內養護技術對混凝土耐久性的影響研究

陸林

摘 要：內養護技術可以改善混凝土由于自收縮或者施工現場養護不足引起的開裂現象。通過在混凝土中摻入飽水陶粒來達到內養護的效果，研究陶粒對混凝土抗壓強度、耐久性以及水化程度的影響。結果表明，內養護陶粒會降低混凝土抗壓強度，但可以提高混凝土抗氯離子滲透性改善抗凍融循環破壞性能，有利于提升耐久性。

關鍵詞：內養護;力學性能;耐久性;絕熱溫升

1 研究背景

隨著我國基礎設施建設的不斷推進，大型工程對高性能混凝土的要求也逐漸提高。尤其是在一些特殊地區，夏季炎熱冬季嚴寒，導致高性能混凝土的早期養護難以保證;而且混凝土設計強度越高對現場養護的要求也越嚴苛[1]，養護不當會造成早期開裂進而導致混凝土耐久性顯著劣化，嚴重影響工程質量，養護問題常常成為工程現場的關鍵施工技術問題。

內養護技術從材料角度為混凝土在嚴酷施工環境下的養護問題提供了解決途徑[2]。內養護技術往往通過在混凝土中內摻預吸水材料，在混凝土澆筑后的一段時間內，吸水材料釋放水分使硬化中的水泥石得到養護。現有內養護材料包括有機無機兩種，有機材料主要是吸水樹脂等超吸水材料[3]，無機材料則主要為多孔陶粒[4]。現有大量研究關注超吸水樹脂內養護混凝土的力學性能和耐久性能的變化規律[5-7];然而多孔陶粒有獨特的優勢，陶粒是無機材料，與混凝土界面結合較好，還可以一定比例替代粗骨料而降低結構自重，其抑制高性能混凝土早期的自收縮效果要優于超吸水樹脂[8]。

本研究選用陶粒作為內養護材料，選取C30和C60混凝土，研究不同陶粒摻量對內養護混凝土耐久性的影響，探明了飽水陶粒的內養護機理。

2 原材料及試驗方法

2.1 原材料

原材料與工程現場保持一致。采用亳州海螺水泥公司生產的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，水泥主要物理參數見表1。使用的礦物摻合料：淮南常華電實業總公司生產的Ⅱ級粉煤灰;S95級礦粉，堿含量0.4%，燒失量0.06%，需水量99%，活性指數7d為84%，28d為107%，粉煤灰和礦粉性能指標。細骨料采用江西贛州產中粗砂，細度模數為2.54;粗骨料采用5 mm～16 mm和16 mm～31.5 mm的連續級配碎石，骨料的性能指標。在配制C60混凝土時，增加了硅粉為礦物摻合料，硅粉平均粒徑為0.31 μm，密度2.2 g/cm3，比表面積143 100 cm2/g;減水劑為西卡（江蘇）建筑材料有限公司生產的聚羧酸系減水劑，減水率29%，含固量25%。內養護材料選取采用粒徑在5 mm的黏土陶粒堆積密度2.8 g/cm3，筒壓強度2.1 MPa，飽和吸水率22.54%，陶粒能夠在浸泡24 h后吸水達到飽和，并且在溫度（20±3）℃、相對濕度70%±5%的環境中緩慢釋放內部水分，平均每小時釋放約1.6%（與自重相比），釋放時間超過18 h;拌合水采用工程現場自來水。

2.2 試驗方法

參照規范《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T50081-2002）進行抗壓強度測試，采用100×100×100 mm的立方體試件，使用WAW-600D型電伺服液壓機進行測試;使用MTS擬動力試驗機進行抗壓全過程試驗。采用《GB/T 50476-2008 混凝土結構耐久性設計規范》規定的快速氯離子遷移系數法（或稱RCM法）并配合《JTG/T B07-01-2006 公路工程混凝土結構防腐技術規范》要求評價高性能混凝土的耐久性。使用耐馳TG209F3熱重分析儀測試漿體的水化程度。

3 試驗結果與分析

采用快速氯離子遷移系數法（或稱RCM法）研究自養護高性能混凝土的抗氯離子滲透性能。在最惡劣的環境下（E級環境），結構設計基準期100年，氯離子擴散系數小于4即可。對于高摻量礦物摻合料的混凝土，可以采用長齡期試件DRCM值作為評價標準。自養護技術對大跨徑橋梁用C60高性能混凝土的氯離子擴散系數的影響如圖1所示。

