混凝土内养护技术国内外研究进展.pdf
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1、2 0 1 4 年 第 5 期 【总 第 2 9 5 期 l N u mb e r 5 i n 2 0 1 4 ( T o m l No 2 9 5 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES EARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 4 0 5 0 0 8 混凝土内养护技术国内外研究进展 王立霞 ( 河南建筑职业技术学院 河南省建筑工程学校 ,河南 郑州 4 5 0 0 6 4 ) 摘要 : 低水胶比混凝土因其 内部 自干燥 , 早期产生相当大的 自收缩变形 , 一旦混凝土的变
2、形受到约束 , 就会在混凝土 内部产 生 内应力 , 进而导致混凝土早期开裂。 饱水多孑 L 材料掺人混凝土, 提高了混凝土内部的湿度 , 胶凝材料的水化程度得到加大 , 从而 抵抗混凝土水化过程中的白干燥 , 降低混凝土的自收缩。 阐述了国内外混凝土内养护技术的现状 , 分析了内养护技术 的机理以及 内养护对混凝土性能的影响。 关键词 : 混凝土;内养护 ;轻骨料 ;高吸水性树脂 中图分类号: T U 5 2 8 0 6 4 文献标志码 : A 文章编号: 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 5 0 0 3 0 0 5 Res ea r ch pr ogr es s
3、on i n t er na l c ur i ng conc r et e 、 NG Li x i a ( He n a n T e c h n i c a l Co l l e g e o f Co n s t r u c t i o n , He n a n P r o v i n c e B u i l d i n g E n g i n e e ri n g S c h o o l , Z h e n g z h o u 4 5 0 0 6 4, Ch i n a ) Ab s t r a c t : T h e c o n c r e t e wi t hl o wwa t e r
4、 b r i n d e r ( W B) r a t i o e x p e ri e n c e s s e l f - d e s i c c a t i o nd u r i n gi t s h y d r a t i o np r o c e s s 。 l e a d i n gt oa c o n s i d e r a b l e h i g h a u t o g e n o u s s h r i n k a g e d e f o r ma t i o n d u r i n g h a r d e n i n g I n c a s e the f r e e d e
5、 f o r ma t i o n o f t h e c o n c r e t e i s p r e v e n t e d , i n t e r n a l s t r e s s e s are i n t r o d u c e d , wh i c h c a n l e a d t o t h e e a r l y s h r i nk a g e c r a c k i n g By a d d i n g p r e s a tu r a t e d l i g h t we i g h t a g g r e g a t e s ( L WA) and s u p e
6、 r a b s o r b i n g p o l y me r s ( S AP) i n t o t h e c o n c r e t e wi t h l o w W B r a t i o a s i n t e ma l c u r i n g a g e n t s and b y a d d i n g a d dit i o n a l c u r i n g wa t e r t o t h e c o n c r e t e mi x tur e , t hei n t e r n a l r e l a t i v eh u mi di t yde c l i n e
7、 o ft h e c o n c r e t ede l a y s a t a n e arl ya g e, theh ydra t i o nde g r e e ofc e me n t c a l l b e pr omo t e d, t h e s e l f - d e s i c c a t i o n d u r i n g hy dra t i o n of the c o n c r e t e i s c o u n t e r a c t e d a n d t hu s t he a u t o g e n o u s s h r i n k a g e o f
8、the c o n c r e t e wi t h l o w W B r a t i o C an b e s i g n i f - i c a n t l y r e d u c e d Th e c u r r e n t r e s e a r c h s i tua t i o n s o fi n t e rna l c u r i ng t e c h no l o g i e s arc d i s c us s e d, t he a c t i o n me c ha ni s m a n d e f f e c t s o fi nt e rna l c u rin
