高性能混凝土自养护研究.pdf

第 3 7卷第 2期 2 0 1 1 年 4月 四川建筑科学研究 5 i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 1 97 高性能混凝土 自养护研究 丁 以兵 ( 安徽工业大学建筑工程学 院 ， 安徽 马鞍 山2 4 3 0 0 2 ) 摘要 ： 养护 的有效性与否 ， 严 重影 响到高性能混凝土 的性能 ， 养护的温度 和湿 度 ， 是 影响其性 能的关键 因素。文 中分析 了高 性能混凝土的结构特点并阐明了其养护的独特机理 ， 列举了几种传统的养护方法。但由于高性能混凝土的特点， 传统措施不 适用高性能混凝土。而自养护混凝土在控制各种收缩变形、 提高水泥水化、 改善微观结构以及增强耐久性能等方面， 效果显 著， 表明 自养护技术可以成功地应用于外部养护相对不敏感的高性能混凝土之中。 关键词 ： 高性能混凝土 ； 自养 护 ； 自收缩 ； 超强吸水剂 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 6 4 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 t ) 0 21 9 7 0 4 A s t u d y o n s e l f - c u r i n g f o r h i g h p e r f o r m a n c e c o n c r e t e DI NG Yi b i n g ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， A n h u i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Ma a n s h a n 2 4 3 0 0 2， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e e ffic i e n c y o f c u ri n g s e ri o u s l y a ff e c t s t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f h i g h p e rf o r ma n c e c o n c r e t e ， t h e t e mp e r a t u r e a n d h u mi d i t y o f c u rin g a r e t h e k e y f a c t o r s t h a t e ffe c t t h e p e r f o r ma n c e o f c o n c r e t e I h i s p a p e r wo u l d a n a l y s i s t h e c o n s t r u c t i o n c h a r a c t e ri s t i c s o f h i g h p e rf o r ma n c e c o n c r e t e a n d c l a r i f y i t s s p e c i a l me c h a n i s m o f c u rin g，a n d p u t f o r w a r d s e v e r a l k i n d s o f t r a d i t i o n a l c u ri n g me t h o d B e c a u s e o f s t r u c t u r a l c h a r a c t e ri s t i c c o mp o s i t i o n o f h i g h p e rf o r ma n c e c o n c r e t e， t h e t r a d i t i o n al me t h o d s o f c u ri n g ma y f a i l i n h J ；g b p e rfo r ma n c e c o nc r e t e， a n d t he c on c r e t e wi t h s e l f - c urin g c a n ma r k e dl y c o n t r o l t h e v a r i o u s s hrink a g e d e f o rm a t i o n， i n c r e a s e t h e d e g r e e o f c e me