CA-SR混凝土養(yǎng)護(hù)劑對混凝土 早期開裂與收縮性能的影響研究

王軍，龐二波

（1. 明陽智慧能源集團(tuán)股份公司，廣東 中山 528437；2. 中建商品混凝土有限公司，湖北 武漢 430080）

0 前言

養(yǎng)護(hù)是獲得高質(zhì)量混凝土的重要環(huán)節(jié)，如果養(yǎng)護(hù)不到位，新澆混凝土表面易受到外界諸多因素的影響產(chǎn)生應(yīng)力變形而造成結(jié)構(gòu)開裂。它不僅影響混凝土強(qiáng)度的發(fā)展，而且影響著混凝土的耐久性，特別是影響著表面層混凝土的性能[1]。市面上質(zhì)量較好養(yǎng)護(hù)劑，雖然養(yǎng)護(hù)機(jī)理存在差異，但最終都是在混凝土表層或表面形成致密膜層，封堵孔隙，通過減小水分損失實(shí)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)目的[2]，因而從理論上來說是具有一定的防開裂和減縮功能的，但具備這些性能的產(chǎn)品較少[3-5]。當(dāng)混凝土受到來自混凝土自身、應(yīng)力約束和收縮作用產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。高效養(yǎng)護(hù)劑除了要有較高的保水率、抗壓強(qiáng)度比外，還應(yīng)具備一定的防開裂和減縮性能，才能更好地滿足實(shí)際工程需要。本文運(yùn)用有機(jī)物及其它助劑對無機(jī)基體進(jìn)行改性，研制出 CASR 養(yǎng)護(hù)劑，為進(jìn)一步研究其養(yǎng)護(hù)效果，對噴灑后混凝土的早期開裂和收縮性能進(jìn)行了探討，為推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)用原材料

自制 CA-SR 高效養(yǎng)護(hù)劑：非薄膜類養(yǎng)護(hù)劑，通過滲透反應(yīng)形成剛性膜層，滲入的組分進(jìn)入混凝土表層參與水泥水化反應(yīng)生成增強(qiáng)物質(zhì)，致密表層結(jié)構(gòu)，并與水泥水化產(chǎn)物很好地交聯(lián)起來，形成與混凝土親和性好的剛性致密隔水層，封堵表面孔隙阻止水分散發(fā)。其物理性能見表 1。

表1 CA-SR 高效養(yǎng)護(hù)劑物理性能

華新 P·O42.5 水泥；武漢陽邏電廠 Ⅰ級粉煤灰；武漢武新 S95 礦粉；中建商品混凝土有限公司研制的新型摻合料 TH 粉，D50＝2.82μm，碎石：5～31.5mm、5～26.5mm 石灰?guī)r碎石，級配一般，含泥量 1.1%，壓碎指標(biāo) 10%，針片狀含量 9%；卵石：5～31.5mm，級配一般，含泥量 1.6%；砂：細(xì)度模數(shù) 2.2～2.6，含泥量 2.7%；聚羧酸減水劑：緩凝型，中建新型建材廠生產(chǎn)，固含量 10%、20%；自來水。

1.2 養(yǎng)護(hù)劑的施工方法

試驗(yàn)采用噴壺進(jìn)行噴灑作業(yè)，噴灑時(shí)噴嘴距離混凝土表面 20～50cm，分二次均勻噴灑，待一次作業(yè)初步成膜后，與第一次的噴灑方向垂直進(jìn)行第二次噴灑，完畢后及時(shí)清洗噴嘴以免堵塞，方便進(jìn)行下次操作。噴灑的時(shí)間宜控制在混凝土終凝以前，待混凝土表層收光后進(jìn)行。

1.3 試驗(yàn)方法

養(yǎng)護(hù)劑物理性能測試參考 JC 901—2002《水泥混凝土養(yǎng)護(hù)劑》進(jìn)行。由于本產(chǎn)品非薄膜養(yǎng)護(hù)劑，對成膜時(shí)間、膜層浸水溶解性和耐熱性評價(jià)方法進(jìn)行了改進(jìn)，即將養(yǎng)護(hù)劑噴灑在混凝土表面上，噴灑時(shí)間為水泥初凝至終凝時(shí)，觀察成膜時(shí)間，待成膜后，分別用水浸泡和放置 65℃ 烘箱中，觀察其浸水溶解性和耐熱性；養(yǎng)護(hù)劑力學(xué)性能測試參考 JC 901—2002 和 GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，收縮和抗裂性能參考 GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》和 CCES 01—2004《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》進(jìn)行。養(yǎng)護(hù)劑試驗(yàn)噴灑量均為 250g/m2。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 CA-SR 養(yǎng)護(hù)劑對高強(qiáng)混凝土抗裂性的影響

