混凝土内养护材料研究进展

【摘要】掺加混凝土内养护材料是解决高性能混凝土自收缩和开裂的重要技术手段，本文重点介绍了无机多孔类混凝土内养护材料的来源、孔隙特征和性能特点，以及其在混凝土中的应用状况和对混凝土工作和力学性能、收缩变形及耐久性的影响，并对其存在的问题作了总结。

【关键词】混凝土；无机多孔；内养护材料；吸水释水

1引言

随着现代材料科学研究领域的日益革新，混凝土逐渐向高强、高性能化方向发展。由于其密实的孔隙结构，如果仍然采用传统的覆盖、覆膜、洒水等仅对混凝土表层进行养护，造成外界水分难以扩散进入，引起内部“自干燥现象”，产生较大的早期自收缩，在有约束力存在的条件下，极易形成微裂缝，危害结构物的安全和耐久性。为了解决其水化过程中的供水不足，最适合的方法就是借助内养护材料为载体从混凝土内部提供水源进行“自养护”。内养护材料是指具有一定吸水和储水能力，并能在混凝土内部相对湿度开始降低时适时释水，促进水泥水化继续进行的材料。内养护的作用机理就是通过内养护材料为载体，拌合完成后这些内养护材料均与地分布于水泥石中，起到内部“蓄水池”的作用。当水泥石中自由水被消耗到一定程度时，内养护材料中储存的水分开始向四周扩散，促进周围未水化胶凝材料的水化反应继续进行，最大程度实现了就近和及时养护，提高了水泥石的内部相对湿度和水化程度。国内外最常用的内养护材料包括有机聚合物和无机多孔固体，典型代表分别是高吸水性树脂（SAP）和轻集料。高吸水性树脂是指具有三维空间网格结构的高聚合物，它主要依靠高分子链上亲水性基团来吸附水分[1]。但高吸水性树脂颗粒分散性不易控制，容易粘结成团，存在不稳定释水等情况。而且高吸水性树脂释水后将留下较大空洞，对混凝土工作和力学性能、体积变形以及耐久性等可能造成负面影响。无机多孔固体类主要是一些多孔的固体颗粒或粉体材料，本文对无机多孔类内养护材料的材料特征进行了详细论述，并介绍了其在混凝土当中的应用状况及存在的问题。

2无机多孔类内养护材料性能特征

无机多孔类内养护材料主要是指各种钙硅铝质天然或人工合成的多孔材料，如轻集料、浮石、沸石、膨胀页岩、硅藻土、稻壳灰、赤泥等。

2.1常用无机多孔内养护材料种类

轻集料，也叫多孔陶粒，大多由页岩或黏土等无机质材料经煅烧而成。密度低，内部有许多细密蜂窝状的微孔，依靠其实现吸水与释水[2]。但这些微孔大多是封闭型而不是连通型的，所以吸水能力一般较低，大多小于25%。对比膨胀页岩和烧结粉煤灰轻集料的孔结构发现，膨胀页岩轻集料内部的孔是互相隔绝和封闭的，而烧结粉煤灰内部的孔是开放和互相连通的，互相连通的孔便于水的吸入，所以吸水速率比膨胀页岩轻集料快很多。因此用于混凝土内养护时轻集料开口孔隙越多，相同掺量下引入的内养护水分就越多，内养护效果也就越好。硅藻土主要由硅藻植物死亡以后的遗骸所形成，本质是无定型SiO2，多孔而轻，在电子显微镜下可看到具有大量有序排列的微孔结构，孔隙度达80%～90%，粒径在10～74μm，平均孔径3nm左右，能吸附自身质量1.5～4倍的水[3]。稻壳经焚烧后所形成的粉尘称为原状稻壳灰，再经研磨后成为磨细稻壳灰，含有大量活性SiO2。原状稻壳灰颗粒直径一般小于150μm，经研磨处理后粒径变得更细，属于多孔超细粉体材料。赤泥，亦称红泥，是制取氧化铝过程中产生的固体废弃物，其组成和性质非常复杂。具有较大的内表面积，属于多孔结构，与稻壳灰一样，这些孔隙结构都拥有一定的吸水-储水和释水能力。废陶瓷再生砂具有轻骨料的特点。陶瓷作为烧结熔融材料，其内部孔隙率高，在利用废旧陶瓷制备再生砂的加工过程中也会对其表面裂纹造成损伤，所以吸水率远远高于天然骨料。

2.2无机多孔内养护材料吸水释水特性

内养护材料吸水率关乎到内养护时引水量的确定，吸水率太高，引入的养护因子过多，容易引起泌水，还会使混凝土的孔隙率增大；吸水率太低，达到相同的内养护效果时掺量增大，经济性较差的同时带来的负面影响会加剧。ASTM关于内养护用轻集料的规范规定[4]，用于内养护的轻集料72h吸水率大于5%。Castro等[5]对比不同品种页岩陶粒和黏土陶粒的吸水率后发现其24h吸水率达到真空吸水率的80%以上。除了吸水能力之外，无机多孔固体材料用于内养护时还要具有稳定的释水能力，并能在混凝土内部相对湿度开始降低时适时释水。Ghourchian等对比膨胀页岩和沸石的释水特性，发现由于沸石较细的孔使其释水速度低，当相对湿度降低到80%时仍有较多的水不能释放出来[6]，因此认为像沸石这种释水能力较差的多孔材料并不适用于内养护[7]。ASTM中还规定，内养护用轻集料在94%相对湿度下至少能释放出所吸收85%以上的水。内养护材料的孔结构、尺寸等都会影响到其参与内养护的水分的量和水分迁移过程，因此在选择无机多孔固体类混凝土内养护材料时需要结合孔隙特性，重点评估其吸水和释水能力。

