混凝土内养护剂研究进展

shizheng_123 发表于 2024-5-24 04:54:10

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1 引言
高性能混凝土由于低水胶比而导致的早期自收缩过大是其早期易开裂的主要原因。研究表明传统的撒水养护等外部养护方法不能有效解决这一问题，因此提出了“内养护”的养护方式，即用一些预先吸水的材料（称为混凝土内养护剂），在混凝土内部形成小型“蓄水库”，随着水泥水化，在混凝土内部出现毛细孔负压及湿度梯度时，内养护剂释放水分来抑制其自收缩的发展。最早使用的内养护剂为多孔轻集料。Bentur研究表明多孔轻集料可以降低自收缩，但后续研究发现多孔轻集料对强度影响较大，研究表明在水胶比为0.34时，能减小50%自收缩值，但28d 强度下降15%；当减小90%自收缩值时，28d 强度下降近30%。Jensen认为轻集料对混凝土弹性模量影响较大，且轻集料粒径对混凝土强度及内养护效果影响较大，较难控制实验结果一致，提出使用高吸水树脂（SAP）作为内养护剂。一些学者的研究表明，采用无机多孔固体内养护剂同样具有较好的内养护效果。此外，近期市场上也新出现一些液体内养护剂，也可以减小自收缩。
本文主要介绍高吸水性树脂、无机多孔固体内养护剂以及液体内养护剂的研究进展情况，并对后续研究方向进行展望。
2 高吸水性树脂研究进展
高吸水性树脂（SAP）是近几年来国内外混凝土内养护剂研究的重点方向[。SAP最大特点在于其超高的吸水倍率，致使其在极少掺量的情况下能引入较多的内养护水，使得其内养护性能优异。
近年来国内外SAP 的研究主要包括两个方面：⑴SAP对混凝土自收缩的影响以及机理研究张君、孔祥明等研究了SAP 对混凝土自收缩的影响，同时测定了内部相对湿度的变化，并根据物理计算模型较为准确的计算了混凝土自收缩值，并且借助微观分析，提出了SAP作为内养护剂的减缩机理。
众多研究表明，掺入SAP 并引入适当的内养护水后，会明显降低混凝土早期自收缩的发展，在配比合理情况下减缩效果可达90%，效果较多孔轻骨料优异。SAP 降低自收缩的机理，目前研究较为一致的结论一是混凝土内部相对湿度在100%时掺入预吸水SAP 会在混凝土中引入一种自膨胀变形，会大幅度抵消化学收缩，二是SAP 作为内养护材料可以延缓混凝土内部相对湿度的下降，从而减小了内部毛细孔负压与收缩应力值，从源头减小自收缩产生的动力。
⑵SAP对混凝土物理性能影响的研究在混凝土强度方面，由于SAP 的内养护作用，导致了混凝土早期水化反应变慢，致使早期强度有所下降。姜玉丹等研究表明，在水胶比为0.33 时，当SAP掺量为1kg/m3时，会导致3d 强度下降10%左右，对28d时强度几乎无影响；当SAP 掺量为2kg/m3时，3d 强度会下降大致25%，28d 强度会下降10%左右。
在混凝土抗渗性方面，陈永丰等采用RCM 法测定了不同配比下混凝土28d、56d 龄期的氯离子扩散系数。实验表明，SAP 的掺入会导致混凝土抗渗性能的下降，随着SAP 的掺入量增大，抗渗性能下降越多；当SAP 掺量为1kg/m3 时，28d 龄期下的氯离子抗渗系数增大约10%，56d 龄期下的氯离子抗渗系数增大约5%，可见SAP的加入会使得抗渗性能下降，但随着龄期的增长，这种不利影响会减轻在混凝土抗冻融性能方面，研究表明，SAP 的掺入会提升混凝土抗冻融循环能力，主要原因是由于SAP 释放水分后，混凝土内部会形成较多小型孔洞，这种小型孔洞会有效抵制由于混凝土内部水分受冻所引起的膨胀对混凝土产生的破坏，B Craeye的研究表明，在30 次冻融循环后，内部破坏减小了近70%。此外还有部分学者研究了SAP 在超高性能混凝土（UHPC）中的应用。Justs J 研究了SAP 对UHPC 自收缩以及强度方面的影响，研究表明，当水胶比为0.2 时，SAP 在UHPC 中的内养护作用较为明显，减缩效果可达85%；但SAP 的掺入会导致强度下降，在0.2 水胶比下，2d 龄期强度下降了约30%，7d、28d、365d 龄期强度下降约20%，但28d 时抗压强度能达到149MPa；SAP 的掺入对UHPC 弹性模量的影响规律与其对强度影响规律相似。
3 无机多孔固体内养护剂研究进展
早期无机多孔固体内养护剂主要为多孔轻集料，由于其内养护效果有限，后来逐渐被SAP 取代，但由于SAP 成本高的问题，近年来针对新型无机多孔固体内养护剂的研究增多，其中空心微珠、工业底灰、类砂沸石、红砖粉、陶砂、碱渣基内养护剂等无机多孔内养护剂内养护效果较好。
3.1空心微珠
Fengjuan Liu 等将空心微珠做酸腐蚀处理后，吸水倍率可高达180%，实验采用水胶比为0.35 的砂浆作为对照组，空心微珠取代砂掺入其中，采用波纹管法测定自收缩值，同时测定强度值。研究表明，当掺入胶凝材料用量5%的空心微珠时，可以减小50%自收缩值，3d、7d、28d 强度值均降低大约5%～10%；当掺量为胶凝材料用量3.3%，且预先用1.8 倍水浸泡吸水饱和后，几乎不会产生自收缩值，3d 强度下降约10%，7d、28d 强度值均有小幅度提升。
