内养护混凝土的研究现状

周明

（南京海华混凝土集团有限公司，江苏 南京 210038）

0 引言

近年来，混凝土结构开裂已成为行业研究的热门课题之一。 收缩是混凝土材料产生开裂的主要原因之一。 引起混凝土材料收缩的原因很多，包括化学收缩、自收缩、冷缩、干燥收缩、碳化收缩、沉降收缩等因素[1]。 导致混凝土开裂的主要原因是自收缩。现代混凝土普遍水胶比低、胶凝材料用量较高，这也导致了高水化热、大温度应力、搞自收缩等问题，所以在水泥基材料早期就会出现由过高的温度应力和自收缩引起的裂缝[2]。 随着水泥的水化程度不断提高，混凝土内部的湿度也会随之降低，该现象称为自干燥。 一般水胶比越低，自干燥现象越严重。

国内学者对混凝土的自收缩做了大量的研究，发现较低水胶比的混凝土虽然强度提高，但是其自收缩远大于普通混凝土。 而且常规的养护和掺入膨胀剂等措施已不能有效减小自收缩。 更严重的是，混凝土自收缩导致的微裂纹很可能会引起混凝土28 d强度发生倒缩，从而限制混凝土强度的进一步增加[3]。 现代混凝土普遍结构密实，水分从外面很难渗透到混凝土内部，传统的外部养护方法并不能有效减小自收缩。 因此，很多学者开始研究内养护措施对抑制混凝土自收缩的效果。

1 内养护机理

传统的混凝土养护方式主要有直接喷水、覆盖塑料薄膜及盖草袋洒水等措施，称为外养护。 高性能混凝土水化的早期强度发展较快， 且结构致密，常规的外养护方法对混凝土内部的养护效果相对有限。

1948年，Powers就首次提出“内养护”理论模型[4]。Power基于水泥水化机理，提出混凝土水灰比不能低于0.42，即使在养护比较充分的情况下，也不能低于0.36，否则混凝土内部的湿度会迅速下降，胶凝材料不能充分水化，混凝土发生自收缩。 根据文献，为保证胶凝材料充分水化，要求内部湿度至少要保持在90%。 同时，高性能混凝土水胶比较低，内部的水分很容易被水泥水化硬化消耗， 从而引起自干燥收缩。 目前，最有效的措施就是从混凝土内部补充水分进行养护。 根据内养护的理论与技术，这种措施主要解决高性能混凝土的自收缩，通过在混凝土内部储存的水分补偿水化反应消耗掉水而引起的水泥石内部的自干燥，使得更多的孔隙能保持饱和状态。 丹麦Jensen在总结Powers模型的基础上，又推导出了内养护需水量的计算方法，为内养护技术的最终实现提高了理论基础[5]。 自收缩实质上是由混凝土本身的自干燥引起的，在水化反应过程中，胶凝材料会消耗大量的水，使毛细孔内严重失水。 当失水到一定程度，毛细孔内的溶液与空气界面位置就会形成弯液面，产生表面张力。 并且相对湿度的下降会导致表面张力增大。 表面张力方向是从孔壁指向孔中心，最终就表现为体积收缩。 美国RILEM将内养护法分为两种：即内部水养护和内部密封[6]。 内部水养护是指在混凝土内部布置释放水，在混凝土水化硬化过程中可以有规律地释放出水分；内部密封则是通过减小或避免混凝土水化硬化过程中的水分散失。内部水养护方法可以在混凝土水化硬化过程中释放水分，改善自干燥，有效减小自收缩，是目前主要的内养护方法。

2 内养护技术研究现状

2.1 轻骨料养护剂

Bentur采用轻集料实现高强混凝土的内养护，在减小自收缩方面取得了成果[7]。 美国的Bentz则认为内养护材料的颗粒尺寸应尽可能减小，提高其与水泥浆体的接触面积，可提高养护效果[8]。Lura等人在混凝土中掺入了平均粒径为数百μm， 吸水率为自身质量数百倍的超高吸水树脂，结果发现可以明显抑制低水胶比混凝土自收缩问题。在实际工程应用方面，美国及欧洲制定了有关内养护的标准。

