混凝土新型養(yǎng)護技術(shù)
用于低水膠比混凝土拌合物的新型養(yǎng)護方法
混凝土的養(yǎng)護常常被忽視，其中很重要的一點是不懂得：養(yǎng)護不僅在于促進水化反應，而且還在于最大限度地減少收縮。通常，減少混凝土早期收縮和開裂的手段和方法有：水泥改性、摻加礦物摻合料和化學外加劑、摻加纖維和進行合理的養(yǎng)護。當前，若干個國家的研究小組正在深入研究如何采用以先進和獨特的內(nèi)養(yǎng)護為基本方法，來減少混凝土收縮為目的的新型養(yǎng)護方法。
這些新型養(yǎng)護方法，正是國際實驗室和專家聯(lián)盟中，建筑材料、體系和結(jié)構(gòu)（ILEM）196-ICC 混凝土內(nèi)養(yǎng)護技術(shù)委員會關(guān)注的重點。該技術(shù)委員會由來自17個國家的37名代表組成。
若干年來，混凝土技術(shù)的進步，已使一種低水膠比混凝土進入了實際的應用階段。但是，令人遺憾的是，除非采用特殊的預防措施，這種低水膠比混凝土在早期階段很容易產(chǎn)生開裂。由于，其拌合物的用水量相對比較低，因此，專家們不得不盡力尋找使其干縮也比較低的措施。近十年來，注意力已集中在大家所公認的，但知者甚少的所謂：自生收縮現(xiàn)象上了。隨著低水膠比高性能混凝土的廣泛應用，已成功開發(fā)出若干種新型的旨在克服這種自生收縮現(xiàn)象的養(yǎng)護技術(shù)。
自生收縮：高性能混凝土的致命弱點
自生收縮并非外部因素，諸如：失水或溫度變化所致。產(chǎn)生自生收縮的原因是，經(jīng)水化的水泥產(chǎn)物的體積，小于水化前水泥和水的體積。在硬化過程中，伴隨自生收縮的是自脫水，或者是水泥持續(xù)水化時，消耗掉孔隙水所引起的混凝土內(nèi)干燥。這個過程可能要持續(xù)數(shù)天或數(shù)周之久。但是，最明顯的自生收縮，發(fā)生在硬化過程的第一或第二天之內(nèi)。
一般來說，對于水膠比大于0.4的混凝土，自生收縮的影響不是很大。隨著水膠比下降到其極限值時，自生收縮往往會增加，甚至會成為一項起主導作用的因素。事實上，一種水膠比為0.3的混凝土，自生收縮大約能占其總收縮量的50%。礦物摻合料也會增加自生收縮。早期產(chǎn)生的自生收縮，會使混凝土產(chǎn)生開裂之風險，這是混凝土最脆弱的階段。其間，混凝土的抗拉強度最小，而且，還會受到高溫差的影響。
內(nèi)、外養(yǎng)護方法分類
根據(jù)建筑材料、體系和結(jié)構(gòu)（ILEM）196-ICC 混凝土內(nèi)養(yǎng)護技術(shù)委員會推薦草案，混凝土養(yǎng)護方法的分類可參見圖1。傳統(tǒng)的養(yǎng)護方法，基本上是通過外部實施養(yǎng)護作業(yè)，并可分為兩種類型：水養(yǎng)護—即那些通過提供額外的水分，來防止混凝土失水的方法；密封（或無水）養(yǎng)護—即那些僅防止失水的方法。
養(yǎng)護水也能從內(nèi)部提供水源，即眾所周知的內(nèi)養(yǎng)護（IC）。內(nèi)養(yǎng)護包括在混凝土拌合物中采用一種起養(yǎng)護劑作用的組分。這種養(yǎng)護劑可以是一種新組分（比如是一種外加劑或是一種特種骨料），也可以是混凝土拌合物中，采用的一種處于特殊狀態(tài)的普通骨料，諸如呈飽和水狀態(tài)。內(nèi)養(yǎng)護和外養(yǎng)護也同樣可劃分為兩種類型：1) 水養(yǎng)護 (有時可稱作引水型)， 這里的養(yǎng)護劑起蓄水器的作用，逐步把水分釋放出來；2）密封養(yǎng)護，這里的養(yǎng)護劑起延遲或阻止正在硬化的混凝土產(chǎn)生的失水作用。