參考日本笠井方夫教授提出的測試方法，采用相同混凝土配合比制成平板約束試件，對比相同養(yǎng)護(hù)條件下混凝土測試試樣收縮過程中出現(xiàn)開裂的時(shí)間、裂縫長度、寬度、數(shù)量等隨時(shí)間的變化，用來評價(jià)本產(chǎn)品對該養(yǎng)護(hù)條件下混凝土的抗裂性能。

試驗(yàn)分別在室內(nèi)（溫度 28～33℃，濕度 40%～ 60%）和室外暴曬（溫度 30～37℃，濕度 40%～70%）條件下進(jìn)行，混凝土坍落度均控制在 (180±20)mm，配合比選用某大型橋梁工程生產(chǎn)配合比，見表 2。試驗(yàn)時(shí)按同一配合比進(jìn)行拌制并同時(shí)澆筑入模，平板鋼模試件尺寸 600mm×600mm×63mm，每種養(yǎng)護(hù)環(huán)境下各成型 2 塊，一塊不噴灑養(yǎng)護(hù)劑，做空白基準(zhǔn)，另一塊噴灑 CA-SR?？瞻讟雍蜏y試試樣均同時(shí)在二次收光后進(jìn)行試驗(yàn)，二次收光時(shí)間控制在混凝土初凝前，從養(yǎng)護(hù)劑噴灑后開始計(jì)時(shí)。2d 后的試驗(yàn)結(jié)果見表 3，養(yǎng)護(hù)劑成膜與養(yǎng)護(hù)效果對比見圖 1～3。

表2 混凝土配合比

表3 高強(qiáng)混凝土 2d 平板開裂試驗(yàn)結(jié)果

從表 3 中可知，由于開裂試驗(yàn)環(huán)境均高于 CCES 01—2004 要求，室內(nèi)和室外暴曬下的空白樣均出現(xiàn)了明顯的裂縫，暴曬下的裂縫更多更長且開裂時(shí)間更早；而噴灑 CA-SR 養(yǎng)護(hù)劑后，兩種養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，2d 均無裂縫產(chǎn)生，具有很好的防裂效果，膜層致密堅(jiān)硬。圖 1 為完全成膜后的外觀狀況，白色物質(zhì)為養(yǎng)護(hù)劑中的成膜組分與水泥水化產(chǎn)物及表層硅氧鍵結(jié)合后的交聯(lián)產(chǎn)物，待膜層完全干燥后開始形成，1d 后顏色不再發(fā)生變化。該膜層與表層親合力強(qiáng)，致密度高，憎水性好。圖 2 為在膜層上灑水進(jìn)行的防水測試，表層上水珠不浸潤，防水性較好。即使經(jīng)大雨沖刷，膜層仍然完好，待膜層上水分蒸發(fā)后，灑水測試結(jié)果仍為不浸潤，膜層具有優(yōu)異的耐浸水溶解性。

圖1 室外暴曬 C60 CA-SR 噴灑后 2 天開裂情況

圖2 CA-SR 噴灑后表層防水情況

2.2 CA-SR 養(yǎng)護(hù)劑對低強(qiáng)混凝土抗裂性的影響

為進(jìn)一步驗(yàn)證該產(chǎn)品的防裂效果，我們在室外暴曬條件下選用 C35 全卵石混凝土再次進(jìn)行平板開裂試驗(yàn)，并與某公司生產(chǎn)的高分子乳白色養(yǎng)護(hù)劑（BT-201，固含量 78.56%）進(jìn)行對比，混凝土取自實(shí)際生產(chǎn)，坍落度 (200±20)mm，配合比為：水泥∶粉煤灰∶礦粉∶卵石∶砂∶水∶減水劑＝1:0.579:0.316:5.684:4.21:0.842:0.038。BT-201 的噴灑時(shí)間及噴灑量與 CA-SR 一致，所有試樣均同時(shí)在二次收光后進(jìn)行試驗(yàn)，其它試驗(yàn)過程同 3.1。2d 后的試驗(yàn)結(jié)果見表 4。

