混凝土养护膜保湿性能及其养护效果研究

程冠之，曾 志，郁培云，郑新国，谢永江，李书明

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081；2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081)

早期合理养护是确保现浇混凝土质量的关键环节，对控制表层混凝土因失水引起的收缩开裂，提升表层混凝土质量和结构耐久性至关重要[1-4]。如何确保混凝土早期保湿养护效果，降低表层混凝土开裂风险，一直是混凝土界研究的热点[5-8]。

现浇混凝土传统上主要通过2种外部养护方式来营造保湿养护环境。其一是防止混凝土水分散失，如喷洒养护剂或覆盖薄膜养护；其二是额外补充水分，如覆盖土工布洒水或者喷雾养护[9-10]。但上述措施在实际施工中往往会发生洒水频次和水量难以保证，养护剂漏刷漏喷，薄膜保湿功能不足等问题。

养护膜作为一种新型养护材料，兼具抑制水分散失和补充水分的双重功能[11]。如图1所示，养护膜由具有低水汽透过性的高强度、高韧性薄膜面层，亲水性微孔无纺布底层和可控储释水材料的中间层组成。在养护膜铺设时进行一次性充分给水，使中间层实现饱和吸水；在养护阶段中间层可通过亲水性底层向混凝土缓慢释放水，而面层薄膜则可防止水分散失，使混凝土始终处于高湿度养护状态。研究者们对养护膜材料的关注度正在提升，唐冬汉等[12]研究了养护膜对混凝土耐久性的影响，表明养护膜可以提高混凝土的强度和抗碳化能力。高久平等[13]研究指出，养护膜可以提高混凝土的强度和耐磨性。但要进一步优化养护膜相关技术，仍需对其养护效果和机制进行更充分研究。

本文首先考察了混凝土养护膜吸水性、保水性、释水性和透水汽性等保湿性能参数，进而明确了养护膜对密闭空间内相对湿度的保持能力。并通过X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)等手段，分析了不同养护方式下水泥净浆的水化产物及微观结构。

1 试验部分

1.1 原材料与配合比

TK-CM-SA型养护膜来自铁科院；A型储释水组分为TK-CM-SA型养护膜中所使用的材料，B型储释水组分为铁科院提供的内养护剂材料，C型储释水组分为市售普通高吸水性树脂。P.O 42.5普通硅酸盐水泥购自北京金隅集团有限责任公司；粉煤灰为内蒙古赤峰元宝山电厂Ⅰ级粉煤灰；S95级粒化高炉矿渣粉购自唐山唐龙新型建材有限公司；细骨料为细度模数为2.6的Ⅱ区天然河砂；粗骨料为5～20 mm连续级配碎石；非引气型聚羧酸系高效减水剂来自河北三楷深发科技股份有限公司。各胶凝材料主要物理性能和化学组成见表1。

试验用混凝土配合比见表2,混凝土水胶比为0.32。为提升微观分析精确度，进行微观表征时采用了其他成分相同，仅不掺入骨料的净浆试件。

表1 水泥、矿渣粉和粉煤灰的主要物理性能和化学组成

表2 混凝土配合比 kg·m-3

1.2 试件成型与养护

按配合比准确称取原材料，混凝土采用强制式搅拌机搅拌2 min后于100 mm×100 mm×400 mm的试模中振动成型，净浆采用净浆搅拌机搅拌2 min后于40 mm×40 mm×160 mm的试模中成型。试件成型后24 h拆模，并立即采用如下方式进行对比养护试验：①自然养护，即直接将脱模后的试件置于恒温恒湿室(温度20±2 ℃，相对湿度RH60%±5%)内自然暴露；②养护膜养护，即将试件用预先饱和吸水的养护膜包裹后，再置于上述恒温恒湿室中；③塑料膜密封养护，即将试件用塑料膜密封包裹后，再置于上述恒温恒湿养护室中；④标准养护，即将试件置于温度20±2 ℃,RH95%±5%的恒温恒湿室中进行养护。

