAP用量，使額外引入水量分別為水泥質(zhì)量的5%和10%，發(fā)現(xiàn)預(yù)吸水SAP對(duì)高強(qiáng)混凝土自收縮有明顯的減縮作用，14d自收縮減縮率可達(dá)90%以上.此外，SAP減少自收縮的有效性與SAP的粒徑有關(guān).Lura等[48]發(fā)現(xiàn)較大粒徑的SAP吸水性更好，對(duì)減少自收縮有良好的效果.然而，當(dāng)SAP引入水量導(dǎo)致內(nèi)養(yǎng)護(hù)水膠比mWic/mB過大時(shí)，會(huì)過度增加總水膠比mWt/mB(混凝土拌和自由水及額外引入水的總量與膠凝材料質(zhì)量的比值)，對(duì)混凝土強(qiáng)度等性能產(chǎn)生負(fù)面影響.Huang等[49]建議通過考慮SAP的粒徑和用量將mWic/mB控制在合理范圍內(nèi).

4.1.3干燥收縮

增加輕骨料含水量可以降低干燥收縮速率，但并不能完全阻止干燥收縮.魏亞等[50]認(rèn)為輕骨料對(duì)減少干燥收縮作用不大，因?yàn)樘幱诟稍锃h(huán)境中時(shí)，混凝土可能存在明顯的內(nèi)部濕度梯度和表面干燥現(xiàn)象.

SAP對(duì)混凝土干燥收縮的影響與輕骨料不同，對(duì)給定的有效水膠比mWe/mB(混凝土拌和時(shí)自由水與膠凝材料質(zhì)量的比值，不包括額外引入水)，加入SAP增加了混凝土的干燥收縮[51].但在相同總水膠比條件下，干燥收縮隨著SAP用量的增加而減小，Assmann等[52]也得到了一致的結(jié)論.關(guān)于干燥收縮增加的原因，Ma等[53]認(rèn)為可能是因?yàn)榛炷帘砻嫒菀资瑢?dǎo)致表面與內(nèi)部存在濕度差，從而導(dǎo)致干燥收縮增加.

但關(guān)于加入輕骨料和SAP對(duì)干燥收縮的影響，部分學(xué)者仍存在爭(zhēng)議，M?nnig等[54]發(fā)現(xiàn)加入輕骨料和SAP會(huì)降低干燥收縮.

4.2 內(nèi)養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的加入，在改善混凝土收縮特性的同時(shí)，也會(huì)影響混凝土的力學(xué)性能.

4.2.1強(qiáng)度

關(guān)于輕骨料內(nèi)養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，許多學(xué)者作了相關(guān)研究.Bentur等[20]通過對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，輕骨料會(huì)降低內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土7d強(qiáng)度，但對(duì)28d強(qiáng)度影響很小.早期強(qiáng)度降低原因可能是輕骨料的強(qiáng)度低于普通骨料，此外預(yù)濕輕骨料會(huì)釋放額外的水，增大了混凝土總水膠比，這些都會(huì)對(duì)強(qiáng)度造成不利影響.但也有學(xué)者得到了不同結(jié)果，Bentz[55]研究了水膠比為0.35的砂漿試件發(fā)現(xiàn)，輕骨料砂漿試件的長(zhǎng)期(28d及以后)抗壓強(qiáng)度比普通砂漿試件提高了10%.原因在于飽水輕骨料保持了水泥漿體在水化過程中的內(nèi)部濕度，減小了自干燥應(yīng)力，長(zhǎng)期水化作用增強(qiáng).Mousa等[57]采用3種摻量的飽水輕骨料研究了內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)其28d抗壓強(qiáng)度均高于普通混凝土，作者認(rèn)為這是由于飽水輕骨料的內(nèi)養(yǎng)護(hù)效果促進(jìn)了水泥的水化反應(yīng)，減少了混凝土內(nèi)部孔隙，骨料和漿體之間的黏結(jié)力有所增加.

SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響與輕骨料略有不同.胡曙光等[58]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SAP作為內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑時(shí)，其摻量是影響混凝土抗壓強(qiáng)度的主要因素，當(dāng)SAP摻量不超過膠凝材料總質(zhì)量的0.5%時(shí)，對(duì)抗壓強(qiáng)度基本沒有影響；超過0.5%時(shí)，抗壓強(qiáng)度明顯下降.原因可能是：(1)摻入較多SAP后，會(huì)引入大量額外水，過度增加總水膠比，降低混凝土抗壓強(qiáng)度[11]；(2)SAP釋水發(fā)揮內(nèi)養(yǎng)護(hù)效果后體積縮小，會(huì)在混凝土內(nèi)部留下較大孔洞(大于200μm)，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)不再密實(shí).此時(shí)，SAP可看作引氣組分，等同于將大量氣泡引入混凝土，因而會(huì)削弱混凝土抗壓強(qiáng)度[59].但SAP對(duì)抗壓強(qiáng)度的負(fù)面影響并非絕對(duì)，Mignon等[60]將海藻酸生物聚合物材料用于內(nèi)養(yǎng)護(hù)，發(fā)現(xiàn)其可以降低砂漿自收縮，但未對(duì)強(qiáng)度造成不利影響.