n t h y d r a t i o n ， i mp r o v e t h e mi c r o s t r u c t u r e， a n d s i g n i fi c a n t l y e n h a n c e d u r a b i l i t y T h e s t u d y s h o ws t h a t t h e s e l f - c u ri n g t e c h n o l o g y C a ll b e s u c c e s s f u l l y a p p l i e d t o t h e h i g h p e rfo r ma n c e c o n c r e t e w h i l e b e i n g r e l a t i v e l y i n s e n s i t i v e t o e x t e r n al c u rin g Ke y wo r d s ： h i g h p e rf o r ma n c e c o n c r e t e； s e l f - c u ri n g ； a u t o g e n o u s s h rin k a g e； s u p e r a b s o r b e n t p o l y me r 0 引 言 区别于传统的混凝土 ， 高性能混凝 土( H P C) 把 其耐久性作为首要 的技术指标 ， 通过改善材料 硬 化前后的各项性能， 提高混凝土结构 的耐久性和可 靠性。养护在混凝土结构形成过程中起非常重要的 作用， 对于 H P C同样如此。 目前 ， H P C的养护依然 采用传统 的普通混凝土 的养护措施 ， 这些措施 主要 是以获得足够的强度为 目的 ， 而高性能混凝土 的独 特的结构组成特点 ， 决定 了普通混凝土的养护方法 不完全适用 于 H P C。因为高性能混凝 土对 于养护 条件更加敏感 ， 质量控制也更为严格 ， 早期 良好的养 护对 HP C的性能提高也更为显著。 由于高性能混凝土在节能、 节料 、 工程经 济 、 劳 动保护 以及环保等方面具有重要意义 ， 其在土建工 收稿 日期 ： 2 0 0 9 -0 5 - 2 0 作者简介 ： 丁以兵( 1 9 7 9一)， 男 ， 安 徽马鞍 山人 ， 工学硕 士 ， 讲 师 ， 主 要从事高性能混凝士研究。 E m a i l ： d y b i n g 7 1 7 1 6 3 c o n 程中的应用正在迅速推广 ， 而 目前 H P C至今未形成 适应其性能提高的规范养护方法。因为养护对于混 凝土的性能影响极大 ， 所以， 加强对高性能混凝土养 护的研究 ， 弄清养护条件与方法对于 H P C性能的影 响及作用机理 ， 将有利于 H P C的推广与应用。 本文结合 H P C的组成结构特点及养护 的特殊 机理分析 ， 综述 了 H P C养护方面的研究进展 ， 探讨 了适合于高性能混凝土快速施工 的 自养护方法 ， 并 提 出了其继续研究与发展的可能。 1 高 性 能 混 凝 土组 成 结构 与 养 护 的 特殊性 1 1 H P C组成结构特点 高性能混凝土在传统组分的基础上掺加矿物细 掺料 以及使用高效减水剂 ， 因此 ， 其 多组分性能 的叠加效应甚 至超叠加效 应， 使 HP C具 有优越 的 表 现 。 HP C因普遍采用低水灰 比的技术路线 ， 硬化后 毛细孔数量大大减少 ， 掺加的活性矿物细掺料粒径 1 9 8 四川建筑科学研究 第 3 7卷 小于水泥颗粒 ， 填充了水泥颗粒之间的孔隙 ， 又进一 步减少毛细孔的数量。同时， 因掺料火 山灰反应强 烈， 产生大量的凝胶体填充了水泥石的毛细孔 ， 改善 了过渡层的界面结构和水泥石的孔结构。所 以， 相 对于普通混凝土来说 ， H P C更匀质且具有高致密的 结构， 这也是其性能得以提高的关键因素 。表现 在体积稳定性方面， 高性能混凝土因加人超细掺料 ， 可降低因为高水泥用量而产生的高水化热 、 温度变 形 、 收缩变形和徐变 收缩 等不 良后果 ， 使其 耐久 性能及其他物理性能显著提高。 1 2 H P C特殊养护机理 低水灰比、 高致密的 H P C虽具有较好 的体积稳 定性 ， 但早期的自收缩却 十分显著。这是因为， 在混 凝土水量较少的情况下 ， 水泥的不断水化， 使其 内部 毛细管中的湿度逐步降低 ， 而早期快速水化形成 的 致密结构造成其不能与外部进行及时的湿度交换， 使毛细孑 L 失水产生负压引起 自收缩 。