夾層鎖水技術在混凝土中的運用

徐 中 浩， 何 樹 林， 田 先 忠， 楊 代 六， 吳 鳳， 趙 鴻 遠

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司監測及試驗研究所，四川 成都 610072)

夾層鎖水技術在混凝土中的運用

徐 中 浩， 何 樹 林， 田 先 忠， 楊 代 六， 吳 鳳， 趙 鴻 遠

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司監測及試驗研究所，四川 成都 610072)

裂縫是大體積混凝土普遍存在的現象，是工程界關注的重要問題。為解決所謂無壩不裂的難題，工程技術人員采取了一系列技術措施，如配合比優化、高摻粉煤灰、膨脹劑、抗裂纖維等，這些方法對于控制裂縫的產生和擴展起到了一定的作用。介紹了所提出的夾層鎖水技術并利用該技術研發出了一種性能優異的新型抗裂材料，最大程度地實現了減緩甚至防止大體積混凝土出現裂縫，提高了混凝土自身抗裂能力。

混凝土；夾層鎖水技術；強度；抗裂

1 概 述

大體積水工混凝土自澆筑開始，就要經受外界環境和其本身各種因素的作用，使混凝土中任何一點的位置和變形不斷地發生變化，從而產生應力。一般情況下，當應力超過混凝土的極限強度或其應力變形超過混凝土的極限變形值則由混凝土構成的結構物就要產生裂縫。裂縫發展到一定程度，其結構物因失去承載能力而破壞。由于混凝土本身存在抗拉強度低、極限拉伸值小等缺點，而水工混凝土多半又是大體積素混凝土和少筋混凝土，因此，若要避免結構產生裂縫不是輕而易舉的。根據對我國和國際上一些工程進行的統計得知：一般為防止裂縫而增加的工程投資約為造價的5%；而處理裂縫所花的費用約占工程總造價的5%～10% ，而且修補裂縫的施工方法和工藝措施亦很復雜。除此之外，修補裂縫可能會推遲工程投入運行的時間，進而造成很大的損失。因此，在工程中一般都是預先防止裂縫，避免事后修補加固，所采取的主要技術途徑包括配合比優化、高摻粉煤灰、膨脹劑、抗裂纖維等。

2 混凝土養護技術

為了盡可能地解決混凝土開裂問題，Philleo于1991年提出了混凝土內養護技術。混凝土內養護主要是通過向混凝土中加入某種吸水組分，并將其均勻地分散在混凝土中，使其內部存儲的水分在膠凝材料水化過程中緩慢釋放，從而改善混凝土的內部濕度狀態，以減少混凝土出現裂縫的可能性。由于無機材料和有機高分子材料具有較高的吸水率和釋放水分的能力，因此，在混凝土內養護技術中常常使用上述兩種材料作為內養護材料。近年來，除了內養護技術外，養護劑養護作為一種新型的混凝土養護方式也得到了快速發展。

2.1 有機高分子材料內養護技術

目前，混凝土內養護技術中使用最多的有機高分子材料是高吸水樹脂(SAP)。由于SAP是一種三維網絡結構的高分子聚合物，具有很強的吸水性，能夠吸收自身質量幾百倍甚至上千倍的水，因此，在工程上往往使用高吸水樹脂作為混凝土的自養護劑。其吸水原理是：高吸水樹脂在結構上為輕度交聯的空間網絡結構，是由化學交聯和樹脂分子鏈間的相互纏繞物理交聯構成的。吸水前，高分子長鏈相互靠攏纏在一起，彼此交聯成網狀結構，從而達到整體上的緊固程度。當水分子與高分子表面接觸時產生4種相互作用：一是水分子與高分子電負性強的氧原子形成氫鍵結合；二是水分子與疏水基團的相互作用；三是水分子與親水基團的相互作用；四是高分子網絡結構通過物理吸附將水分子封閉在邊長為1～10 nm的聚合物網格內。物理吸附和化學吸附使高吸水樹脂能夠快速吸水，當環境改變時，化學吸附則通過化學鍵的方式使失水速率降低。這種特殊的性質使高吸水樹脂成為混凝土內養護的最佳材料。