4.2.2彈性模量

關(guān)于內(nèi)養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土彈性模量的影響，目前較一致的結(jié)論是內(nèi)養(yǎng)護(hù)會(huì)對(duì)彈性模量造成不利影響.Zhutorsky等[29]研究了水膠比為0.21、0.25、0.33的飽水輕骨料內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土的動(dòng)、靜彈性模量，發(fā)現(xiàn)相比于普通混凝土，其28d動(dòng)彈性模量降低幅度為6.6%、18.3%、19.2%，靜彈性模量降幅更大.Craeye等[11]研究了飽水輕骨料內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土的彈性模量，發(fā)現(xiàn)其28d彈性模量降低，但降低幅度要小于抗壓強(qiáng)度的降低幅度.

5 結(jié)論

(1)內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料根據(jù)吸水機(jī)理分為可物理吸附水材料和多孔材料.內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的釋水性能(水分遷移速率和距離)直接影響混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度，進(jìn)而影響減縮效果.內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料用量和引入水量對(duì)內(nèi)養(yǎng)護(hù)效果有重要影響.

(2)Powers模型可定量計(jì)算水泥基材料的體積組成，將水泥漿體中的水分為化學(xué)結(jié)合水、凝膠水和毛細(xì)孔水，并指出水膠比大于0.42是水泥完全水化的條件.解決低水膠比混凝土自收縮問題最合適的方法是從混凝土內(nèi)部提供水源養(yǎng)護(hù)，這是內(nèi)養(yǎng)護(hù)技術(shù)的理論基礎(chǔ).

(3)自收縮產(chǎn)生機(jī)理主要有毛細(xì)孔張力、表面張力和分離壓力等.混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)的減縮機(jī)理在于引入儲(chǔ)水材料，隨著膠凝材料水化的進(jìn)行，內(nèi)部相對(duì)濕度降低，毛細(xì)孔張力增加，促使內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料水分釋放，為混凝土提供額外養(yǎng)護(hù)水，補(bǔ)償相對(duì)濕度損失，從而減少自收縮.

(4)內(nèi)養(yǎng)護(hù)水的釋放會(huì)增加后期水泥水化程度和化學(xué)收縮，有效降低混凝土的自收縮.內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的種類、含量、粒徑等都會(huì)影響內(nèi)養(yǎng)護(hù)的效果.內(nèi)養(yǎng)護(hù)對(duì)干燥收縮的影響與引入的額外水量有關(guān)，但對(duì)干燥收縮的影響規(guī)律仍需進(jìn)一步研究.

(5)輕骨料內(nèi)養(yǎng)護(hù)方式會(huì)降低混凝土早期強(qiáng)度，而對(duì)后期強(qiáng)度影響很小或有所提高.SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)會(huì)對(duì)強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響.輕骨料和SAP的種類、含量和粒徑都會(huì)對(duì)混凝土強(qiáng)度帶來不同影響效果.此外，內(nèi)養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土彈性模量也會(huì)造成不利影響.

6 展望

(1)內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料對(duì)減少混凝土早期自收縮有顯著效果，但后期若引入水基本釋放完全或剩余引入水無法有效釋放，將顯著增加收縮應(yīng)力，對(duì)后期收縮難以發(fā)揮有效的限制作用，這有待于進(jìn)一步研究.

(2)有關(guān)內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土宏觀性能的研究已取得較大進(jìn)展，而對(duì)混凝土微觀性能的研究不夠深入，如內(nèi)養(yǎng)護(hù)對(duì)骨料和膠凝材料界面過渡區(qū)性能的改善和影響程度仍需深入研究.

(3)混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)效果評(píng)價(jià)目前尚無統(tǒng)一的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，可以考慮從普通混凝土養(yǎng)護(hù)效果評(píng)價(jià)手段出發(fā)，結(jié)合內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土自身特點(diǎn)，選取力學(xué)、耐久性能及其他指標(biāo)，對(duì)混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)效果評(píng)價(jià)開展進(jìn)一步研究.

(4)針對(duì)不同類型輕骨料的吸水、釋水性能，還缺少定量化的計(jì)算方法，可系統(tǒng)研究各類輕骨料的孔隙結(jié)構(gòu)和粒徑分布等因素對(duì)吸水、釋水特性的影響規(guī)律，并建立其與時(shí)間、相對(duì)濕度之間的定量關(guān)系.

(5)SAP的吸水、釋水特性是影響其內(nèi)養(yǎng)護(hù)效果的重要因素，需進(jìn)一步研究SAP在混凝土中的吸水、釋水動(dòng)力學(xué)機(jī)理，飽和度與內(nèi)養(yǎng)護(hù)水利用效率的關(guān)系以及粒徑與水分遷移距離的關(guān)系等問題.此外，SAP應(yīng)用到實(shí)際工程，還需解決施工過程中如何保證其分子結(jié)構(gòu)、性能不變以及與水泥基材料的匹配性問題.