若高性能 混凝土中大量的未水化水泥在使用中经常受外界水 分作用 ， 会继续水化产生体 积膨胀 引起“ 湿胀” 开 裂 ， 进而会导致 H P C体积稳定性能的劣化。 收缩对混凝土结构裂缝的产生和扩展是一值得 重视的问题。普通混凝土于缩是主要的， 而高性能 混凝土， 自收缩问题不容忽视。合理的早期养护， 可 减少收缩 ， 因为硬化后 HP C的致密性高于普通混凝 土 ， 阻碍了外部养护水对混凝土 的湿养护作用 。 因此 ， 适用于普通混凝 土 的传统养 护措施来 改善 H P C的 自收缩并无明显的效果 ， 而且高性能混凝土 组分多， 对温、 湿度变化极为敏感 ， 严格的质量控制 ， 尤其是 良好的早期补水养护 ， 对于 H P C性能提高起 着决定性的作用。 2 养 护条件对 于高 性 能混 凝土 性 能 的影响 2 1 养 护湿度 A l m u s a l l a m 的研究表明： 养护湿度越小 ， 水分 蒸发率、 塑性收缩等都在增大。混凝土 的孔结构和 数量决定其强度和耐久性 ， 而这些由养护条件决定 ， 养护初期水分蒸发是混凝土结构形成孔隙和大毛细 孔的主要原因之一。由于高性能混凝 土水胶 比低 ， 不仅需要保持 内部水分不被蒸发 ， 还要从外部环境 中补充水分， 否则会增加不可逆 的白干燥收缩 ， 导致 开裂。A s s e l a n i s 等研究 了不 同的养护条件 对于 H P C力学性能的影响 ， 表明高性能混凝土 7 d之后 的湿养护对强度与耐久性能提高影 响不大。7 d湿 度养护后 ， H P C组织 结构基本 密实 ， 渗透性 小， 因 此 ， 早期 良好 的高湿度养 护对控制 其 自收缩至关 重要 。 2 2养护温度 水泥水化进程 ， 随温度上升而加快 ， 但高性能混 凝土因掺加了矿物细掺料 ， 不同矿物由于活性、 细度 不 同， 造 成 其 对 温 度 敏 感 性 也 不 一 样。譬 如， S a b i r 9 评价了不 同养护温度下掺加不同矿物掺料 的高性能混凝土的力学性能发展规律， 证明： 纯水泥 或掺硅灰的混凝土强度随养护温度升高而降低， 掺 粉煤灰 的混凝 土强度 则随之 升高而升 高。因此 ， H P C为获得更高的性能 ， 必须结合其组分 的温度敏 感特性， 优选适宜的养护温度。 2 3养护时间 A i t c i n 】 叫 认为， 高性 能混凝土 的 自收缩变形大 部分发生在初凝至 1 d龄期内， 1 d后 自收缩增长缓 慢。因此早期养护， 对于 H P C提高性能至关重要 ， 因为随着龄期增长 ， 其毛细孔被凝胶体填充 ， 外界供 水渠道中断， 后期养护效果不大。而 C h a n 的研 究结论是 ， H P C早 期 自收缩增 长速度 与水 胶 比有 关 ， 水胶比越小 ， 则 自收缩增长速度越大。目前混凝 土的应用 日益呈现低水灰比化 ， 而 HP C的推广与应 用客观上也要求实现快速化施工 ， 以达到经济的 目 的。因此 ， 早期 良好的补水养护可 以促进强度快速 发展 ， 适宜的温、 湿度有利于混凝土耐久性 的提高。 总之 ， 高性能混凝土 因水胶 比低、 组分多、 结构 致密匀实、 自收缩大等特点， 其养护控制要比普通混 凝土更加严格， 且必须在优选适宜 的温度前提下 ， 加 强早期高湿度养护。适用于普通混凝土养护的技术 措施多采用外部供水的方式 ， 这些方法对改善 H P C 的早期 A收缩却无能为力 ， 因此 ， 高性能混凝土需要 特殊的养护方法。 3 高性能混凝土的自养护研究 3 1 传统的 H P C养护方法 适用于高性能混凝土养护的技术措施目前仍处 于研究状态， 但 H P C在应用过程中， 工程界 已认识 到其养护的独特性 ， 提出了区别于普通混凝土养护 的方法 。 3 1 1 围水养护 围水养护， 待混凝土结构凝结后 ， 围堤蓄水养 丁以兵 ： 高性能混凝土 自养护研究 1 9 9 护， 以防止因早期 自收缩和塑性 收缩产生过大的裂 缝， 该方法受结构尺寸 、 形状 、 地点限制 ， 有一定的局 限性 。同济大学杨全兵H 做了水 中养护 两年的高 性能混凝土 自干燥研究发现 ： 虽然外层 自干燥现象 有所削弱， 但内层 自收缩依然存在。因为 H P C结构 致密， 外部湿度很难迁移 ， 即使浸水养护 ， H P C的 自 收缩也应引起足够的重视 。 3 1 2 养护剂养护 为保持水泥水化的必要用水量， 利用成膜效果 好的化学养护剂在混凝土结构表面喷涂形成一层封 闭膜 ， 利用其内部拌合水进行 自行养护。虽然养护 剂养护是一种较实用的方法 ， 但对表面积大和水灰 比小的 H P C， 喷膜养护效果较差。