混凝土外養護劑的應用與研究進展

周予啟，楊峻，何偉

（1. 中建一局集團建設發展有限公司，北京 100102；2. 清華大學土木工程系，北京 100084）

混凝土外養護劑的應用與研究進展

周予啟1，楊峻2，何偉2

（1. 中建一局集團建設發展有限公司，北京 100102；2. 清華大學土木工程系，北京 100084）

混凝土的力學性能和耐久性能與養護方式緊密相關，傳統養護方式已經很難滿足現代的各種施工要求，因此使用外養護劑進行混凝土養護的方法已經越來越多地被采用。目前外養護劑主要包括無機類、有機高分子乳液類、石蠟乳液類和有機無機復合類。本文著重討論這些外養護劑的作用機理、特性、效果和缺陷，并結合工程應用實例加以說明。

外養護劑；作用機理；無機類養護劑；有機類養護劑；復合養護劑；工程應用

1 綜述

混凝土強度除了與水膠比、齡期、膠材用量等因素緊密相關之外，還與混凝土的養護方式相關，良好的養護方式可以保證水泥的充分水化，促進強度增長[1-2]。混凝土的干縮裂縫和結構疏松會因為缺乏水分而加劇，進而造成混凝土的耐久性等一系列性能的下降，因此混凝土的養護至關重要，必須加以重視[3]。

傳統混凝土可以按照養護溫度的不同分為高溫蒸汽養和常溫養護，按養護濕度的不同分為普通養護和濕養護，按養護機制的不同分為填埋養護和薄膜養護。但是對于高層建筑或是處于干旱地區，正常的養護施工方法無法滿足養護要求[2]。

除了傳統養護方式外，現代混凝土的養護方式主要是根據加入時間和方式的不同分為外養護和內養護[4]。外養護是指在混凝土澆筑完成后，涂抹或者噴灑一層具有一定滲透性的物質，可以迅速地在混凝土表面形成致密的薄膜，或是自身添加的物質發生反應生成連續的薄膜，或者是與混凝土內部的水泥發生反應，生成膠凝產物或無機鹽等，不僅能夠形成一層覆蓋物，而且還能使得反應產物堵塞毛細孔，阻礙水分蒸發[5]。外養護劑的普遍作用機理便是如上述的作用過程，但根據不同的原材料和反應過程，機理也有所不同，下文會進行區分和詳述。內養護則是在混凝土的制備過程中加入養護劑，當水分逐漸消耗或者環境較為干燥，無法從外界獲取充分的水分時，內養護劑會因為溫度或壓強等因素的變化自身引起反應，產生多余的水分，改善養護條件，促進水化[6]。使用養護劑有許多優點，不但能夠更好地使混凝土的性能得到發展，而且能夠在惡劣的環境下保證混凝土性能增加，如缺水地域或者雨季等，更能顯示出其優越性。本文主要介紹外養護劑的發展歷程、研究成果和一些典型的工程應用實例。

外養護劑于 1940 年開始進行研究，30 多年后經過西方國家的探究，逐漸開發出一種較為穩定的外養護劑——有機高分子乳液養護劑，該養護劑的制作還較為粗糙，且有毒性，不利于推廣。在 1980 年，石蠟乳液類外養護劑首次被研發出來，無毒且易制備，對混凝土養護效果較好。21 世紀以來，復合型養護劑逐漸被開發出來。目前外養護劑主要包括無機類、有機高分子乳液類、石蠟乳液類、有機無機復合類[2,4]。一般來說，外養護劑需要在混凝土初凝且表面無明水時立即進行涂抹，如果噴灑或涂抹過早，容易造成膜不連續，如果過晚，則混凝土水分損失太大，容易產生裂縫，不過對于不同種類的外養護劑的具體噴灑或涂抹時間還是有所區別的。

2 無機類外養護劑的作用機理和研究進展

目前研究中最主要的無機類外養護劑是以硅酸鹽和硫酸鹽為基的改性研究，常使用的硅酸鹽便是Na2O·nSiO2和 K2O·nSiO2，可以加入另外的有機物或無機物，或者調整模數，進行更加深入而廣泛的研究。其作用機理是，外養護劑中硅酸鹽能夠與 Ca(OH)2、C-AS-H 反應生成膠凝材料和針棒狀的鈣礬石，堵塞毛細孔，并且生成連續的一層薄膜，促進水化持續進行，并且抑制水分蒸發，其反應方程式如下所示[4]：