1.3 试验方法

1.3.1 养护膜性能测定

储释水组分：吸水量和保水量参照GB/T 22905—2008《纸尿裤高吸收性树脂》中规定的方法进行测定，其中吸水量使用蒸馏水进行测定，保水量采用离心法进行测定。释水性测试时，将定量的待测样品置于茶袋中进行饱和吸水处理后悬挂静置控水10 min(临界饱和吸水状态)，再将茶袋置于pH值为12的氢氧化钙溶液中浸泡，每30 min取出控水10 min，测定其质量损失。每次测试的样品用量均为0.200 g。

养护膜：透水汽性按照GB/T 1037—1988《塑料薄膜和片材透水蒸气性试验方法：杯式法》中的方法，在杯式不锈钢容器中加入一定量饱和磷酸二氢铵溶液后，用养护膜对容器进行封口处理，并置于20±2 ℃，RH60%的环境中测试其在不同时间的质量损失。湿度保持性测定时，将处于临界饱和吸水状态的待测样品置于40±1 ℃条件下的密封锥形瓶中，使用无线温湿度计(605i，Testo)测试瓶内湿度变化。

1.3.2 收缩率测试

按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》测试混凝土试件收缩率。

1.3.3 XRD测试

养护14 d时，将净浆试件表层0～5 mm破碎研磨为粉状试样，并立即放入无水乙醇中终止水化，在50 ℃ 真空干燥箱中干燥至质量恒定后，在X射线衍射仪(Smartlab，Rigaku)上进行测试。

1.3.4 SEM测试

将养护至28 d的净浆试件小心破碎，并立即放入无水乙醇中终止水化，在50 ℃真空干燥箱中干燥至质量恒定后，使用扫描电子显微镜(JSM-7800F，JEOL)观察不同位置断面的微观形貌。

2 结果与讨论

2.1 养护膜性能

参照标准方法对比测试了3类储释水组分的吸水性、保水性和释水性数据，结果见表3和图2。

表3 储释水组分吸水性和保水性测试结果

图2 储释水材料在pH值为12的氢氧化钙溶液中的释水情况

由表3可知，经相同的离心处理后3类材料均能保留90%左右的水分。其中，A型、B型材料的吸水量和保水量接近，均显著低于C型材料。说明C型材料吸水率较高，有相对更强的容纳水的能力。图2显示：A型、B型材料在pH值为12的碱性环境下释水趋势类似，均在起始30 min内大量释水。随处理时间延长，单位时间内的释水量逐渐降低；150 min后已基本无水分释出。累积释水百分比分别在60%和68%的水平上维持稳定，说明此时A,B两类材料的溶胀压力和渗透压差已达到平衡。C型材料在前180 min内以约0.2 g/min的速率稳定释水，释水量远高于另两类材料。其前期累积释水百分比相对较低，但在150 min 时已达到72%，超过了其他两类材料；至240 min时，C型材料的累积释水百分比已接近95%，绝对残余质量已显著低于A，B型材料。虽然基于官能团类别、交联密度等分子结构的差异，C型材料对蒸馏水的吸水量和保水量均较高，但其在碱性环境下短期释水量过大，并不适于在混凝土养护中使用。对于混凝土养护中使用的A型与B型材料，其在碱性环境下达到溶胀平衡时的含水率仍较高，当环境湿度下降或外部渗透压升高时，材料内部水分还可进一步释放以补充到周围，达到新的平衡状态[14]。对于养护膜而言，其内部高湿度环境的维持时间还与其透水汽性、密封效果等因素相关。

在相同条件下对比测试了养护膜和单层塑料膜的透水汽性，结果见图3。其中，试样质量损失是由于水蒸气透过薄膜散失而引起的。

图3 不同测试时间下的水汽质量损失

由图3可知，养护膜与塑料膜的透水汽性均约为0.47 mg/h，这说明二者对水蒸汽的阻隔效果相近。对该结果分析可知，使用塑料膜对混凝土进行包裹养护时，由于塑料膜自身存在一定的水汽透过性，加上其不易密贴、密封等特点，混凝土养护环境湿度难以达标。同时，该结果也说明养护膜中的储释水材料并未提供更高的水汽阻隔效果，但其可在整个养护期内持续缓慢释水以维持养护膜内部环境的整体湿度，实现对混凝土较理想的养护效果。

