內養護高強混凝土自收縮性能研究

郭利霞 張芳芳 王明華，* 田 園 張亞楠

（1.華北水利水電大學水利學院，鄭州450045；2.河南省水環境模擬與治理重點試驗室，鄭州450002；3.河北雄安新區管理委員會公共服務局，雄安新區071000）

0 引 言

高強混凝土具有早期易開裂、體積形態不穩定等特點，對混凝土耐久性的影響是極為不利的［1］，其裂縫產生的原因中因外部荷載因素導致混凝土開裂的僅占混凝土總裂縫的20%左右，高強混凝土在初凝后，絕大部分結構開裂原因可以歸因于自生體積變化及外部環境的影響［2］。高強混凝土比一般混凝土的密實程度更高，但其水膠比低導致孔隙率低，因此，從理論上來說，在高強混凝土中使用內養護材料可以有效減少混凝土裂縫的產生和開裂等問題［3］，其控制裂縫生成和減少自收縮效果將比在普通混凝土中使用更強。高吸水樹脂（SAP）具有吸水性強的特點，摻入SAP的高強混凝土，在混凝土水化前期，SAP吸收未參與水化的自由水，避免其流失，待水化蓄水量不足時釋放水，使水化繼續進行。高強混凝土較之普通混凝土具有更低的水膠比，高強混凝土產生自收縮的主要因素是內部濕度變化，而內養護材料SAP的引入可充分緩解水化期間混凝土內部的干燥問題，從而影響其自收縮［4］。因此本文主要研究在預吸水條件下不同摻量SAP對混凝土強度和收縮量的影響。

1 試驗概況

1.1 原材料

選用鄭州天瑞水泥有限公司生產的425#普通硅酸鹽水泥，物理力學指標見表1。

表1 水泥物理指標Table 1 Cement physical index

礦物摻合料選取Ⅰ級粉煤灰作為試驗材料，其比表面積為455 m2/kg，技術性能指標符合GB l596—1991《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》要求。硅灰為鄭州匯豐新材料公司生產，比表面積18 000 m2/kg；礦渣為高爐礦渣；粉煤灰、硅灰和礦渣主要化學成分見表2。

表2 膠凝材料的主要化學組成Table 2 The main chemical composition of cementing materials %

細骨料采用來自姚河產沙地河砂，粒徑0.35～0.5 mm。粗骨料選用5～20 mm連續級配的石灰巖質碎石。

混凝土拌合用水的質量符合試驗要求。減水劑為聚羧酸減水劑，摻量為膠凝材料用量的0.1%，其目的是增加混凝土和易性。不同實驗組摻量一致，不影響混凝土本身配合比的用水量。

高吸水樹脂為60～100目（粒徑0.01～0.25 mm），吸水倍率最高可達1 300倍。

1.2 試驗方案及試驗配合比

為了研究在不同預吸水量條件下內養護材料對高強混凝土收縮性能的影響，本試驗采用表3配合比制備C60高強混凝土，水膠比定為0.34，表中SAP摻量是膠凝材料的百分含量。各組預吸水量為原有水量的5%、10%，預吸水量不參與水膠比的計算。內養護水的引入從本質上改變了原高強混凝土的水膠比，改變了混凝土孔隙結構和密實度，所以設置HSC5-和HSC10-兩組試驗，將內養護材料預濕（預濕水量從總水量中扣除），保持總水量不變。

表3 混凝土配合比設計Table 3 Mix proportion design of concrete

為避免膠凝材料提前吸收SAP內的預吸水，采用二次攪拌工藝，首先將膠凝材料與60%的水加入攪拌機中攪拌1 min，然后將骨料、SAP與剩余水量加入攪拌機中，攪拌1 min，再添加減水劑，攪拌3 min。

1.3 試驗規范

1.3.1 混凝土收縮試驗

自收縮的測量在混凝土澆注成型后1 h開始，試驗按照標準《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗》（GBJ 82—85）中的方法進行。

1.3.2 SEM試驗

本次試樣取自于受壓破壞以后的整體碎塊，且為隨機取樣。試樣尺寸小于l cm，且要求式樣表面較平整，試驗前噴金處理，噴涂厚度200～300 A。置于JSM-6510LV掃描電鏡下。試驗主要從混凝土表面和界面過渡區（ITZ）兩個角度對添加了SAP的混凝土進行研究與分析。試驗所用放大倍數為1 000～5 000倍。

2 試驗結果分析

2.1 預吸水SAP對混凝土抗壓強度的影響

表4是各組試塊在標準養護28 d條件下的抗壓強度值。由表得出抗壓強度大小：HSC10

表4 內養護高強混凝土28 d抗壓強度Table 4 Inner curing high strength concrete 28 days compressive strength

SAP的摻入一方面使高強混凝土水化更充分，另一方面內養護水釋放后產生的孔洞也會對結構產生消極影響。在低水膠比的高強混凝土中，這兩種效應相互交織更加明顯［7］。試驗結果表明，SAP摻入形成的孔洞造成的混凝土強度降低超過了其內養護效應引起的強度增加。這些結果與其他學者在研究中的觀察結果相當［8-9］。因此，在使用SAP對高強混凝土的收縮量進行控制時，必須考慮SAP對高強混凝土強度的影響。