因為此類養護劑的工作原理是需要與水泥中的熟料和水化產物反應，不能等混凝土完全成型使得結構致密，因此必須在澆筑完立即噴灑該種外養護劑。

以水玻璃為基制成的混凝土無機類外養護劑是研究的重點和熱點問題，摻入的有機物主要有三乙醇胺、尿素和甲基硅醇鈉，而加入的無機物主要包括了氟硅酸鈉、硅酸鋰、偏硅酸、硼酸、甲酸鈣和氯化鎂[7-8]。其中，加入氟硅酸鈉、硼酸鈉等一系列酸性物質有利于抑制裂紋的產生，減小混凝土的收縮；加入甲基硅醇鈉則能顯著提高混凝土的強度、滲透性能和耐磨性；加入氯化鎂的工作原理與上述普通無機類外養護劑有所不同，該養護劑能夠吸收外界水分，使得混凝土一直保持較高的濕度環境，促進水化。使用硫酸鹽為基制成的外養護劑不常見，但有關專利設計出一種硫酸鹽外養護劑，在早期能夠生成鈣礬石，在后期促進膠凝產物的生成，提高了混凝土抗滲性。

總結來說，無機類養護劑制作較為容易，成膜性很強，施工較為簡單。但此類外養護劑由于容易受溫度影響而不利于混凝土在各種環境中使用，且實用性不強，不能在惡劣條件下大量使用，特別是干旱地區。

3 有機類外養護劑的作用機理和研究進展

目前來說，有機類外養護劑的研究主要圍繞高分子乳液和石蠟乳液兩種體系開展，下面重點說明這兩種外養護劑的機理和相應研究。

（1）高分子乳液類

高分子乳液養護劑的工作機理與無機類有所不同，該養護劑不與水泥或水泥產物反應，只是在混凝土成型后在其表面形成連續的有粘性的薄膜，進而覆蓋住混凝土的孔隙，抑制了內部的水分蒸發，從而提高了混凝土的強度。目前所用的高分子乳液以苯丙體系為主。

目前，關于高分子乳液外養護劑的研究主要集中在使用苯丙為乳液基，加入不同的有機基團，比如 -OH基團、有機氟單體和硅單體。已有的研究表明，使用苯丙乳液為基的外養護劑能夠顯著降低塑性開裂、碳化和收縮，提高了抗凍融循環、抗氯離子滲透性能[9,10]。有研究表明，加入氟和硅后制成的養護劑，能夠保證混凝土表面形成水膜的封閉性更好，降低氯離子滲透性[11]。有專利的做法是改變了苯丙的分子結構，從納米級構造改變了養護劑的性質，大幅提高了養護性能。還有專利以氯乙烯—偏氯乙烯乳液為基，并且加入納米級粉狀材料，獲得了更好性能的外養護劑。

總結來說，高分子乳液養護劑的優勢在于較好的保水性和成膜性，不會出現開裂和起皮的現象，施工質量能夠得到相應的提高。但缺點與無機類外養護劑類似，都易受環境溫度影響，不夠穩定，不利于運輸，影響施工，同時有機溶液易揮發、污染環境。

（2）石蠟乳液類

與上述高分子乳液外養護劑作用機理類似，石蠟乳液外養護劑能夠在混凝土表面形成一層連續的憎水油脂膜，與高分子乳液一樣對混凝土毛細孔起到很好的封閉作用，這是一種多相的穩定乳液。

目前，石蠟乳液外養護劑的研究趨向于添加新材料進行合成，雖然單獨添加石蠟乳液已經能夠大幅降低混凝土的水分蒸發率，進而抑制裂縫的生成，但其仍然存在著受環境因素影響的缺點，比如容易被稀釋等[12]。有研究加入有機物如三乙醇胺、丙烯酸酯、淀粉等，制成新型的外養護劑[13,14]，提高了混凝土的強度、保水率和抗滲透性。也有相關研究改變了石蠟的形態，如使用晶體和液態，進而改變了其表面活性，獲得更高性能的外養護劑，提高混凝土的保水率[13]。

相較于高分子乳液，以石蠟乳液為基的外養護劑綜合性能更高，制作工藝更加簡單，運輸過程受擾動影響較小，同時，石蠟乳液的污染小。但同樣的，對于惡劣環境，特別是潮濕環境，該類外養護劑會因為被稀釋而造成性能降低。

4 復合養護劑的作用機理和研究進展

復合養護劑結合上述無機類和有機類養護劑的優勢：不僅成膜性強、滲透率高，而且成膜速度快、保水性能好。該養護劑主要成分是水玻璃和高分子乳液，并且可以通過加入其它助劑進行改性，研究范圍更加廣闊，研究難度也更大。其工作機理也是上述無機類和有機類養護劑的綜合，水玻璃與水泥及其產物反應，生成凝膠堵塞毛細孔，高分子乳液自身形成連續的一層薄膜，覆蓋住混凝土表面，阻礙水分蒸發[15]。目前常見的復合養護劑中的無機組分是水玻璃和硫酸鹽，有機成分主要有高分子、石蠟和聚乙烯醇等上述的有機類外養護劑。