對于相同配合比的樣品，180d齡期的氯離子擴散系數明顯低于28d齡期，降低幅度達到30%～50%，沒有采用內養護技術的C60混凝土DRCM值為3.93，也滿足規范要求。

無論是28d齡期還是180d齡期，隨著陶粒摻量的增加，C60混凝土的氯離子擴散系數逐步降低。28d時，使用內養護技術后，隨著陶粒摻加10%和20%，DRCM值從5.90×

10-12 m2/s分別降低為5.07×10-12 m2/s和4.67×10-12 m2/s，降低幅度分別為14%和21%;180d時，隨著陶粒摻加10%和20%，DRCM值從3.93×10-12 m2/s分別降低為3.10×10-12 m2/s

和2.37×10-12 m2/s，降低幅度分別為21%和39%。由此可見，內養護技術有效改善了C60高性能混凝土的抗氯離子滲透性，這主要是因為內養護技術減少了混凝土內部缺陷，有效提高了混凝土的致密性。隨著混凝土齡期的增長，采用內養護技術的C60混凝土比沒有采用內養護技術的C60混凝土耐久性優勢會更加明顯。

無論是C30還是C60混凝土，使用內養護技術后，樣品的相對動彈模量損失明顯降低，說明混凝土的抗凍融循環能力增強了。C30混凝土相對動彈性模量損失由基準的31.65%降為21.95%，質量損失率也由4.17%降為3.02%。C30-3組相對動彈性模量損失率和質量損失率較C30-2均有所增加，主要是因為陶粒摻量過大引起的上浮和泌水，導致漿體成型的密實性受到一定影響。在凍融過程中，C30-3組有兩塊試件出現了掉角的現象，由于在邊角處陶粒可能成為凍融破壞過程中的薄弱環節，從而導致掉角和破邊的現象，說明其抵抗凍融循環的能力有所降低。因此，C30混凝土中飽水陶粒摻量為20%左右，材料的抗凍融能力較強。對于C60混凝土材料，內養護技術也能提高其抗凍性。但由于本身C60混凝土抗凍性能較好，所以提高的幅度并不如C30混凝土明顯。摻加20%陶粒的C60混凝土的動彈性模量損失率由10.23%降低至6.65%，質量損失率也由0.19%降至0.09%。

研究結果表明，內養護技術對大跨徑橋梁用的C30和C60混凝土的抗氯離子滲透性能、抗凍融循環破壞性能有明顯改進。因此，對混凝土耐久性的提升有積極作用。

4 結論

內養護陶粒延緩了混凝土的早期水化進程，降低了大體積混凝土早期的溫升;同時提高了混凝土后期的水化程度，發揮了內養護作用。達到了提高水化程度的同時降低早期水化溫升的效果，適合橋梁用大體積混凝土的配制。

參考文獻：

[1]馬先偉，劉劍輝，禹新，等.養護條件對含SAP高性能水泥基材料強度的影響[J].混凝土，2020（4）：19-22.

[2]Kovler K，Zhutovsky S.Overview and Future Trends of Shrinkage Research[J].MATER STRUCT，2006，39（9）：827.

[3]胡江，米陽，吳永輝，等.養護方式對高吸水樹脂在水泥基材料中內養護性能的影響[J].混凝土世界，2021（4）：76-79.

[4]呂興棟，劉戰鰲，董蕓.內養護材料高吸水樹脂（SAP）和陶粒對混凝土性能影響的對比研究[J].硅酸鹽通報，2019（1）：246-252.

[5]E.C S，N.M S，A.K S，et al.Efficiency measure of SAP as internal curing for cement using NMR & MRI[J].CONSTR BUILD MATER，2021，278.

[6]夏慧蕓，張耿通，趙旭，等.混凝土內養護劑高吸水樹脂及其最新研究進展[J].混凝土，2020（12）：85-89.

[7]Maciej K，Piotr W，Joanna S.Effect of mechanically-induced fragmentation of polyacrylic superabsorbent polymer （SAP） hydrogel on the properties of cement composites[J].CONSTR BUILD MATER，2020，263.

[8]林錦眉，盧集富.多孔飽水骨料內養護對混凝土抗裂性能及強度影響試驗研究[J].粉煤灰綜合利用，2020（6）：68-73.