9、g on c o n c r e t e a r e a n a l y z e d K e y wo r d s : c o n c r e t e ; i n t e rna l c u r i n g ; l i 曲t w e i g h t a g gre g a t e ; s u p e r a b s o r b i n g p o l ym e r 0 引言 低水胶 比掺加硅灰等高活性矿物掺合料 的高性 能混 凝土, 以其优 良的力学性 能和耐久性 能 , 而在海工结构 、 高 层建筑 、 大跨度桥梁 以及机场跑道中得到 了日趋广泛 的应 用。 然 而 , 低水胶 比混凝土早期
10、开裂的敏感性 , 是其在工程 应用 中的最大障碍 。 低水胶 比混凝土易于 自干燥 , 进而导致混凝土 自收缩 。 当混凝土的 自收缩变形受到 内部集料或者外部相邻结构 构件 的约束时 , 就会在混凝土 内部产生应力 , 而一旦 内应 力超过混凝土的抗拉强度 , 混凝 土就会开裂 , 甚至破坏 , 继 而严重影响混凝土的力学性能和耐久性 。 P o we r s T C等 k - 2 经过多年 的研究 , 并 不断的改进 , 提 出了水泥浆相体积分布的经验模型, 这个模型使水泥基材 料定量计算成为可能。 他们基于对水蒸气的吸附等温线和 硬化水泥浆 中化学结合水的研究 , 将水泥浆中的水分成 :
11、 毛 细水 、 凝胶水和化学结合水。 测量表明 , 在完全水化时 1 g 收稿 日期 :2 0 1 3 1 1 _ J 0 8 基金项 目:国家 自然科学基金项 目资助( 5 0 4 0 4 0 0 5 ) 3 0 的水泥大约结合 0 。 2 3 g的化学结合水和 0 1 9 g的凝胶水。 因此 , 只有水灰比在 0 4 2以上 , 水泥才可 以完全水化 。 而对 水胶 比在 O 4 2以下 的混凝土 , 由于低 的渗透性 , 传 统手段 提供的外部水很难 进入混凝土内部 , 以至于传统养护手段 对 防止混凝土 内部 的 白干燥是无效 的 , 因此 , 混凝 土将 会 产生较大的 自收缩。 为
12、了从根本上解决低水胶 比混凝土早 期 自收缩和开裂 的问题 , 最适合的养护方法是从混凝土 内 部提供水源进行内养护。 内养 护就 是将 饱水 轻骨 料 ( L WA) 或 高吸水 性树 脂 ( S A P ) 等饱水多孔材料掺入混凝土 中, 在混凝 土内部形成 水源 。 在胶凝材料水化过程 中, 饱水多孔材料 中所含 的水 在毛细管张力 和湿度差的作用下 , 释放所 吸收 的水进人混 凝土 内部 , 供未水化的水泥继续水化 , 维持混凝土 内部处 于高湿状态 , 从而降低混凝土水化过程 中的 自收缩 。 K i m J K和 L e e C S t 9 研究 了不 同水胶比混凝土早期的 内部
13、湿度分布 , 结果表 明, 由于水分 的扩散 , 混凝土 中的水 分含量降低 了。 另外 , 由于水泥的水化 , 自干燥 导致早期混 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 凝 土中水分 含量进一步降低 , 尤其 , 低水胶 比高强混凝土 的 自干燥 对混凝土内部湿度分布有着更为显著的影响 , 而 且影 响程度随水 灰比的降低而增强。 Y a n g Q B t 0 1研究 了水 中养护两年混凝土内部湿度的变化 , 发现随着水灰 比的降 低 , 混凝土内毛细孔相对 湿度也 降低 , 混凝土 内毛细孔相 对湿度的降低 , 是低水胶 比混凝土 自收缩产生的主要原因。 许华
14、胜等 研 究 了不 同水胶 比混凝 土由于 自干燥引起 的 内部相对湿度变化 与 自收缩 的影 响 , 发现 , 随着水胶 比的 降低 , 混凝土内部由白干燥引起的相对湿度降低 , 而 自收 缩增加。 以上研究均表明, 低水胶比混凝土由 白干燥引起 的 内部相对湿度 的降低 , 是 自收缩的主要原因 , 因此 , 降低 自 收缩最合适的办法是从混凝土内部提供水 源 , 增加混凝土 内部 的湿度 , 对混凝土进行 内养护 。 1 内养护机理 混凝土凝结硬化期间 , 随着胶凝材料水化进行 , 混凝 土内部的水分不断被消耗减少 , 在混凝土与外界环境没有 湿度交换的条件下 , 混凝 土内部相对湿度不
15、断 降低 , 这种 现象称为混凝土的 自干燥。 水胶比越低 , 自干燥现象越严重 。 混凝 土内养护主要是通过向混凝土中加入吸水组分 , 并将其均匀地分散到混凝土中 , 而 当混凝 土中 自由水分 降 至一定程度时, 吸水组分 内部存储 的水分逐渐被释放 , 用 以 弥补 内部湿度 的降低 , 以维持胶凝材料的水化反应持续进 行 , 有效阻止硬化水泥浆体的 白干燥。 内养护材料在混凝土 中的释水动力 , 一是 内养护材 料与水泥石 毛细孑 L 内部 的湿 度差 。 在 内养护材料 释水初 期, 随着水泥石内部相对湿度的降低 , 水泥石内部与内养 护材料 内部相对湿度差是 内养护材料释水 的主要
