内养护高强混凝土自收缩性能研究

郭利霞 张芳芳 王明华，* 田 园 张亚楠

（1.华北水利水电大学水利学院，郑州450045；2.河南省水环境模拟与治理重点试验室，郑州450002；3.河北雄安新区管理委员会公共服务局，雄安新区071000）

0 引 言

高强混凝土具有早期易开裂、体积形态不稳定等特点，对混凝土耐久性的影响是极为不利的［1］，其裂缝产生的原因中因外部荷载因素导致混凝土开裂的仅占混凝土总裂缝的20%左右，高强混凝土在初凝后，绝大部分结构开裂原因可以归因于自生体积变化及外部环境的影响［2］。高强混凝土比一般混凝土的密实程度更高，但其水胶比低导致孔隙率低，因此，从理论上来说，在高强混凝土中使用内养护材料可以有效减少混凝土裂缝的产生和开裂等问题［3］，其控制裂缝生成和减少自收缩效果将比在普通混凝土中使用更强。高吸水树脂（SAP）具有吸水性强的特点，掺入SAP的高强混凝土，在混凝土水化前期，SAP吸收未参与水化的自由水，避免其流失，待水化蓄水量不足时释放水，使水化继续进行。高强混凝土较之普通混凝土具有更低的水胶比，高强混凝土产生自收缩的主要因素是内部湿度变化，而内养护材料SAP的引入可充分缓解水化期间混凝土内部的干燥问题，从而影响其自收缩［4］。因此本文主要研究在预吸水条件下不同掺量SAP对混凝土强度和收缩量的影响。

1 试验概况

1.1 原材料

选用郑州天瑞水泥有限公司生产的425#普通硅酸盐水泥，物理力学指标见表1。

表1 水泥物理指标Table 1 Cement physical index

矿物掺合料选取Ⅰ级粉煤灰作为试验材料，其比表面积为455 m2/kg，技术性能指标符合GB l596—1991《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》要求。硅灰为郑州汇丰新材料公司生产，比表面积18 000 m2/kg；矿渣为高炉矿渣；粉煤灰、硅灰和矿渣主要化学成分见表2。

表2 胶凝材料的主要化学组成Table 2 The main chemical composition of cementing materials %

细骨料采用来自姚河产沙地河砂，粒径0.35～0.5 mm。粗骨料选用5～20 mm连续级配的石灰岩质碎石。

混凝土拌合用水的质量符合试验要求。减水剂为聚羧酸减水剂，掺量为胶凝材料用量的0.1%，其目的是增加混凝土和易性。不同实验组掺量一致，不影响混凝土本身配合比的用水量。

高吸水树脂为60～100目（粒径0.01～0.25 mm），吸水倍率最高可达1 300倍。

1.2 试验方案及试验配合比

为了研究在不同预吸水量条件下内养护材料对高强混凝土收缩性能的影响，本试验采用表3配合比制备C60高强混凝土，水胶比定为0.34，表中SAP掺量是胶凝材料的百分含量。各组预吸水量为原有水量的5%、10%，预吸水量不参与水胶比的计算。内养护水的引入从本质上改变了原高强混凝土的水胶比，改变了混凝土孔隙结构和密实度，所以设置HSC5-和HSC10-两组试验，将内养护材料预湿（预湿水量从总水量中扣除），保持总水量不变。

表3 混凝土配合比设计Table 3 Mix proportion design of concrete

为避免胶凝材料提前吸收SAP内的预吸水，采用二次搅拌工艺，首先将胶凝材料与60%的水加入搅拌机中搅拌1 min，然后将骨料、SAP与剩余水量加入搅拌机中，搅拌1 min，再添加减水剂，搅拌3 min。

1.3 试验规范

1.3.1 混凝土收缩试验

自收缩的测量在混凝土浇注成型后1 h开始，试验按照标准《普通混凝土长期性能和耐久性能试验》（GBJ 82—85）中的方法进行。

1.3.2 SEM试验

本次试样取自于受压破坏以后的整体碎块，且为随机取样。试样尺寸小于l cm，且要求式样表面较平整，试验前喷金处理，喷涂厚度200～300 A。置于JSM-6510LV扫描电镜下。试验主要从混凝土表面和界面过渡区（ITZ）两个角度对添加了SAP的混凝土进行研究与分析。试验所用放大倍数为1 000～5 000倍。

2 试验结果分析

2.1 预吸水SAP对混凝土抗压强度的影响

表4是各组试块在标准养护28 d条件下的抗压强度值。由表得出抗压强度大小：HSC10

表4 内养护高强混凝土28 d抗压强度Table 4 Inner curing high strength concrete 28 days compressive strength

SAP的掺入一方面使高强混凝土水化更充分，另一方面内养护水释放后产生的孔洞也会对结构产生消极影响。在低水胶比的高强混凝土中，这两种效应相互交织更加明显［7］。试验结果表明，SAP掺入形成的孔洞造成的混凝土强度降低超过了其内养护效应引起的强度增加。这些结果与其他学者在研究中的观察结果相当［8-9］。因此，在使用SAP对高强混凝土的收缩量进行控制时，必须考虑SAP对高强混凝土强度的影响。