圖1 混凝土養(yǎng)護方法的分類
內(nèi)部水養(yǎng)護（引水型）
大多數(shù)高強和高性能混凝土的水膠比很低，其拌合水不足以保持粗毛細孔內(nèi)充滿能維持水泥水化和進行火山灰反應所需的水分。因此，對于這類混凝土，一般公認的更有效的養(yǎng)護方法是，額外加水（內(nèi)部供水）。內(nèi)部供水養(yǎng)護的可取之處在于，內(nèi)部密封已不能防止其自脫水。
內(nèi)養(yǎng)護劑是該養(yǎng)護體系的一個組成部分，而且它最終被自身分散。這種內(nèi)養(yǎng)護方法有助于克服由于低水膠比體系的低滲透性，使傳統(tǒng)的外養(yǎng)護效果下降所帶來的問題。這種內(nèi)供水養(yǎng)護方式，由于它可直接降低自脫水，因此，是一種降低自身收縮的有效方法。
內(nèi)供水養(yǎng)護的優(yōu)點，遠遠超過了其能提高混凝土后期強度的發(fā)展。使用過這種內(nèi)養(yǎng)護的施工人員認為，內(nèi)養(yǎng)護的主要貢獻是，通過大幅度延長養(yǎng)護期，可降低滲透性。延長養(yǎng)護，還可增加所形成的膠凝材料產(chǎn)物的體積，從而使毛細孔不貫通。當混凝土拌合物中，由于摻加礦物摻合料，諸如硅灰和磨細礦渣，使孔結(jié)構(gòu)更為致密，從而增加自脫水，使內(nèi)供水養(yǎng)護的優(yōu)點變得日益重要。
Powers 模型已用于計算出減少自脫水所需內(nèi)養(yǎng)護水的總量。如圖2所示，水灰比為0.36時，所需的內(nèi)養(yǎng)護水用量最高，相當于水泥重量的6.5%。對于一種水泥用量為400kg/m3的高性能混凝土，內(nèi)養(yǎng)護水所需用量是26kg/m3。根據(jù)Powers模型，如果w/c +wic/c=0.42時，水灰比在0.36-0.42范圍時，水泥有可能完全水化。圖2中下降段即可為證。水灰比低于0.36時，盡管有內(nèi)養(yǎng)護，但是，也只能是部分水泥水化，因為，水化將會受到水化反應產(chǎn)物所占空間的限制。
圖2（根據(jù)Powers模型）
水化過程中，獲得水泥最大程度水化，又能防止自脫水所需的的最低內(nèi)養(yǎng)護用水量
預飽和輕骨料
眾所周知的使輕骨料吸足水，呈高度飽和水狀態(tài)，獲得內(nèi)養(yǎng)護所需用水，已有數(shù)十年之久了。舉例來說，1967年，Campbell 和 Tobin 就證明：通過使輕骨料吸足水分，可生產(chǎn)出對現(xiàn)場劣質(zhì)養(yǎng)護不敏感的寬容性混凝土。
早在上世紀九十年代初，就有人構(gòu)想出通過使用預飽和輕骨料，來克服自脫水的理念。就是通過采用預飽和輕骨料，提供內(nèi)水源，以此來補充水化過程中，化學收縮所消耗的用水。隨著水泥水化，輕骨料中較大孔隙中的水分被吸出，流向水泥凈漿體中尺寸較小的孔隙。因為，可以根據(jù)Kelvin-Laplace方程中的最小空孔尺寸來控制收縮應力，因此，這就可以大大減少自生收縮的發(fā)展。
接著，對用完全由預浸泡吸足水的輕骨料生產(chǎn)的輕骨料混凝土，或用部分由預浸泡吸足水的輕骨料生取代普通重量的骨料生產(chǎn)的混凝土，進行自生變形的研究。大量的實驗顯示，采用內(nèi)水源養(yǎng)護，可生產(chǎn)出沒有自生收縮的高強混凝土。
上世紀九十年代后期，Bentur 和 Bentz提出，通過采用非常少量砂粒尺寸的輕骨料，大大增加向水泥凈漿體提供最有效內(nèi)養(yǎng)護水的方法，來防止自脫水的理念。一個由研究人員組成的國際小組，對此理念進行了徹底的評估。該國際研究小組代表來自：以色列技術(shù)學院、美國國家標準技術(shù)學會、美國伊利諾斯大學、丹麥技術(shù)大學和荷蘭德爾夫大學。對此理念的實驗性評估已斷定，砂粒尺寸的輕骨料產(chǎn)生的影響范圍僅在數(shù)毫米之間。這表明：使用非常少量的細輕骨料，減少自生收縮是可行的。