從表 4 中可知，由于低強(qiáng)混凝土的用水量高，干燥收縮較大，在應(yīng)力約束下，因塑性收縮導(dǎo)致開裂的機(jī)率較高強(qiáng)混凝土大。加上卵石顆粒表面光滑，與水泥石結(jié)構(gòu)粘接力低于碎石，采用全卵石配制的 C35 混凝土在暴曬條件下更易開裂。試驗(yàn)中空白樣在二次收光后40min 就出現(xiàn)明顯裂縫，并呈網(wǎng)狀向四周不斷擴(kuò)展，裂縫普遍較長；噴灑 BT-201 養(yǎng)護(hù)劑的 1h 出現(xiàn)明顯裂縫，并呈直線擴(kuò)展，裂縫長短不一；噴灑 CA-SR 養(yǎng)護(hù)劑的 2d 內(nèi)均無裂縫產(chǎn)生，顯示了很好的抗裂效果。

圖3 室外暴曬 C60 空白樣開裂情況

表4 C35 混凝土暴曬條件下 2d 平板開裂試驗(yàn)結(jié)果

2.3 噴灑時(shí)間對養(yǎng)護(hù)效果影響

噴灑時(shí)間是影響?zhàn)B護(hù)劑在實(shí)際施工及不同結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的重要性能。高分子乳液類養(yǎng)護(hù)劑的噴灑時(shí)間若控制不當(dāng)易造成表層強(qiáng)度損害或膜層龜裂等不利現(xiàn)象，影響組分養(yǎng)護(hù)效果的發(fā)揮[7]，因此 JC 901—2002 中的建議噴灑時(shí)間為用手輕觸表面無水份的時(shí)刻。本產(chǎn)品的養(yǎng)護(hù)機(jī)理與薄膜類的養(yǎng)護(hù)劑不同，我們在室外暴曬條件下選取了三個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，即成型不久后（表面泌水，T1）、初凝至終凝間（用手輕觸無水分，T2）、終凝后（T3），探討不同噴灑時(shí)間對成膜性能、強(qiáng)度的影響。同時(shí)選取了某公司生產(chǎn)的乳液型 201 養(yǎng)護(hù)劑進(jìn)行對比（BT2，噴灑時(shí)間同 T2）。為減小試驗(yàn)誤差，每齡期試塊均成型 2 組，混凝土為實(shí)際生產(chǎn)的 C40 混凝土。其成膜性能見表 5。

從表 5 中可知，隨著噴灑時(shí)間的延長，成膜時(shí)間也越長，終凝前噴灑對膜層外觀影響不大。成膜時(shí)間與噴灑前混凝土表層的致密程度密切相關(guān)，表層越致密，相應(yīng)的滲透阻力也越大，進(jìn)而影響組分的反應(yīng)成膜速度；BT2 的成膜速度也較快，膜層致密，但遇水后易溶脹變色，降低膜層耐磨性。

表5 自制養(yǎng)護(hù)劑各噴灑時(shí)間與養(yǎng)護(hù)劑的成膜性能

表6 和圖 4 和圖 5 為各齡期的抗壓強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度比情況，圖中 K、W 分別為同養(yǎng)和標(biāo)養(yǎng)下的不噴灑養(yǎng)護(hù)劑的試塊，所測試的試塊均為同條件帶模養(yǎng)護(hù)直至進(jìn)行強(qiáng)度檢測（標(biāo)養(yǎng)的對比試件除外）。可以看出，受溫度的影響，各測試試塊的早期強(qiáng)度提高很快，后期強(qiáng)度增長幅度較小，各齡期噴灑的強(qiáng)度均高于同養(yǎng)、且不低于標(biāo)養(yǎng)。7d 時(shí)，T1、T2、T3 和 BT2 的強(qiáng)度相當(dāng)，其抗壓強(qiáng)度比均達(dá)到 106%；28d 時(shí)，T1、T2 的強(qiáng)度均高于標(biāo)養(yǎng)的，抗壓強(qiáng)度比分別達(dá)到 113%、116%，而 T3 和 BT2 的強(qiáng)度與標(biāo)養(yǎng)的相當(dāng)，抗壓強(qiáng)度比分別達(dá)到 106%、108%。

表6 養(yǎng)護(hù)劑噴灑時(shí)間對混凝土力學(xué)性能的影響

圖4 7d 抗壓強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度比

圖5 28d 抗壓強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度比

由此可知，本產(chǎn)品各時(shí)間點(diǎn)噴灑的養(yǎng)護(hù)效果較好，可施工性較靈活，終凝前噴灑養(yǎng)護(hù)效果要好于 BT2。終凝后噴灑雖出現(xiàn)少量細(xì)小的裂紋，但強(qiáng)度情況較好，說明本產(chǎn)品具有較好的滲透反應(yīng)和水分抑制能力，能一定程度阻止或自愈合微裂縫的發(fā)展。不足之處是成膜時(shí)間偏長，不利實(shí)際施工。因此本產(chǎn)品的噴灑時(shí)間控制在終凝之前最佳。