2.2 预吸水SAP对混凝土收缩量的影响

为了解SAP对掺硅灰混凝土早期性能的影响，根据规范进行试验，测量不同掺量SAP对各组混凝土试块早期收缩性能的影响。试验探究了3 d龄期内的混凝土收缩值，测定SAP对内养护高强混凝土自收缩的影响。不同饱和度SAP对HSC自收缩的影响见图1，总水量不变条件下SAP对自收缩的影响见图2。

图1 不同饱和度SAP对HSC自收缩的影响Fig1 The effect of SAP of different saturation on HSC self-shrinking

图2 总水量不变条件下SAP对自收缩的影响Fig 2 The effect of SAP on self-shrinkage under the condition of constant total water volume

由图1可知，在1 d龄期以内，高强混凝土的收缩率较大，其原因主要是因为混凝土继续水化导致的混凝土体积变化。在1 d龄期以后，高强混凝土基本呈现稳定的线性收缩状态。这是由于混凝土内部干湿环境逐渐变化，从而影响了混凝土自收缩。在高强混凝土前期快速收缩停止以后，SAP快速释水对内部环境进行补充，使水化反应继续进行。

水化生成的钙矾石、游离MgO水化以及反应放出的水化热都会使混凝土结构发生膨胀，但以上两点并不会弥补化学收缩，因此收缩继续进行［7］。

在1 d龄期以后，试验组与对照组的收缩呈现线性变化，说明了此阶段水化反应稳定进行，试验组收缩速率较对照组低，说明SAP的掺入对减小高强混凝土的自收缩起到了关键作用。这与已有研究［10］SAP可以通过增大同龄期混凝土的内部相对湿度以减小混凝土自收缩及干燥收缩产生的影响相一致。由图2可知，在总水量确定的条件下，收缩率：HSC10-

综合考虑上述试验结果，推荐SAP掺量为胶凝材料的0.1%，预吸水量为拌合水量的5%，同时添加聚羧酸减水剂可在基本不影响强度变化的基础上极大提高高强混凝土的体积稳定性。

2.3 内养护混凝土的微观性能及机理分析

为了从微观层面研究SAP对高强混凝土强度和收缩量变化的影响，试验采用SEM电镜扫描仪对不同试验组养护28 d的试块进行1 000倍、3 000倍、5 000倍的放大观测。从电镜扫描图中选取以下几张图片，从微观角度分析SAP对高强混凝土自收缩和抗压强度的影响。28 d SAP内养护混凝土SEM微观图见图3。

图3为28 d SAP内养护混凝土SEM微观图。由图3可以得知，HSC组与其他组，局部的黑色阴影更多，这是未完全反应的水泥熟料在电镜下的表现。HSC组水化不均匀，与添加SAP的各组相比，HSC组混凝土一旦产生裂缝，其裂缝宽度更大、贯穿性更强，理论上这将减小高强混凝土强度，但添加SAP的组在SEM扫描条件下可以看到较多的微小孔洞，这对高强混凝土的强度影响影响也是不利的。

由图3可以得知，结构致密性：HSC10->HSC5->HSC10>HSC5>HSC，这说明内养护水的引入可以改善高强混凝土的孔结构和内部环境。未加入内养护材料的混凝土结构由于在水泥浆硬化阶段自身相对湿度的减小，会产生大量的微小裂隙，内养护水的引入，使得混凝土生成较多的单硫型水化硫铝酸钙（Afm）。当Afm生成时，原有的块状疏松形态转化为密实度较高的棒、团簇状交叠结构转变。Afm的生成是混凝土充分水化反应的表现，Afm生成物能够填补混凝土的裂缝和孔隙，宏观上减小高强混凝土的自收缩；但高强混凝土本身密实性较强，水化导致的自生体积的增加将使其内部产生微裂缝，从而导致内养护混凝土强度的降低，宏观上表现为高强混凝土抗压强度的减小。综上分析可以得到，内养护水的掺入对高强混凝土的影响具有两面性，一方面可以改善混凝土内部干湿环境使高强混凝土充分水化，这将填补混凝土内部微裂缝，减少宏观上混凝土的自收缩；另一方面SAP在释水后将使高强混凝土内部产生大量的微小孔洞，降低混凝土的强度。宏观上表现为高强混凝土强度的降低，这是由于SAP的掺入引起的孔洞对高强混凝土的不利影响超过了SAP的掺入引起的水化对高强混凝土的有利影响。

图3 28 d SAP内养护混凝土SEM微观图Fig 3 28 d SAP internal curing SEM micrograph

3 结 论

（1）预吸水SAP的掺入影响高强混凝土的抗压强度，且随着SAP的掺入量越多，高强混凝土的抗压值减小。

（2）预吸水SAP的掺入能够显著改善水泥石的孔结构，减小混凝土自收缩量，当预吸水SAP的掺入量为0.1%，高强混凝土的强度和收缩综合性能表现最好。

（3）与微观角度分析结合，当高强混凝土中掺入SAP时，一方面在水化阶段通过释水使混凝土水化更充分，水化产物填补了混凝土内部微裂缝，减少宏观上混凝土的自收缩；另一方面水化产物的脆性表现使高强混凝土的强度有所降低。