2.2 預吸水SAP對混凝土收縮量的影響

為了解SAP對摻硅灰混凝土早期性能的影響，根據規范進行試驗，測量不同摻量SAP對各組混凝土試塊早期收縮性能的影響。試驗探究了3 d齡期內的混凝土收縮值，測定SAP對內養護高強混凝土自收縮的影響。不同飽和度SAP對HSC自收縮的影響見圖1，總水量不變條件下SAP對自收縮的影響見圖2。

圖1 不同飽和度SAP對HSC自收縮的影響Fig1 The effect of SAP of different saturation on HSC self-shrinking

圖2 總水量不變條件下SAP對自收縮的影響Fig 2 The effect of SAP on self-shrinkage under the condition of constant total water volume

由圖1可知，在1 d齡期以內，高強混凝土的收縮率較大，其原因主要是因為混凝土繼續水化導致的混凝土體積變化。在1 d齡期以后，高強混凝土基本呈現穩定的線性收縮狀態。這是由于混凝土內部干濕環境逐漸變化，從而影響了混凝土自收縮。在高強混凝土前期快速收縮停止以后，SAP快速釋水對內部環境進行補充，使水化反應繼續進行。

水化生成的鈣礬石、游離MgO水化以及反應放出的水化熱都會使混凝土結構發生膨脹，但以上兩點并不會彌補化學收縮，因此收縮繼續進行［7］。

在1 d齡期以后，試驗組與對照組的收縮呈現線性變化，說明了此階段水化反應穩定進行，試驗組收縮速率較對照組低，說明SAP的摻入對減小高強混凝土的自收縮起到了關鍵作用。這與已有研究［10］SAP可以通過增大同齡期混凝土的內部相對濕度以減小混凝土自收縮及干燥收縮產生的影響相一致。由圖2可知，在總水量確定的條件下，收縮率：HSC10-

綜合考慮上述試驗結果，推薦SAP摻量為膠凝材料的0.1%，預吸水量為拌合水量的5%，同時添加聚羧酸減水劑可在基本不影響強度變化的基礎上極大提高高強混凝土的體積穩定性。

2.3 內養護混凝土的微觀性能及機理分析

為了從微觀層面研究SAP對高強混凝土強度和收縮量變化的影響，試驗采用SEM電鏡掃描儀對不同試驗組養護28 d的試塊進行1 000倍、3 000倍、5 000倍的放大觀測。從電鏡掃描圖中選取以下幾張圖片，從微觀角度分析SAP對高強混凝土自收縮和抗壓強度的影響。28 d SAP內養護混凝土SEM微觀圖見圖3。

圖3為28 d SAP內養護混凝土SEM微觀圖。由圖3可以得知，HSC組與其他組，局部的黑色陰影更多，這是未完全反應的水泥熟料在電鏡下的表現。HSC組水化不均勻，與添加SAP的各組相比，HSC組混凝土一旦產生裂縫，其裂縫寬度更大、貫穿性更強，理論上這將減小高強混凝土強度，但添加SAP的組在SEM掃描條件下可以看到較多的微小孔洞，這對高強混凝土的強度影響影響也是不利的。

由圖3可以得知，結構致密性：HSC10->HSC5->HSC10>HSC5>HSC，這說明內養護水的引入可以改善高強混凝土的孔結構和內部環境。未加入內養護材料的混凝土結構由于在水泥漿硬化階段自身相對濕度的減小，會產生大量的微小裂隙，內養護水的引入，使得混凝土生成較多的單硫型水化硫鋁酸鈣（Afm）。當Afm生成時，原有的塊狀疏松形態轉化為密實度較高的棒、團簇狀交疊結構轉變。Afm的生成是混凝土充分水化反應的表現，Afm生成物能夠填補混凝土的裂縫和孔隙，宏觀上減小高強混凝土的自收縮；但高強混凝土本身密實性較強，水化導致的自生體積的增加將使其內部產生微裂縫，從而導致內養護混凝土強度的降低，宏觀上表現為高強混凝土抗壓強度的減小。綜上分析可以得到，內養護水的摻入對高強混凝土的影響具有兩面性，一方面可以改善混凝土內部干濕環境使高強混凝土充分水化，這將填補混凝土內部微裂縫，減少宏觀上混凝土的自收縮；另一方面SAP在釋水后將使高強混凝土內部產生大量的微小孔洞，降低混凝土的強度。宏觀上表現為高強混凝土強度的降低，這是由于SAP的摻入引起的孔洞對高強混凝土的不利影響超過了SAP的摻入引起的水化對高強混凝土的有利影響。

圖3 28 d SAP內養護混凝土SEM微觀圖Fig 3 28 d SAP internal curing SEM micrograph

3 結 論

（1）預吸水SAP的摻入影響高強混凝土的抗壓強度，且隨著SAP的摻入量越多，高強混凝土的抗壓值減小。

（2）預吸水SAP的摻入能夠顯著改善水泥石的孔結構，減小混凝土自收縮量，當預吸水SAP的摻入量為0.1%，高強混凝土的強度和收縮綜合性能表現最好。

（3）與微觀角度分析結合，當高強混凝土中摻入SAP時，一方面在水化階段通過釋水使混凝土水化更充分，水化產物填補了混凝土內部微裂縫，減少宏觀上混凝土的自收縮；另一方面水化產物的脆性表現使高強混凝土的強度有所降低。