进一步在密闭环境中测试了养护膜饱水后对环境湿度的保持能力，结果见图4。

图4 密封瓶中不同测试时间下的空气相对湿度

由图4可知，在密闭环境中饱水后的养护膜对环境湿度的影响与液态水一致。150 min后，密闭空间中的相对湿度均可达到95%以上。由于液态水转变为水蒸气时，体积扩大至少3个数量级，所以维持密闭空间湿度所需的水量较少。尤其是当养护膜密贴于混凝土表面时，养护膜中的储释水材料仅需补充从薄膜透过散失以及从混凝土表面渗入的水分差额，故可在相当长的时间内维持其内部湿度。

2.2 混凝土收缩特性

首先测试28 d龄期内不同养护方式下混凝土试件早期收缩，然后将试件置于自然养护条件下测试总龄期90 d的试件总收缩率，结果见图5。

图5 不同养护方式下C50混凝土试件收缩率

由图5(a)可知:在养护膜养护条件下混凝土试件收缩率与标准养护接近，约为170×10-6，远低于自然养护下接近400×10-6的收缩率;密封养护下混凝土试件的收缩率介于其间，约为280 ×10-6。由图5(b)可知：将前期在不同方式下养护的试件置于自然养护条件下后，相比于一直处于自然养护下的试件，前期养护膜养护、密封养护和标准养护下的试件总收缩率均有明显上升。这主要归因于干燥收缩。整体而言，自然养护总收缩率仍最高，约为430×10-6；前期密封养护试件的总收缩率次之，约为340×10-6；养护膜养护和标准养护试件的总收缩率仍较一致，约为270×10-6。该结果说明使用养护膜养护对混凝土的早期收缩和长期收缩均有较明显的抑制作用，其效果与标准养护相近。这也可以印证养护膜能为混凝土提供与标准养护条件相近的养护环境。

2.3 XRD分析

测试了不同养护方式下水泥净浆在14 d龄期时的XRD谱图，结果见图6。

图6 不同养护方式下水泥净浆样品14 d龄期的XRD谱图

由图6可知，14 d龄期时各试件的XRD衍射峰位置基本相同。这是由于养护条件的变化并不改变水化产物组成的原因。谱图中自然养护条件下水化产物Ca(OH)2衍射峰强度稍低，其余各组无明显区别，表明自然养护下水泥水化程度略低。这可能是由于自然养护下混凝土表层水分不足所引起的。养护膜养护、密封养护和标准养护下试件水化程度基本相同，说明良好密封环境可为水泥水化提供充分条件。

2.4 SEM分析

在净浆试件达到28 d养护龄期时，采用SEM观察了自然养护和养护膜养护试件表层(深度0～5 mm)与中心断面(深度20 mm左右)的微观形貌，结果见图7。

图7 不同养护方式下水泥净浆的SEM照片

从图7可知：自然养护条件下水泥净浆表层结构较为疏松，但其内部结构仍较密实；养护膜养护的水泥净浆表层的密实程度则与内部无明显区别，明显高于自然养护的净浆表层。该结果直观显示出养护膜养护有利于提升水泥净浆表层的密实程度。

3 结论

1)养护膜中储释水材料的吸水性、保水性和释水性与透水汽性相匹配时，可维持内部密闭空间的相对湿度在较长时间内高于95%。其中，储释水材料的吸水量为218 g/g，保水量为197 g/g，在pH值为12的氢氧化钙溶液中达到平衡状态时累积释水百分比为60%。

2)与自然养护相比，采用养护膜养护可大幅度降低混凝土早期收缩和长期收缩。其总收缩量与标准养护试件接近，约为270×10-6。

3)养护膜养护对水泥水化产物组成无明显影响，表层水化程度与标准养护相近，略高于自然养护。

4)养护膜养护可增加水泥净浆表层密实度，其微观孔隙较自然养护明显减少。