目前的復合外養護劑的研究熱點和上述無機類和有機類養護劑相對應，主要是以硅酸鹽為無機成分，高分子乳液和石蠟乳液為有機成分。其中，以高分子為有機成分的研究表明，不僅混凝土的收縮和龜裂都得到了抑制，而且早期強度也有了較大幅度的提高[16]。以石蠟為有機成分的研究則表明，該養護劑涂抹后的混凝土的保水率和抗磨性都得到了提高，與標準養護基本相同[17]。

近年來，有研究將石蠟和高分子復合，作為有機成分，結果表明經過兩者混合的有機成分對混凝土的保水作用會更加明顯，養護效果更好，強度和抗滲透性都會有較大幅度的提高[18]。隨著研究的深入，除了復合石蠟和高分子，有許多研究中添加了更多的有機物，比如主動引入純丙乳液、三乙醇胺和甲基硅醇鈉。試驗結果表明，該養護劑能夠顯著提高混凝土的保水率和強度，并且降低了干燥收縮，抑制了裂縫發展[19,20]。還有研究將聚乙二醇、有機硅烷復合作為有機組分，制得的養護劑也具有良好的效果，特別是對體積收縮有較明顯的減弱作用。

5 外養護劑的工程應用

外養護劑在混凝土養護中已經有了實際的工程應用。從 1998 年開始，我國國內許多機場（如首都國際機場）已經在機場道面上使用了無機硅酸鹽型養護劑，增強了道面的強度和耐磨性，降低了掉邊掉角的可能性，在一定意義上延長了道面的使用壽命[21]。

在黑龍江寒地的施工主要使用了一種無機類養護劑——LNC-7，由當地的建筑科研院生產，以水玻璃為無機組分，加入氟和硅等進行改性。其作用機理是生成了氟硅酸鹽等化合物和不同的凝膠，覆蓋混凝土表面的同時堵塞了混凝土中的毛細孔，提升了硬度、強度和密實度[22]。該養護劑可以在零下溫度下使用，滿足冬季施工要求。吉林常春高氮合金研發工中心工程施工中就應用到了這種 LNC-7無機類養護劑，零下施工順利進行，解決了冬季施工的困難，加速了模板周轉。

秦淮新河堤防達標建設工程中應用了一種有機高分子乳液養護劑——YF-6。該養護劑以水為連續相，成膜劑有著很好的附著性，并且加入有機胺，可以提高溶解度和膜的抗裂性。有機胺能夠在成膜中保持穩定，形成連續的薄膜覆蓋在混凝土表面，且成膜后較為堅固，抑制了水分的蒸發，在噴涂該養護劑后檢查效果可以發現，在 7d 和 1 個月后，混凝土的表面裂縫很小，而普通養護的混凝土裂縫卻較多[23]。

江蘇地區使用了一種新型的復合養護劑——SC-90，這是一種新型的雙組分復合外養護劑。其中的一種組分為無機組分，降低表面張力的同時提高滲透性（目的是為了和第二種組分充分反應），在噴灑后會迅速向內滲透，與水泥反應生成凝膠，堵塞毛細孔，并且這種組分中含有強效的催化劑，故反應會加速進行，短時間內形成致密結構，提高了強度和耐磨性。第二種組分是高分子水乳液，具有長鏈碳氫結構，能夠與第一組分以及水泥發生反應，生成憎水薄膜，連續分布在混凝土表面，抑制了水分蒸發。該養護劑應用較為廣泛，在南京大校場機場停機坪、國道南京段、南京中山南路擴建工程、多個國道部分路段、煙棲公路、煙威公路、南運機場、舟山機場等工程中都有很大規模的應用，并被煙威一級公路指揮部列為“使用效果顯著”的“推廣項目”[24]。

甘肅地區較為干旱，且晝夜溫差較大，因此使用的外養護劑進行養護時很注重成膜速度和成膜質量，JD復合養護劑便應運而生，并在甘肅省景電二期延伸向民勤調水工程、疏勒河大型水利工程和寧夏自治區揚黃扶貧“1236”工程中廣泛使用，均取得了良好的效果。該養護劑成膜時間較短，成膜質量很好，透氣率低，雖然抗拉強度和伸長率不高，但仍可以滿足施工要求[25]。這是沙漠地區成功使用混凝土外養護劑的例子，具有普遍性且節省資金。

[1]閻培渝，崔強．養護制度對高強混凝土強度發展規律的影響[J]．硅酸鹽學報，2015,43(2): 133-137．

[2]王耿，范圣強，高陽，等．國內混凝土養護劑的最新研究進展[J]．上海涂料，2005,43(3): 16-20．

[3]Almusallam A A. Effect of environmental conditions on the properties of fresh and harden concrete[J].Cement and Concrete Composites, 2001,23: 353-361.