2.4 CA-SR 養(yǎng)護(hù)劑對高強(qiáng)混凝土收縮性能的影響

養(yǎng)護(hù)劑是一種特殊的表面涂層材料，其對混凝土的收縮控制作用本質(zhì)上來源于對水分抑制作用。為進(jìn)一步研究本產(chǎn)品在表層滲透反應(yīng)和快速成膜機(jī)理下的水分抑制能力，我們運(yùn)用非接觸法測試了三種不同養(yǎng)護(hù)方式下表 2 中 C60 配合比的收縮情況，以此來對其進(jìn)行側(cè)面評價(jià)。養(yǎng)護(hù)方式為：表面敞露、覆蓋薄膜、噴灑 CASR 養(yǎng)護(hù)劑。測試結(jié)果見圖 6。

從圖 6 中可看出，噴灑 CA-SR 養(yǎng)護(hù)劑后，整個(gè)測試齡期內(nèi)混凝土的收縮顯著降低。由于該配比使用的是緩凝型減水劑，15h 前為混凝土凝結(jié)硬化過程，48h 前產(chǎn)品組分快速滲透參與水化的反應(yīng)，形成的剛性致密表層有效地阻止了內(nèi)部水化散發(fā)，甚至早期形成的水化產(chǎn)物起到了一定的微膨作用，即使在水化反應(yīng)最劇烈的 48h 至 72h 期間，仍表現(xiàn)出很好的鎖水作用，達(dá)到了與覆膜養(yǎng)護(hù)相當(dāng)?shù)膬?yōu)異效果。由于混凝土內(nèi)部水分在水化早期階段得到有效抑制，3d、7d 收縮率僅為 25×10-6、75×10-6，分別為同條件自然敞露下的 1/12、1/16，7 天前的整體收縮率略優(yōu)于覆膜的，7 天后差于覆膜，但仍表現(xiàn)出較低的收縮率，約為自然敞露下的 1/2。

圖6 不同養(yǎng)護(hù)方式下的收縮對比

由于本產(chǎn)品不宜在完全硬化的表面噴涂，所測試的結(jié)果主要反映早期的自收縮和部分干縮的總體收縮情況，與混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)際收縮情況有一定的差異，但很好地解釋了噴灑 CA-SR 養(yǎng)護(hù)劑后帶模試件各齡期強(qiáng)度不低于同條件敞露養(yǎng)護(hù)的本質(zhì)原因，具有較高應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)論

（1）自制 CA-SR 高效養(yǎng)護(hù)劑，通過滲透反應(yīng)形成致密剛性憎水層封堵表層孔隙阻止水分散發(fā)，具有較好滲透養(yǎng)護(hù)、保水自養(yǎng)作用。噴灑量推薦 250g/m2。

（2）在混凝土膠凝組分劇烈反應(yīng)的 3 天齡期期間，本產(chǎn)品能有效抑制內(nèi)部水分散失，起到很好預(yù)防早期開裂的作用。對于噴涂本產(chǎn)品后的高低等級混凝土，無論是在室內(nèi)還是室外暴曬條件下，平板抗裂試驗(yàn)抗裂等級達(dá)到 Ⅰ 級水平。帶模養(yǎng)護(hù)時(shí)各齡期的強(qiáng)度均不低于標(biāo)養(yǎng)的。

（3）噴灑時(shí)間對本產(chǎn)品養(yǎng)護(hù)效果有不同程度影響，宜在混凝土終凝前進(jìn)行噴灑，不同噴灑時(shí)間對滲透反應(yīng)和成膜速度有明顯影響。對終凝前出現(xiàn)的微小裂縫，本產(chǎn)品能一定程度阻止或自愈合微裂縫的發(fā)展。

（4）本產(chǎn)品對混凝土早期收縮表現(xiàn)出優(yōu)異的效果，非接觸法測試的 3d、7d 收縮率僅為 25×10-6、75×10-6，分別為同條件自然敞露下的 1/12、1/16，7 天內(nèi)的收縮情況與全覆膜時(shí)相當(dāng)，7 天后的收縮率約為自然敞露下的 1/2。