內(nèi)養(yǎng)護(hù)高強(qiáng)混凝土自收縮性能研究

郭利霞 張芳芳 王明華，* 田 園 張亞楠

（1.華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，鄭州450045；2.河南省水環(huán)境模擬與治理重點(diǎn)試驗(yàn)室，鄭州450002；3.河北雄安新區(qū)管理委員會公共服務(wù)局，雄安新區(qū)071000）

0 引 言

高強(qiáng)混凝土具有早期易開裂、體積形態(tài)不穩(wěn)定等特點(diǎn)，對混凝土耐久性的影響是極為不利的［1］，其裂縫產(chǎn)生的原因中因外部荷載因素導(dǎo)致混凝土開裂的僅占混凝土總裂縫的20%左右，高強(qiáng)混凝土在初凝后，絕大部分結(jié)構(gòu)開裂原因可以歸因于自生體積變化及外部環(huán)境的影響［2］。高強(qiáng)混凝土比一般混凝土的密實(shí)程度更高，但其水膠比低導(dǎo)致孔隙率低，因此，從理論上來說，在高強(qiáng)混凝土中使用內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料可以有效減少混凝土裂縫的產(chǎn)生和開裂等問題［3］，其控制裂縫生成和減少自收縮效果將比在普通混凝土中使用更強(qiáng)。高吸水樹脂（SAP）具有吸水性強(qiáng)的特點(diǎn)，摻入SAP的高強(qiáng)混凝土，在混凝土水化前期，SAP吸收未參與水化的自由水，避免其流失，待水化蓄水量不足時釋放水，使水化繼續(xù)進(jìn)行。高強(qiáng)混凝土較之普通混凝土具有更低的水膠比，高強(qiáng)混凝土產(chǎn)生自收縮的主要因素是內(nèi)部濕度變化，而內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料SAP的引入可充分緩解水化期間混凝土內(nèi)部的干燥問題，從而影響其自收縮［4］。因此本文主要研究在預(yù)吸水條件下不同摻量SAP對混凝土強(qiáng)度和收縮量的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

選用鄭州天瑞水泥有限公司生產(chǎn)的425#普通硅酸鹽水泥，物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 水泥物理指標(biāo)Table 1 Cement physical index

礦物摻合料選?、窦壏勖夯易鳛樵囼?yàn)材料，其比表面積為455 m2/kg，技術(shù)性能指標(biāo)符合GB l596—1991《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》要求。硅灰為鄭州匯豐新材料公司生產(chǎn)，比表面積18 000 m2/kg；礦渣為高爐礦渣；粉煤灰、硅灰和礦渣主要化學(xué)成分見表2。

表2 膠凝材料的主要化學(xué)組成Table 2 The main chemical composition of cementing materials %

細(xì)骨料采用來自姚河產(chǎn)沙地河砂，粒徑0.35～0.5 mm。粗骨料選用5～20 mm連續(xù)級配的石灰?guī)r質(zhì)碎石。

混凝土拌合用水的質(zhì)量符合試驗(yàn)要求。減水劑為聚羧酸減水劑，摻量為膠凝材料用量的0.1%，其目的是增加混凝土和易性。不同實(shí)驗(yàn)組摻量一致，不影響混凝土本身配合比的用水量。

高吸水樹脂為60～100目（粒徑0.01～0.25 mm），吸水倍率最高可達(dá)1 300倍。

1.2 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)配合比

為了研究在不同預(yù)吸水量條件下內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料對高強(qiáng)混凝土收縮性能的影響，本試驗(yàn)采用表3配合比制備C60高強(qiáng)混凝土，水膠比定為0.34，表中SAP摻量是膠凝材料的百分含量。各組預(yù)吸水量為原有水量的5%、10%，預(yù)吸水量不參與水膠比的計算。內(nèi)養(yǎng)護(hù)水的引入從本質(zhì)上改變了原高強(qiáng)混凝土的水膠比，改變了混凝土孔隙結(jié)構(gòu)和密實(shí)度，所以設(shè)置HSC5-和HSC10-兩組試驗(yàn)，將內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料預(yù)濕（預(yù)濕水量從總水量中扣除），保持總水量不變。

表3 混凝土配合比設(shè)計Table 3 Mix proportion design of concrete

為避免膠凝材料提前吸收SAP內(nèi)的預(yù)吸水，采用二次攪拌工藝，首先將膠凝材料與60%的水加入攪拌機(jī)中攪拌1 min，然后將骨料、SAP與剩余水量加入攪拌機(jī)中，攪拌1 min，再添加減水劑，攪拌3 min。