较之于水养护 而 言， 研究证明 ， 其强度和性能均有所 降低。原 因 是 ： 良好 的 H P C养护效果取决于硬化早期是否能够 从外界引入额外的湿度避免 自干燥现象 的产生 ， 而 封闭膜的形成虽能控制水分散失 ， 却 没有从根本上 解决 H P C水化水分不足的本质问题。 3 1 3带模水养护 带模水养护u 证明 ， 与浸水养护效果相 当， 虽 然其早期强度高于标准养护和 自然养护 ， 但需专门 模板 ， 费工费时。从本质上来说 ， 是外部供应水源 ， 也不能完全克服 H P C自收缩引起 的开裂。 3 2高性能混凝土 自养护 综上所述， 即使浸水养护， 高性能混凝土仍会产 生内部开裂 ， 主要是因为 H P C水化水分不足 ， 而高 致密的结构 ， 又阻断了外部水分供应所致。因此 ， 适 合于其养护的技术措施是以混凝土的组分之一掺人 其中， 伴随水泥的水 化从 内部就近提供湿度 的方式 进行 自养 护。常用 的组 分 是 多孔 陶粒 等轻 质 材 料 ， 浸水饱和后掺入到混凝土 中， 其 内部孔隙作 为水分载体， 一方面抑制水化引起的内部湿度降低 ， 限制 自收缩； 另一方面在毛细管作用下 ， 水分向水化 体系迁移促进其继续进行 。虽具一定 的效果 ， 但考 虑到大颗粒骨料 由于吸水性 ， 造成混凝 土强度和性 能劣化 ， J e n s e n 等人从理论和实验方面探讨 了用 超强吸水剂进行 自养护 的可能性。B e n t z等证实 了 该方法的有效性 ， 研究 中采用的方法是掺人一种 高效 高 分 子 吸 水 材 料 ( S u p e r A b s o r b e n t P o l y m e ， S A P ) ， 在水泥石内部采取先吸水后放水的方式形成 一 个稳定的内部水分供 给源 ， 由于其具有足够的细 度， 可均匀分散于混凝土 内部 ， 抑制不均匀膨胀和 自 收缩 ， 减少微裂缝 的形成， 且对拌合物和易性无不 良 影响。国内学者 应用 S A P研究不同养护条件 下 ， H P C塑性 变形 以及脆性 性能发展规律 ， 表 明采 用 S A P作为 自养护组分 可有效控制 塑性收缩 及改 善其脆性性能。詹炳根 等利用 XR D， T G定量分 析了掺 S A P自养护混凝 土 的水 化效 果， 显 示基于 S A P提供 自养护， H P C水 化充分。文 献 2 1 - 2 2 从 微观孔结构及内外部湿度迁移情况进一步进行了证 实 ： 掺 S A P提供 自养护在抑制外部湿度迁移的情况 下 ， 显著提高了混凝土内部含湿量 ， 对内部湿度场改 善效果 良好 ， 达到 了控制塑性 、 自生收缩 ， 促进水泥 水化的 目的， 进 而改善 了 H P C的微观 孔结构 ， 使之 满足工程所需性能的要求。研究证 明江 ： 采用 S A P 自养护方式的 H P C在提高水化 以及完善孔结构 的 基础上 ， 表现出了较好 的抗冻及抗渗性能。虽然 ， 高 性能混凝土已有长期的应用实践 ， 但对于如何通过 规范的养护来抑制其 自收缩 、 保证其高性能， 目前 尚 未提供规范的操作方法 ， 而采用 S A P作为 自养护组 分 ， 从其水化作用机理、 微观结构、 变形性能 以及耐 久性能等已进行的初步探索来看 ， 证实了该技术的 可行性 ， 为这项技术的进一步推广与应用提供了理 论和试验方面的支撑。 总之， 基 于 S A P提供 自养护具有方便、 有效 的 优点 ， 是 H P C养护的有效方法。但人们也意识到饱 水的 S A P颗粒因为不 断为水泥水化提供湿度而失 水干瘪 ， 将在混凝土 内部引人大量的非连通孔 ， 导致 其物理力学性能的劣化。因此 ， 为完善这一应用前 景良好 的技术 ， 需在综合考虑水泥水化 、 微观结构、 变形性能以及物理力学性能等 因素的前提下 ， 寻找 适宜的吸水组分 以及最优掺量作为 自养护剂 ， 而掺 量 的优化应建立在各种性 能的量化平衡 的基础上， 需通过试验获得其掺量 与各种性能的量化关系， 而 未来高性能混凝土 自养 护技术的规范化应用， 将依 赖于上述问题的最终解决。 4 结 论 高性能混凝土因为 自身的组成结构特点 ， 造成 其 自收缩大 ， 而 良好的养护能改善 自收缩 ， 提高其性 能。本文从 H P C养护以及结构特点分析出发 ， 列举 了多种传统的养护措施 ， 认为外部供水 、 保水的养护 方法根本无法解决 H P C由于本身水化水分不足、 又 不能及时从外 部获得额外湿度达到提高效果 的问 题。