对于采用轻骨料为内养护材料，国内外很多学者做了大量研究。 其中研究工作重点在轻骨料自身的吸水率、粒径尺寸以及替代细骨料比例等因素对水泥基材料自收缩的影响作用， 并且普遍认为，用轻骨料作为内养护材料对降低水泥基材料内部的相对湿度以及抑制自收缩具有显著效果。 轻质骨料分散在整个水泥浆体中， 起着内部蓄水池的作用，随着水泥水化反应程度的提高，混凝土内部出现不同程度的湿度差，轻集料中的储存水分就会依靠毛细管吸力被释放至水泥浆体中，然后通过水蒸汽的作用向外扩散，为水化反应的继续进行提供条件[9]。

Jensen 等提出， 采用轻骨料作内养护材料时，应尽量选择吸水率大、开口孔较多的轻骨料，因为对于孔径小于100 nm 的孔隙中储存的水分在水泥石发生自干燥的过程中较难释放出来，达不到内养护的作用[10]。也有人采用细度模数不同的轻骨料以30%比例取代细骨料，结果发现降低轻骨料的细度模数， 反而可以增强内养护的减缩效果。 Bentz等参照混凝土材料的性质、配合比以及轻骨料的吸水率等参数推导出了采用轻骨料作内养护材料的轻骨料的最低用量计算方程[13]。 但是，掺入的轻骨料过多的话， 会对混凝土的力学性能产生不利影响， 因此轻骨料的取代率需要考虑力学性能要求。Paul 还研究了轻骨料对混凝土自收缩、强度、抗氯离子渗透性等耐久性的影响，发现轻骨料作为内养护材料不仅降低自收缩，还会对混凝土强度和耐久性产生不利的影响[11]。田耀刚等研究了高强轻集料混凝土的抗冻性， 发现轻集料本身抗冻性较好，且轻集料的预湿程度对混凝土抗冻性影响并不明显。轻集料粒径一般较大， 很难在混凝土内部均匀分布，采用轻集料做养护的方法效果具有一定的离散性。 周宇飞研究认为，轻集料的孔结构对于其在水泥浆体中的吸水、释水规律及其对混凝土自收缩的改善作用具有重要的影响。一般高强的轻集料自身吸水率较低，初始饱水量较小，所以内养护作用较差，而本身吸水率较高的轻集料，初始饱水量较高，内养护作用较好，但是存在强度低的问题。因此，通过预湿轻集料来降低混凝土的自收缩关键技术是对轻集料吸水和释水过程的控制作用。如果其早期释水速率过快，则不能有效调节早期混凝土内部湿度，抑制自收缩的效果就有限。

2.2 吸水树脂养护剂

高吸水性树脂属于聚合物，能吸收几百甚至上千倍。 高吸水性树脂预先吸水或是拌和过程中吸水，随着水化反应的进行，这些水可以提高基体湿度，达到内养护效果。高吸水性树脂的吸水、释水效果直接决定了其内养护效果。高吸水性树脂带有直链、交链和支链，可以储存水，并且其三维网络孔结构导致其具有超强保水功能。Reinhardt等通过大量试验研究， 发现掺入干燥吸水性树脂可改善孔结构，减小干缩，提高混凝土的抗冻性和抗渗性[12]，但强度会减小。国内陈德鹏等研究发现高吸水性树脂可以改善混凝土的收缩开裂[13]。丁以兵等研究认为高吸水性树脂可以提高混凝土内部的湿度，改善相对湿度梯度，为混凝土提供自养护[14]，采用超吸水树脂作为内养护材料也会对混凝土力学性能不利。Craeye 在混凝土中分析掺入1.11、1.56 和2.00 kg的超吸水树脂，结果发现混凝土28 d 抗压强度、抗折强度以及弹性模量均显著下降[15]。有人认为导致强度降低的原因是使用的吸水树脂掺量过高。蓬鲁峰研究提出， 高吸水树脂的最佳掺量在0.1%~0.2%之间， 最佳额外引水量为15~25 倍高吸水树脂掺量的倍数。

3 结语

内养护技术是高强及高性能混凝土在技术上的一个重大变革，能够大幅度提高混凝土力学性能和耐久性。高效的内养护剂不仅促进胶凝材料的水化以及矿物掺合料的二次水化反应，而且能够显著减少混凝土开裂。混凝土的内养护技术是一项需要持续完善的技术，在实际工程应用中还存在许多问题，需要深入研究解决。

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