1.3 試驗(yàn)規(guī)范

1.3.1 混凝土收縮試驗(yàn)

自收縮的測量在混凝土澆注成型后1 h開始，試驗(yàn)按照標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)》（GBJ 82—85）中的方法進(jìn)行。

1.3.2 SEM試驗(yàn)

本次試樣取自于受壓破壞以后的整體碎塊，且為隨機(jī)取樣。試樣尺寸小于l cm，且要求式樣表面較平整，試驗(yàn)前噴金處理，噴涂厚度200～300 A。置于JSM-6510LV掃描電鏡下。試驗(yàn)主要從混凝土表面和界面過渡區(qū)（ITZ）兩個角度對添加了SAP的混凝土進(jìn)行研究與分析。試驗(yàn)所用放大倍數(shù)為1 000～5 000倍。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 預(yù)吸水SAP對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

表4是各組試塊在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d條件下的抗壓強(qiáng)度值。由表得出抗壓強(qiáng)度大?。篐SC10

表4 內(nèi)養(yǎng)護(hù)高強(qiáng)混凝土28 d抗壓強(qiáng)度Table 4 Inner curing high strength concrete 28 days compressive strength

SAP的摻入一方面使高強(qiáng)混凝土水化更充分，另一方面內(nèi)養(yǎng)護(hù)水釋放后產(chǎn)生的孔洞也會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生消極影響。在低水膠比的高強(qiáng)混凝土中，這兩種效應(yīng)相互交織更加明顯［7］。試驗(yàn)結(jié)果表明，SAP摻入形成的孔洞造成的混凝土強(qiáng)度降低超過了其內(nèi)養(yǎng)護(hù)效應(yīng)引起的強(qiáng)度增加。這些結(jié)果與其他學(xué)者在研究中的觀察結(jié)果相當(dāng)［8-9］。因此，在使用SAP對高強(qiáng)混凝土的收縮量進(jìn)行控制時，必須考慮SAP對高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的影響。

2.2 預(yù)吸水SAP對混凝土收縮量的影響

為了解SAP對摻硅灰混凝土早期性能的影響，根據(jù)規(guī)范進(jìn)行試驗(yàn)，測量不同摻量SAP對各組混凝土試塊早期收縮性能的影響。試驗(yàn)探究了3 d齡期內(nèi)的混凝土收縮值，測定SAP對內(nèi)養(yǎng)護(hù)高強(qiáng)混凝土自收縮的影響。不同飽和度SAP對HSC自收縮的影響見圖1，總水量不變條件下SAP對自收縮的影響見圖2。

圖1 不同飽和度SAP對HSC自收縮的影響Fig1 The effect of SAP of different saturation on HSC self-shrinking

圖2 總水量不變條件下SAP對自收縮的影響Fig 2 The effect of SAP on self-shrinkage under the condition of constant total water volume

由圖1可知，在1 d齡期以內(nèi)，高強(qiáng)混凝土的收縮率較大，其原因主要是因?yàn)榛炷晾^續(xù)水化導(dǎo)致的混凝土體積變化。在1 d齡期以后，高強(qiáng)混凝土基本呈現(xiàn)穩(wěn)定的線性收縮狀態(tài)。這是由于混凝土內(nèi)部干濕環(huán)境逐漸變化，從而影響了混凝土自收縮。在高強(qiáng)混凝土前期快速收縮停止以后，SAP快速釋水對內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行補(bǔ)充，使水化反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。

水化生成的鈣礬石、游離MgO水化以及反應(yīng)放出的水化熱都會使混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生膨脹，但以上兩點(diǎn)并不會彌補(bǔ)化學(xué)收縮，因此收縮繼續(xù)進(jìn)行［7］。

在1 d齡期以后，試驗(yàn)組與對照組的收縮呈現(xiàn)線性變化，說明了此階段水化反應(yīng)穩(wěn)定進(jìn)行，試驗(yàn)組收縮速率較對照組低，說明SAP的摻入對減小高強(qiáng)混凝土的自收縮起到了關(guān)鍵作用。這與已有研究［10］SAP可以通過增大同齡期混凝土的內(nèi)部相對濕度以減小混凝土自收縮及干燥收縮產(chǎn)生的影響相一致。由圖2可知，在總水量確定的條件下，收縮率：HSC10-