16、动力 ; 二 是水泥石与内养护材料 内部毛细管 间的压力差 。 在内养护 材料释水后期 , 胶凝材料水化产物不断填充 毛细孔隙的空 间 , 水泥石 内部 毛细孑 L 尺 寸不断变小 , 增加 了水泥石毛细 管的拉应力 , 与内养护材料孔 内水压形成压力差 , 迫使 内 养护材料 中的水分进入水泥石的毛细孔 内。 2 内养护材料的掺量和引入的水量 为保证低水胶比混凝土中胶凝材料充分水化 , 最大程 度减少混凝土的 自收缩 , 需要在混凝土中引入一定量 的内 养护水。 如果内养护水量不足 , 无法保证胶凝材料充分水化 , 最大程度降低混凝土的 自收缩 ; 如果引入的水量过多 , 由于 水灰 比的提
17、 高 , 以及过 多的轻骨料 的用量 , 严重影 响混凝 土的力学性能和耐久性 。 因此 , 内养护技术的关键是引入最 佳 内养护水量。 内养护水是靠 内养护材料 引入的 , 因此 , 不 同吸水性能的内养护材料其最佳掺量不 同。 2 1 S A P合理 的引水量和掺 量 引入 到混凝 土中内养 护水 的多少是 内养 护成功与否 的关键。 饱水 S A P中的水分应该在合适 的时间释放 出来 , 使胶凝材料获得这些水而进一步水化。 前面提到, 要使胶凝 材料完全水化 , 需要 的水灰 比约为 0 4 2 。 因此 , 当水灰 比低 于 0 4 2 时 , 如果内养护水进入 , 就会拟制 自干燥
18、 , 提高水泥 的水 化 程度 。 所需 内养 护水 的 数量 从 理 论上 可 以通 过 P o w e r s Mo d e l 来估计 1 3 : )Ic= 0 8 3 6 C 、 c 一 , -C-1 0 3 6 4 2 ( 2 ) 由于在混凝土 中, S A P中的水分释放被限制, 因此必须 引入 比理论计算要高的引水量 , 以最大 限度地降低混凝土 的 自收缩。 具体引入水量要 以不明显影响混凝土强度和耐 久性为原则 , 并根据试验结果来确定 。 当确定了内养护水的 数量以后 , 根据 S A P的吸液特l 生, 计算所需要 S A P 的掺加量。 2 2 L WA选择和掺量 饱水
19、 L WA作为内养护混凝土的蓄水池 , 提供 内养护所 需要 的水 , 这些储存在 L WA内部 的内养护水 , 又必须能够 传输到需要补充水分的胶凝材料所在 的部位。 由于受到已 水化胶凝材料 内部结构的限制 , 内养护水在其内部 的传输 受到 了限制。 A k c a y B等通过染色的办法 , 观察 内养护水 在混凝土中的传输距离 , 发现水的最大传输距离为 1 mm。 而 B e n t z D P等 l5 的研究发现 , 内养 护水 能够到达 的距 离 仅限制在 2 0 0 m 以内。 多项研究表明 期 , 在 L WA提供相 同内养护水 量的情 况下 , L WA在混凝土 中的空
20、间分 布越 均匀 , 内养护效果越好 ; L WA的颗粒越小 , 与胶凝材料 接 触面就越大 , 内养护效果越好。 因此选择颗粒较细的 L WA, 会获得更好 的内养护效果 。 为 了消除 白干燥 , L WA引入 内养护水的量( W ) 可以 由式 ( 3 ) 计算 15 , 1目 。 Wi e Mc C s O m a x ( 3 ) 式中: 帆 混凝土 中水 泥用量 , k m ; c 完全水化 时水泥化学收缩值 ; 一 水泥水化程度最大期望值。 相应地, 供内养护 L WA的量 可以通过式( 4 ) 计 算 15 5 1 19 。 ( 4 ) 式中: s L wA的饱水程度 ; L W
21、A的吸水率。 由于掺加 了 L WA, 普通骨料要 相应减少 , 其减少的量 应等于 L WA的体积 。 当使用饱水 L WA时, s等于 1 。 工程实践中, 要完全消除 自收缩所需的 L WA的量较大 。 这就 意味着并不是所有 内养护水都 能有效 的供 内养护使 用 。 从工程角度看 , 应该有一个效率系数 叼 , 的取值范围应 在 0 1 之间。 L WA的效率系数 卵可以用式( 5 ) 计算 。 叩 式 中: 收缩降低 的百分率 ; L w A L W A的量 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 为了提 高混凝土的性能 , L WA应有较 高的吸收水分
22、 的能力和释放水分 的速度 。 L WA 的颗粒分 布和硬度应类 似于所替代的普通骨料 。 3 内养护对混凝土性能的影 向 当混凝土水化过程 中出现水分不足时 , 作为 内部 蓄水 池 , 补充水分供胶凝材料继续水化 。 因此 , 内养护材料作为 内养护混凝土 的组成 , 对混凝土的各项性能会产生不同的 影响。 3 1 内养护对混凝土收缩的影响 低水胶 比混凝土 自干燥使混凝土 内部的湿度显著 降 低 9 1 。 而掺人 内养护材料 , 可 以向混凝 土内部 提供水分 , 使 胶凝材料内部在较长时间内能够保持较高的相对湿度 , 促进胶凝材料水化2 3 1 , 抑制混凝土 的早期收缩 。 B e
23、 n t u r A2 4 1 等研究了饱水 L WA部分替代普通骨料的高强混凝土 的自 收缩 。 用 2 5 体积的饱水 L WA取代部分普通骨料 , 掺有饱 水 L WA混凝 土没 有产生 自收缩 。 而且 由于饱水 L WA给 高强混凝土基材料提供内部水化的水分 , 水泥进一步水化 , 使 混凝土产生持续膨胀 。 董淑慧等 研究 了 L WA性 能对 混凝土 自养护减缩效果的影响, 发现 陶粒的预湿程度增加 , 混凝土早期 自收缩减小 , 饱 和预湿陶粒 自养护减缩效率为 3 9 1 , 而饱水陶粒取代 5 0 的天然砂, 自养护减缩效率可 达 9 5 6 。 陈伟等2 5 1 研究 了
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