為了驗證高吸水樹脂能夠較大程度地提高混凝土的保水能力，國內外學者對其在混凝土中的性能表現進行了全方位的研究。Viktor Mechtecherine等發現，高吸水性能不但能夠減小混凝土的自收縮，而且對于混凝土其它形式的收縮也具有緩解作用。Pierard J等的研究表明：在混凝土中分別添加0.3%和0.6%的高吸水樹脂，其28 d抗壓強度分別降低8%和14%。Hans-Wolf Reinhardt等的研究發現，雖然摻入高吸水樹脂的混凝土抗壓強度會有所降低，但其抗水滲透性能和抗碳化能力都會保持不變或有所提升，氯離子滲透系數亦會減小。劉芳等的試驗結果表明：摻入高吸水樹脂后，新拌合混凝土的流動性提高，粘聚性和保水性有所改善。宋學峰等采用原位合成吸水樹脂處理混凝土表面，處理后的混凝土能夠表現出良好的抗硫酸鹽腐蝕的性能。

雖然試驗結果表明高吸水樹脂能夠提高混凝土的諸多性能，但是，由于高吸水樹脂中的水分釋放后其自身體積的減小會在混凝土中留下孔隙，其中一部分是有害孔，從而使得混凝土的孔隙率增加、混凝土密實度不夠以及混凝土的有效承壓面積減少，因此而導致抗壓強度出現大幅度的降低。抗壓強度的降低會給大型混凝土工程帶來不利的影響以及潛在的安全隱患。

2.2 無機多孔材料內養護技術

由于無機多孔材料和混凝土具有較好的兼容性，同時，無機多孔材料利用毛細管吸附的原理能夠吸附一定量的水，因此，其在混凝土中的使用也比較廣泛。

硅藻土是一種生物成因的硅質沉積巖，其化學成分以SiO2為主，其微觀構造如圖1中的左圖。正是由于天然硅藻土具有特殊的多孔性構造，其孔隙率高達50%-70%，在吸附大量水的同時具有較高的反應活性，因此，研究者將其摻入到混凝土中研究其對混凝土性能的影響。Hewlett PC和Powers TC等人經過研究發現：由于硅藻土顆粒形狀會影響混凝土的粘聚性并增加混凝土的需水量，因此而限制了硅藻土在混凝土中的應用。

陶粒具有優異的性能，如密度、筒壓強度高、軟化系數高、抗凍性良好、抗堿集料反應優異等，同時，其內部多孔，形態、成分較均一，因此，其在混凝土中被廣泛使用，微觀構造如圖1中的右圖。陶粒混凝土耐酸、耐堿和抗凍性能優于普通混凝土，1976年，有關部門對全國自1985年以來所建的陶粒混凝土工程進行了實測，結果表明：無論是預制的、還是現澆的，室內的與室外的，其所含鋼筋均未銹蝕，測到的碳化深度一般不大于30 mm，后期強度還可以繼續增長。由此可見，陶粒在混凝土中發揮的作用較明顯。

雖然無機材料作為最早的內養護材料在改善混凝土內部濕度、降低自收縮時具有一定的作用，但是，國內外學者的大量研究發現：當無機材料摻入到混凝土中時存在吸水能力低、密度小等問題，在一定程度上限制了這類材料的進一步應用。

圖1 無機多孔材料的掃描電鏡圖 (左圖：硅藻土；右圖：陶粒)

2.3 混凝土養護劑

養護劑是一種噴涂或涂刷于混凝土表面、能在混凝土表面形成一層不透水、密閉養護薄膜的乳液或高分子溶液，可以降低混凝土內部水分的蒸發，從而為混凝土的水化保證足夠的水分。

為了進一步認知養護劑對混凝土性能的影響，國內外學者對其進行了深入地研究。Al-Gahtani A s研究了不同類型的養護劑對混凝土性能的影響，其研究實驗結果表明：所研究的養護劑有助于提高混凝土的強度。Seongcheol Choi等人研究了養護劑施工工藝參數對道路混凝土性能的影響，研究表明：養護劑的種類、噴涂時間以及噴涂數量對混凝土性能產生重要的影響。亓良樹等人研究了養護劑對混凝土抗裂性能和收縮性能的影響，試驗結果表明：養護劑能降低混凝土開裂的風險，7 d養護混凝土的收縮值只有基準混凝土的47%，28 d養護混凝土的收縮值僅為基準的79.4%。

雖然國內外學者對養護劑進行了研究，也取得了一系列的成果，但是也存在一些問題，如養護效率不高、成膜質量不穩定、無機組分的滲透性差、工藝復雜、成本較高等問題。針對上述混凝土養護技術所存在的問題，筆者從混凝土內部保水角度考慮，提出了夾層鎖水技術以便盡可能地解決混凝土的開裂。