而掺 自养护组分在混凝土 内部进行 自行养护， 四川建筑科学研究 第3 7 卷 在改善 H P C细观结构、 宏观性能方面以及施工便利 性方面展现了良好的应用前景 ， 说明 自养护技术 的 可行性 ， 但高性能混凝 土 自养护方法在满足工程实 际应用前需解决 自养护组分与掺量优化的问题 ， 力 求操作简便 、 性能可控。 参 考 文 献： 1 吴中伟， 廉慧珍 高性能混凝土 M 北京： 中国铁道出版社， 1 9 9 9： 3 0 6- 3 1 1 2 冯乃谦， 邢锋 高性能混凝土技术 M 北京： 原子能出版 社 ， 2 0 0 0： 3 _ 7 3 E d w a r d G N a w y F u n d a m e n ta l s o f H i g h P e r f o r m a n c e C o n c r e t e M E d it i o n ： 2 ， J o h n Wi l e yS o n s ， 2 0 0 1 ： 1 6 2 - 1 7 4 4 李锋 关于普通混凝土与高性能混凝土的评述 J 福州大 学学报 ， 1 9 9 9 ， 2 7 ( 3 ) ： 9 9 1 0 2 5 】 K e n n e t h W Meck s ， N i c h o l a s J C a r i n o C u ri n g o f H i g h P e rf o rma n c e C o n c r e t e ： R e p o r t o f t h e S t a t e - o f - t h e A r t M B u i l d i n g a n d F i r e Re s e a r c h La b o r a t o r y Ga i th e r s b u r g， MD ， 1 9 9 9： 1 - 9， 1 7 0 1 7 3 6 E ri k a E H o l t E a r l y A g e A u t o g e n o u s S h ri n k a g e o f C o n c r e t e M J u l k a i s i j a a n d U t g i v a r e ， 2 0 0 1 7 A b d u l l a h A A l m u s al l a m E ff e c t o f E n v i r o n m e n t a l C o n d i t i o n s o n t h e P r o p e rt i e s o f F res h and H a r d e n C o n c r e t e J C e m e n t C o n - c r e t e Co mpo s i t e s， Vo l u me 2 3， I s s u e s 4 - 5， Au g u s t - Oc t o b e r ， 2 0 01： 3 5 3 - 3 6 1 8 A m e r i c a n S o c i e t y F o r T e s t i n g A n d M a t e ri a l s A n n u al b o o k o f A S T M s t a n d a r d s M A me r ic an S o c i e ty f o r T e s t i n g a n d Ma t e ri a l s 1 9 7 5 Vo 1 0 4 0 2。 We s t Co n s h o h o c k e n 。 PA C 1 0 7 4 P r a c t i c e Fo r Es t i ma - ri n g Co n c r e t e S t r e n g t h b y t h e Ma tur i ty Me t h o d 9 S a b i r B B Hi g h S t ren g t h C o n d e n s e d S i l i c a F u m e C o n c r e t e J Ma g a z i n e o f Co n c r e t e Re s e a r c h， 1 9 9 5： 2 1 9 2 2 6 1 0 A i t e i n P C A u t o g e n o u s S h r i n k a g e Me a s u reme n t C I n ： T a z a w a E e d Au t o s h r i n k 9 8 P r o c e e d i n g s o f t h e I n t e rna ti o n al w o r k