3.2工业底灰
工业底灰为一种工业使用后的废料，主要来自烧锅炉后的底灰。Mateusz Wyrzykowski等研究了工业底灰的吸水释水性能以及作为内养护剂对混凝土自收缩、强度、弹性模量等的影响。研究表明，工业底灰吸水倍率在0.22左右；实验以水胶比为0.3 的砂浆作为对照，掺入适量的工业底灰取代砂会在早期引起混凝土微膨胀7d时自收缩量几乎为0，但自收缩发展趋势与空白组大致一致；适量的工业底灰的掺入会导致早期强度降低，3d 强度大致降低10%，而28d 强度基本不发生变化；工业底灰的掺入会导致弹性模量降低大约10%。
3.3类砂沸石
Jun Zhang 等人将沸石在马弗炉500℃煅烧30min，取代石英砂进行使用。实验采用水胶比为0.2的纤维混凝土作为对照组，沸石预先用24%内养护水进行预湿润，沸石用量为胶凝材料用量的12.5%，收缩量下降近50%，28d强度几乎没有下降；当沸石用量为胶凝材料
3.4红砖粉
用量的16.7%，收缩量下降近60%，28d 强度下降8%左右。
张卫红等用红砖粉取代砂，红砖粉最大粒径为4.75mm，吸水倍率为70%～100%。实验采用水胶比为0.295的混凝土作为对照组，当红砖粉取代量为30%时，28d 强度值下降约9%，同时28d 时相对湿度能保持在92%，而对照组28d 相对湿度不到88%。
3.5陶砂
唐慧等用陶砂等体积取代河砂，实验采用陶砂细度模数为2.8，吸水率4.6%，堆积密度630kg/m3，表观密度1390kg/m3。实验采用水胶比为0.295 的混凝土作为对照组，当陶砂取代量为河砂的15%时，对混凝土开裂性能有较好改善，28d强度值下降约为10%。
3.6碱渣基内养护剂
普永强等]用以碱渣为主要成分制备的碱渣基内养护剂粉体取代矿物掺合料，实验用碱渣基内养护剂吸水倍率为100%～120%。实验采用水胶比为0.35 的混凝土作为对照组，碱渣基内养护剂掺量为胶凝材料总量15%，不加入额外内养护水时，3d 自收缩值可降低50%，但会对强度产生约10%不利影响。当碱渣基内养护剂掺量为10%时，3d 自收缩值可降低30%，对早期强度会有10%不利影响，对后期强度有6%左右的不利影响。额外内养护水对碱渣内养护性能的影响还有待研究。
3.7无机多孔固体内养护剂总结
上述无机多孔固体内养护剂总结见表1。
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由表1 可见，无机多孔固体内养护剂内养护效果较好，但多数研究主要针对水胶比为0.3 左右，针对低水胶比的研究较少。在0.3 水胶比下，大多数无机多孔固体内养护剂内养护效果较优，其中空心微珠内养护效果与SAP相似。在0.2 水胶比下，类砂沸石和SAP 呈现出不同特点，类砂沸石在内养护性能方面不如SAP，但对强度的不利影响要小于SAP。
4 液体内养护剂研究进展
由于SAP 掺量低，实际工程中使用不便，为解决SAP 粉体使用不便的问题，近年来国内一些厂商研制了液体的内养护剂，包括SAP 悬浮液以及高分子内养护剂。
SAP 悬浮液采用特殊方式将SAP 粉体分散在液体中，虽然计量方便，但实际使用中也存在容易粘附到容器表面，使用效率低的问题。
高分子内养护剂是具有直链、支链、交链共存的复杂网状分子结构，其分子特征及交联的微观结构使其可以固定周围环境中的水介质，形成高含水凝胶而不溶解。适当掺量下，对混凝土强度影响较小，但28d 时只能减小自收缩值30%，内养护效果有限。
由于液体内养护剂是近几年才出现新内养护材针对液体内养护剂的研究极少，且研究不够深入。
5 总结与展望
综上所述，内养护剂目前的研究进展如下：
⑴SAP 研究较多，虽然其在高性能混凝土中减缩效果在90%以上，且对后期强度影响较小；但在UHPC 中，当减缩效果达到85%时，对强度的不利影响高达20%。
⑵在无机多孔固体内养护材料的研究方面，材料种类较多，且部分内养护效果较好，多数无机多孔固体内养护剂对早期强度会有10%左右的不利影响，对后期强度影响较小。
⑶新出现的液体内养护剂对混凝土强度影响较小，但减缩效果有限，目前研究极少。对内养护剂未来研究方向的展望：
⑴SAP可以显著减小UHPC 自收缩，但SAP 对UHPC各项物理性能的研究较少，需要进行更加全面深入的研究。
⑵针对无机多孔固体内养护材料对混凝土性能影响的研究较少；大多无机多孔固体内养护材料的内养护效果研究主要针对一种固定水胶比，在不同水胶比下内养护效果的研究还较少，有待进一步研究。
⑶液体内养护剂作为新内养护剂，有待全面深入研究。（来源：《广东建材》2019.02）

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