3 夾層鎖水的技術思路

3.1 機理分析

筆者對目前混凝土養護技術的優缺點進行研究分析得知：無論是使用無機材料或有機高分子材料進行內養護、還是在混凝土表面噴涂或涂刷養護劑進行養護，都存在以下幾個問題：

(1)有機高分子材料的摻入會使混凝土抗壓強度大幅度降低，嚴重影響工程質量。

(2)外界環境發生變化時，無機材料只能通過物理作用鎖住水分，而不能持續補充混凝土中水分的散失，因此，無機材料鎖水能力差。

(3)養護劑在混凝土的表面成膜不穩定，噴涂工藝復雜，成本較高。

基于以上混凝土養護技術中存在的問題， 為了發揮有機高分子材料和無機材料各自的優勢并在外界環境發生變化時盡可能地鎖住混凝土中的水分，同時盡可能地降低成本，筆者首次提出了夾層鎖水技術——將有機高分子材料通過一定的技術手段封裝在無機材料內部，制備出類似“核-殼”結構的新型內抗裂材料。該材料相對于傳統無機材料的優勢是物理作用和化學作用(氫鍵、范德華力)雙管齊下共同作用保水，而非單一的物理作用，其保水效率更高。倘若把有機材料比作 “核”的話，那么，無機材料則充當“殼”的作用，既提高了材料的吸水和保水能力，同時也不會造成有機高分子材料對混凝土強度的不利影響。所制備出的新型材料能夠實現自我濕度的調節，環境干燥時其會釋放出所含有的水分；反之，在潮濕環境中其又會吸收水分。

當新型抗裂材料作為外摻料加入到混凝土中時，在高溫環境中，其緩慢釋放包結的水分、補充混凝土中水分的散失；在潮濕環境中，則吸收水分起到保持混凝土內部相對濕度的作用，從而實現混凝土中鎖水到釋水過程中的智能轉變。從圖2可知：無機材料和有機材料的吸水機理并不相同，夾層鎖水技術是建立在兩種材料的優異性能基礎上實現的。

圖2 三種材料鎖水示意圖

3.2 微觀分析

圖3為新型抗裂材料的掃描電鏡圖。從低倍電鏡圖可以看出：試驗后的材料呈現出蜂窩狀多孔結構，每個結構之間并沒有出現連接團聚現象，同時也可以看到每個多孔結構的外表面比較光滑，并沒有附著物粘附在上面。無團聚現象說明有機高分子物質大多數在材料的孔洞內，使新型抗裂材料能夠在混凝土中均勻分散并減少了因分散不均勻導致的混凝土中個別部位強度的不同，有助于保持其整體強度的一致性。繼續放大倍數后觀察發現：在每個多孔結構的內部均勻分布著附著顆粒狀物質，結合試驗過程中使用的物質初步判斷顆粒狀物質為有機高分子物質。

圖3 不同倍數的掃描電鏡圖

為了進一步驗證孔洞內的顆粒物質，筆者對該物質不同部位進行了EDS能譜分析，結果如下：

從圖4的EDS分析中可以看出：在不同的區域(Selected Area1 和 EDS Spot 1)其具有不同的元素含量，其中最為突出的就是碳(C)元素的不同。EDS Spot 1中含有的碳(C)元素重量為碳(C)元素重量百分比的12.42%，而Selected Area1區域中并沒有碳(C)元素。由于有機高分子物質中含有大量的C元素，同時，結合實驗室內該材料在高溫下的吸水表現，可以推斷出原材料孔洞內部的顆粒狀物質為有機高分子物質。

4 新型抗裂材料混凝土試驗成果

4.1 失水速率

為了驗證新型抗裂材料在一定溫度(50 ℃和60 ℃)下持續失水的能力，該試驗研究了兩種材料在不同時間的重量損失情況：一是無機多孔結構材料(原始材料)；二是新型內保水材料，試驗成果見圖5。從圖5中可知：原始材料在2 h后基本上就不能持續失去水分，而新型材料在7 h后仍能持續失水；同時，從圖5中也可以看出：新型抗裂材料的吸水量遠大于原始材料的吸水量。