s h o p o n Au t o g e n o u s S h rin k a g e o f Co n c ret e Hi r o s i ma，J a p a n，1 9 9 8： 2 4 5_ 2 5 6 1 1 C h a n YW， l i u CY， L uY S E ff ect s o f S l a g a n d F l yA s h o nA u t o g - e n o u s S h r i n k a g e o f Hi g h P e rf o r ma n c e Co n c r e t ， Au t o g e n o u s S h r i n k - a g e o f C o n c re t e M E &F N S p o n ， L o n d o n， 1 9 9 9： 2 1 3 - 2 2 0 1 2 杨全兵 水中养护两年的高性能混凝土 白 干燥研究 J 建筑 材料学报 ， 1 9 9 8 ， 1 ( 3 ) ： 2 1 5 - 2 2 2 1 3 徐锋 两者养护 液的制备和对混 凝士 的养护效果研究 J 混凝土 ， 2 0 0 2 ( 1 2 ) ： 2 0 - 2 2 1 4 杨明， 周士琼， 李益进， 伊健 粉煤灰高性能混凝土养护的 试验方 法研究 J 混凝土与水泥制品， 2 0 0 1 ( 5 ) ： 1 0 1 2 1 5 K o h n o K， O k a mo t o T ， l s i k a w a Y， S i b a t a a n d T， Mo ri H E ff e c t s o f a r t i fi c i a l l i g h t we i g h t a g g r e g a t e o n a u t o g e n o u s s h r i n k ag e o f c o n c ret e J C e me n t and C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 9， 2 9 ( 4) ： 6 1 1 - 6 1 4 1 6 O l e Me j l h e d e J e n s e n ， P e r F rei e s l e b e n H ans e n Wa t e r e n t r a i n e d e e - me n t b a s e d m a t e r i a l s J C e m e n t a n d C o n c ret e R e s e a r c h， 2 0 0 2 ， 3 2 ( 6 ) ： 9 7 3 - 9 7 8 1 7 B e n t z D P， G e i k er M R， H a n sen K K S h r i n k age - r e d u c i n g a d m i x t u res a n d e a r l y age d e s i c c a t i o n i n c e m e n t p a s t e s a n d m o r t a r s J C e me n t and C o n c ret e R e s e a r c h ， 2 0 0 1 ， 3 1 ( 7 )： 1 0 7 5 1 0 8 5 1 8 姚明甫， 詹炳根 养护对高性能混凝土塑性收缩的影响 J 合 肥工业大学学报 ， 2 0 0 5 ， 2 8 ( 2 ) ： 1 8 0 - 1 8 4 1 9 姚明甫， 詹炳根 养护对 高性能混凝土脆性影响 的研究 J 合 肥 工业大学学报 ， 2 0 0 4 ， 2 7 ( 1 1 ) ： 1 4 3 8 - 1 4 4 2 2 O 詹炳根， 丁以兵 掺聚丙烯酸酯类 S A P 低水灰比水泥浆水化研 究 J 建筑材料学报 ， 2 0 0 7 ， 1 0 ( 2 ) ： 1 1 5 1 1 1 5 4 2 1 詹炳根 ， 丁以兵 一种用于评定高性能混凝土养护效果的新方 法 J 混凝 土， 2 0 0 6 ( 2) ： 2 5 - 2 7 2 2 詹炳根， 丁以兵 超强吸水剂对高性能混凝土早期内部相对湿 度 的影响 J 合肥工业 大学学报 ， 2 0 0 6， 2 9 ( 9 ) ： 1 1 5 1 1 1 5 4 2 3 丁 以兵 ， 詹炳根 ， 黄其海 ， 周万 良自养护作 用下 的高性 能混凝 土抗冻与 抗渗 性 能 J 合肥 工 业大 学 学 报， 2 0 0 7 ， 3 0( 5 ) ： 6 0 3-6 0 6