3内养护材料对混凝土性能影响

内养护材料作为混凝土的组分之一，由于不同材料的性能差异，对水泥基材料的性能影响也各异。韩宇栋等研究了密封和干燥两种养护条件下，预吸水轻骨料对高强混凝土早期收缩、内部湿度及强度和弹性模量的影响。结果发现高强混凝土内部相对湿度下降速率和早期收缩变形均明显得到缓解，且在密封养护条件下效果更显著。但混凝土的强度和弹性模量会随着轻骨料掺量的增加而有所下降，所以在应用过程中应平衡选择轻骨料的掺量[8]。钱春香等研究了预湿轻集料作为混凝土内养护材料对混凝土抗裂性能的影响，认为预湿轻集料对自收缩有很好的抑制作用，可以显著改善高强混凝土抗裂性能[9]。韩松等对陶粒内养护高性能混凝土抗裂性能开展研究发现，通过饱水陶粒发挥内养护作用，可以使早龄期试件内部相对湿度的下降速率得到缓解，降低了早期收缩变形，从而使混凝土抗裂性能有所提高[10]。叶光等研究了稻壳灰替代硅灰对超高性能混凝土自收缩的影响，研究表明稻壳灰对UHPC自收缩能起到较好的抑制作用。在混凝土养护过程中，稻壳灰中储存的水分逐渐释放出来促进周围未水化胶凝材料区域水化反应继续进行，缓解了“自干燥”效应，使早期自收缩变形变小[11]。胡维新等将硅藻土掺入到混凝土后发现混凝土抗压强度明显提高。这主要是因为当水泥浆中的相对湿度小于硅藻土的相对湿度时，硅藻土纳米孔中吸附水的释放可以起到“自养护”的作用，使水泥水化更充分[3]。拜耳法赤泥为用拜耳法工艺生产氧化铝产生的工业废渣，刘日鑫等研究了赤泥对自密实砂浆工作性能及自收缩性能的影响，发现随着砂浆中赤泥量的增加，蓄水量增加，在水泥水化过程中，存储在赤泥中的水不断释放，弥补了由于水化引起的内部收缩，从而使自密实砂浆的自收缩减小。同时砂浆的抗压强度也得到提高，验证了赤泥具有内养护特性[12]。刘凤利对废陶瓷再生砂在砂浆中的自养护作用进行了研究，发现陶瓷再生粗砂类似陶粒等轻骨料，吸水率高，其均匀地分布在整个水泥石中，起着大量内部“蓄水池”的作用。可以提高内部相对湿度，促进水泥水化程度，有利于强度发展并降低开裂[13]。

4存在的问题

国内外许多研究学者针对预湿轻集料及其他无机类多孔材料应用于混凝土中的内养护技术，开展了系统的研究工作[14]。包括从内养护材料的孔隙分布、吸水和释水能力、引水量的确定及水分迁移过程，以及对混凝土工作和力学性能、收缩变形及耐久性能的影响，取得了系列研究成果。但目前内养护材料在应用过程中也还存在一些问题：⑴轻集料等无机多孔固体类材料吸水率大多偏低，在达到相同的内养护效果时掺量较大。脆性孔偏多，造成其掺量越多时混凝土强度越小、弹性模量越低。⑵轻集料密度小，在新拌混凝土中易上浮使流动性变差。预吸水后密度变大，又可以额外引水，但引水量的确定不易控制。其他不易预吸水直接以干料状态掺入的无机多孔粉体材料对混凝土工作性能和整体水化进程的影响将变得更加复杂。

5总结与展望

以上研究展示了不同类型的无机多孔内养护材料的材料特征以及对混凝土性能的影响。借助于这类内养护材料可以为低水胶比混凝土引入内养护水，调节高性能混凝土内部相对湿度，促进胶凝材料水化程度，减小自收缩从而降低开裂风险，并改善其耐久性。但是目前无机多孔固体作为内养护材料仍存在较多需要进一步研究的问题：⑴应从粒径分布、内部孔结构和材料来源等方面综合考虑，选取合适的无机类内养护材料，需要开发一种密度与浆体密度较为接近、富含开口孔隙并拥有较强吸水能力和稳定释水能力的内养护无机材料。⑵不同种类内养护材料对内养护水分迁移过程的影响和内养护的作用机理需要更进一步的研究。⑶无机多孔内养护材料用于内养护时对混凝土宏观性能和微观结构的影响需要更系统全面地研究。

作者：普永强 杨医博 单位：华南理工大学土木与交通学院 华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室