綜合考慮上述試驗(yàn)結(jié)果，推薦SAP摻量為膠凝材料的0.1%，預(yù)吸水量為拌合水量的5%，同時添加聚羧酸減水劑可在基本不影響強(qiáng)度變化的基礎(chǔ)上極大提高高強(qiáng)混凝土的體積穩(wěn)定性。

2.3 內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土的微觀性能及機(jī)理分析

為了從微觀層面研究SAP對高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度和收縮量變化的影響，試驗(yàn)采用SEM電鏡掃描儀對不同試驗(yàn)組養(yǎng)護(hù)28 d的試塊進(jìn)行1 000倍、3 000倍、5 000倍的放大觀測。從電鏡掃描圖中選取以下幾張圖片，從微觀角度分析SAP對高強(qiáng)混凝土自收縮和抗壓強(qiáng)度的影響。28 d SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土SEM微觀圖見圖3。

圖3為28 d SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土SEM微觀圖。由圖3可以得知，HSC組與其他組，局部的黑色陰影更多，這是未完全反應(yīng)的水泥熟料在電鏡下的表現(xiàn)。HSC組水化不均勻，與添加SAP的各組相比，HSC組混凝土一旦產(chǎn)生裂縫，其裂縫寬度更大、貫穿性更強(qiáng)，理論上這將減小高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度，但添加SAP的組在SEM掃描條件下可以看到較多的微小孔洞，這對高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度影響影響也是不利的。

由圖3可以得知，結(jié)構(gòu)致密性：HSC10->HSC5->HSC10>HSC5>HSC，這說明內(nèi)養(yǎng)護(hù)水的引入可以改善高強(qiáng)混凝土的孔結(jié)構(gòu)和內(nèi)部環(huán)境。未加入內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的混凝土結(jié)構(gòu)由于在水泥漿硬化階段自身相對濕度的減小，會產(chǎn)生大量的微小裂隙，內(nèi)養(yǎng)護(hù)水的引入，使得混凝土生成較多的單硫型水化硫鋁酸鈣（Afm）。當(dāng)Afm生成時，原有的塊狀疏松形態(tài)轉(zhuǎn)化為密實(shí)度較高的棒、團(tuán)簇狀交疊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。Afm的生成是混凝土充分水化反應(yīng)的表現(xiàn)，Afm生成物能夠填補(bǔ)混凝土的裂縫和孔隙，宏觀上減小高強(qiáng)混凝土的自收縮；但高強(qiáng)混凝土本身密實(shí)性較強(qiáng)，水化導(dǎo)致的自生體積的增加將使其內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫，從而導(dǎo)致內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土強(qiáng)度的降低，宏觀上表現(xiàn)為高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度的減小。綜上分析可以得到，內(nèi)養(yǎng)護(hù)水的摻入對高強(qiáng)混凝土的影響具有兩面性，一方面可以改善混凝土內(nèi)部干濕環(huán)境使高強(qiáng)混凝土充分水化，這將填補(bǔ)混凝土內(nèi)部微裂縫，減少宏觀上混凝土的自收縮；另一方面SAP在釋水后將使高強(qiáng)混凝土內(nèi)部產(chǎn)生大量的微小孔洞，降低混凝土的強(qiáng)度。宏觀上表現(xiàn)為高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的降低，這是由于SAP的摻入引起的孔洞對高強(qiáng)混凝土的不利影響超過了SAP的摻入引起的水化對高強(qiáng)混凝土的有利影響。

圖3 28 d SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土SEM微觀圖Fig 3 28 d SAP internal curing SEM micrograph

3 結(jié) 論

（1）預(yù)吸水SAP的摻入影響高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度，且隨著SAP的摻入量越多，高強(qiáng)混凝土的抗壓值減小。

（2）預(yù)吸水SAP的摻入能夠顯著改善水泥石的孔結(jié)構(gòu)，減小混凝土自收縮量，當(dāng)預(yù)吸水SAP的摻入量為0.1%，高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度和收縮綜合性能表現(xiàn)最好。

（3）與微觀角度分析結(jié)合，當(dāng)高強(qiáng)混凝土中摻入SAP時，一方面在水化階段通過釋水使混凝土水化更充分，水化產(chǎn)物填補(bǔ)了混凝土內(nèi)部微裂縫，減少宏觀上混凝土的自收縮；另一方面水化產(chǎn)物的脆性表現(xiàn)使高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度有所降低。