材料重量損失的不同是由于兩者吸收水分和鎖住水分的能力不同所引起的。原始材料吸收水分主要是依靠物理作用進行，在外界條件變化時，一開始就很容易快速失去水分，隨著時間的增加，材料的重量損失基本上沒有變化。反觀新型抗裂材料，其吸水是物理作用和化學作用共同作用的結果，外界條件變化使其失水時，需要一定的能量來破壞鎖住水分的化學鍵(氫鍵等)，因此表現出新型抗裂材料的失水速率慢，在數小時后仍能出現重量損失的現象即持續失水的能力。試驗結果從側面證明了新型抗裂材料在吸水和鎖水方面所具有的優異性。

4.2 抗裂性能

從圖6中可以看出：在加強試驗條件的情況下(試塊表面溫度為50 ℃～60 ℃)，經過1 h的試驗后，發現未添加新型抗裂材料的砂漿試塊出現了2～3條裂縫，隨著時間的增加，裂縫越來越大，而添加新型抗裂材料的試塊并未出現裂縫，說明新型材料的加入能夠明顯提高砂漿試塊的抗裂效果，這是由于抗裂材料能夠通過物理和化學雙重作用將水分鎖住，在外界溫度持續升高時能夠防止因過多的水分散失而造成裂縫的產生。

4.3 強度性能

圖5 材料重量損失隨時間變化曲線圖

圖6 左圖為空白對照組；右圖為添有抗裂材料試驗組

相同配合比參數混凝土在不同新型抗裂材料摻量(0、0.2%、0.4%、0.6%)下的抗壓抗折強度試驗成果見圖7。

通過對比混凝土強度數據并綜合考慮可知：材料的摻入對混凝土的強度影響不大。對比試驗組與空白組可知：抗裂材料加入后，試塊的抗壓強度只有小幅下降，從側面證明了“核-殼”結構的正確性。在吸水前期，無機材料和有機高分子材料共同通過物理和化學作用吸收水分，在外界條件變化時，混凝土水分開始散失并對混凝土中膠凝材料的水化過程產生不利的影響，此時，新型抗裂材料在長時間為周圍的膠凝材料不斷地提供其吸收的水分，彌補了混凝土中散失的部分水分，使得混凝土或砂漿的整體水化更均勻，對于提高混凝土的強度起到了積極的作用。再者，由于有機高分子材料在“殼(無機材料)”的內部，無機材料在外界條件變化時，并不會出現自身體積變化的情況，從而使得混凝土的水化結構更加密實，因此，當有機高分子材料釋放水分后，其自身體積的減小不會在混凝土或砂漿中留下孔隙，從而減少了單獨摻入有機高分子材料所引起的孔隙率，因此而增大了混凝土的有效承壓面積，對其強度起到了積極的作用。

5 結 語

圖7 不同齡期強度試驗結果示意圖

對于混凝土易開裂、難控制的特點，筆者采用夾層鎖水技術，突破了目前工程上傳統混凝土養護的方法，巧妙地將有機高分子類物質與無機材料結合在一起，具有較大的創新性。該技術使兩種材料都能各盡其責最大程度地發揮各自的作用，同時也避免了單獨使用某一種材料對混凝土所帶來的不利影響。

主要研究結果如下：微觀分析表明：有機高分子物質在無機原材料的多孔內部結構中；失水速率結果表明：新型抗裂材料在一定溫度下吸水和鎖水能力均優于無機原材料；抗裂性能研究結果表明：加入一定量的新型抗裂材料能提高混凝土在惡劣環境中的抗裂性能；強度性能試驗結果則指出：在摻加一定量新型抗裂材料的情況下能夠提高混凝土的抗折強度，而對其抗壓強度則基本上不會產生影響。

該技術的成功應用是基于結合有機材料和無機材料兩門學科的基礎上實現的，豐富了控制混凝土開裂的手段，為今后學者在新型抗裂材料的研發方面提供了一定的參考。

(責任編輯：李燕輝)

2016-12-24

TV7;TV44;TV43;TV41

B

1001-2184(2017)01-0022-07

徐中浩(1989-)，男，四川雅安人，助理工程師，碩士，從事水工新材料研發及水工混凝土材料研究；

何樹林(1989-)，男，四川會東人，助理工程師，學士，從事水工新材料研發及水工混凝土材料研究；

田先忠(1968-)，男，湖北宜昌人，副主任，高級工程師，學士，從事水工新材料研究以及混凝土材料研究；

楊代六(1973-)，男，重慶銅梁人，主任，教授級高級工程師，學士，從事水工新材料研究；

吳 鳳(1988-)，女，四川榮縣人，助理工程師，碩士，從事綜合管理工作；

趙鴻遠(1975-),男，四川成都人，助理工程師，從事水工新材料研究.