[4]謝遷，陳小平，溫麗瑗．混凝土養護劑的發展現狀與展望[J]．硅酸鹽通報，2016,35(6): 1761-1766．

[5]阮承詳．混凝土外加劑及其工程應用[M]．江西：科學技術出版社，2009: 427-435．

[6]萬廣培，李化建，黃佳木．內養護技術的研究進展[J]．混凝土，2014,273(7): 5l-54．

[7]李海川，許金余，邵式亮，等．改性水玻璃養護劑的配制及其應用研究[J]．化學建材，2006,22(2): 27-30.

[8]邱樹恒，羅必圣，馮陽陽，等．水玻璃基混凝土養護劑的制備與應用研究[J]．混凝土，2012,276(10): 139-143．

[9]李享濤，謝永江，孔慶欣，等．高分子乳液型養護劑的研制及應用[J]．混凝土與水泥制品，2013,10(10):1-4．

[10]石亮，劉建忠，劉加平．養護劑對混凝土耐久性能的影響[J]．混凝土與水泥制品，2010,175(5): 19-22．

[11]李磊，劉加平，繆昌文，等．高性能養護劑的開發及其應用[J]．混凝土，2011,260(6): 134-136．

[12]張艷聰，高玲玲，田波，等．養護劑對道路混凝土早期開裂的影響[J]．混凝土，2012,276(10): 124-127．

[13]趙天波，李鳳艷．乳化蠟型混凝土養護劑的研制與應用[J]．精細化工，1999,16(5): 44-47．

[14]付景利，冷德財，王吉良．乳液型混凝土養護劑研制及應用[J]．低溫建筑技術，2007(3): 13-14．

[15]覃立香，韓莉，朱瑞紅．SF-A 型混凝土養護劑的研制及應用[J]．武漢理工大學學報，2001,23(10): 7-9．

[16]賀晟．CLT 型混凝土養護劑的研究與應用[J]．山西建筑，2008,34(30): 190-191．

[17]吳少鵬，張恒榮．復合型混凝土養護劑的研制[J]．新型建筑材料，2002,2: 14-15．

[18]張振雷，趙海南，張福強．改性乳化石蠟混凝土養護劑的組分試驗研究[J]．遼寧建材，2009,11: 41-43．

[19]薛斌．復合型混凝土養護劑的制備及性能研究[D]西安：長安大學學位論文，2014．

[20]薛斌，關博文，陳銓發，等．一種復合型水泥混凝土養護劑及其制備方法[P]．CNl03253985A，2013．

[21]申正香．混凝土養護劑的研制與應用[J]．水利與建筑工程學報，2002,8(3): 13-14．

[22]齊曉東，朱衛中．負溫混凝土養護劑的研制與應用[J]．建筑技術，1996(10): 674-675．

[23]宋朝陽．混凝土養護劑及其應用[J]. 科學與財富，2011(7): 208-209．

[24]沈璐．SC-90 型混凝土養護劑在工程中的應用[J]．混凝土，1996(5): 47-51．

[25]胡永楨，王玉梅．水工混凝土養護方法檢驗與應用研究[J]．水利水電科技進展，2003, 23(6): 39-41．

Application and research progress of concrete curing agent

Zhou Yuqi1, Yang Jun2; He Wei2
(1. China Construction First Group Construction & Development Co., Ltd., Beijing 100102, China;2. Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Mechanical properties and durability of the concrete are closely related with curing method. The traditional curing method are becoming very difficult to meet the construction requirements, so external curing agent has been increasingly used nowadays. The external curing agent mainly includes inorganic class, organic polymer emulsion, paraffin emulsion and organic inorganic compound. In this paper, the mechanism, properties, effects and defects of these external curing agents are discussed in this paper, and the engineering applicationsare also illustrated.

external curing agent; action mechanism; inorganic curing agent; organic curing agent; compound curing agent;engineering application

周予啟（1971—），男，高級工程師，中建一局集團建設發展有限公司總工程師，主要研究方向為現代深基坑技術和混凝土技術。

［通訊地址］北京市朝陽區望花路西里 17 號 中建一局建設發展有限公司（100102）