最近，一項由美國和以色列聯(lián)合進行的研究計劃，對使用浮石作內(nèi)養(yǎng)護輕骨料進行了評估。在攪拌過程中，使浮石吸足水分，并使用具有良好力學性能和有助于獲得高吸水量的，有很高開-閉孔隙率的浮石。這樣，只需使用相對較少量的輕骨料，就可以獲得內(nèi)養(yǎng)護所需用水，而且，對混凝土的強度影響也微乎其微。舉例來說，若采用相當于水泥重量6%的輕骨料，就可以完全消除高強混凝土的自生收縮。
超吸收性聚合物
最近，已提出了一種采用超吸收性聚合物（SAPs）來防止自脫水的新養(yǎng)護方法。大多數(shù)SAP是由交叉狀連接的高分子電解質(zhì)組成的。由于其離子的性質(zhì)和互相連接的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，一顆SAP可以在其周圍吸收大量的液體，并且將液體保持在其結(jié)構(gòu)中又不溶解。當前應用的這類聚合物，理論上的最大吸水性是其自重的5000倍。但是，商業(yè)生產(chǎn)的SAPs的吸收性，可能僅為其自重的20倍，而且，在諸如水泥凈漿體孔隙液體中，有很高的離子溶解性。SAP吸水性的基本原理是其次化學鍵。由于其保持的是松散水分，因此，基本上可將其視為散裝水。
混凝土攪拌過程中，SAP顆粒形成了含有大量松散自由水的宏觀保水物質(zhì)。這類自由水會在水泥水化過程中消耗掉。它不僅可以向水泥凈漿體周圍提供內(nèi)養(yǎng)護，而且還可防止自脫水。這一理念正是模擬了用于混凝土防凍的引氣原理。因此，可稱之為引水。同樣，該術(shù)語--引水，也可應用于前述的預飽和輕骨料養(yǎng)護法。
與輕骨料形成鮮明對照的是，由于SAP會在攪拌過程中吸收水分，因此它可用作干硬性混凝土的外加劑。此外，合理選擇SAP，可以對硬化中的混凝土，自由地設計其孔隙的形狀和尺寸分布。
作為一種高科技材料，SAPs已開拓出廣泛的應用領(lǐng)域，諸如觸摸鏡頭，乳房植入，消防以及土壤調(diào)理劑。但是，當前全球每年超過85%的SAP產(chǎn)品中，即500,000噸，是用于可處理性嬰兒尿布。
內(nèi)封閉養(yǎng)護法
內(nèi)封閉是另一種混凝土養(yǎng)護法。其基本途徑是，既不需要進行外部養(yǎng)護， 也無需向混凝土額外加水。這類自養(yǎng)護化學用品包括：在攪拌過程中，加入水溶性化學用品，以降低混凝土硬化過程中的水分蒸發(fā)和底層混凝土的水分損失。這些外加劑由水溶性聚合物組成，含有羥基和醚功能基團，可提高混凝土的保水性，從而增加水化程度。氫結(jié)合鍵出現(xiàn)在這些功能基團之間，可降低水的蒸發(fā)壓力，減少水分的蒸發(fā)。這些外加劑改變了C-S-H凝膠的形態(tài)，降低了混凝土的吸收性。
深入研究
若干國家正在進行的研究工作，都集中在先進的內(nèi)養(yǎng)護法，它既可降低混凝土的自生收縮，又可促進混凝土的合理水化。在這一領(lǐng)域中，日益增長的興趣，部分原因應歸于與日俱增的對高強和高性能混凝土迫切需求。這些重點研究工作已證明，在同樣場合下，如果采用傳統(tǒng)的外養(yǎng)護法，對防止混凝土的收縮和開裂的效果極為有限時，各種內(nèi)養(yǎng)護方法卻能非常有效地防止混凝土的收縮和開裂。
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