混凝土新型養(yǎng)護技術
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用于低水膠比混凝土拌合物的新型養(yǎng)護方法
混凝土的養(yǎng)護常常被忽視，其中很重要的一點是不懂得：養(yǎng)護不僅在于促進水化反應，而且還在于最大限度地減少收縮。通常，減少混凝土早期收縮和開裂的手段和方法有：水泥改性、摻加礦物摻合料和化學外加劑、摻加纖維和進行合理的養(yǎng)護。當前，若干個國家的研究小組正在深入研究如何采用以先進和獨特的內養(yǎng)護為基本方法，來減少混凝土收縮為目的的新型養(yǎng)護方法。
這些新型養(yǎng)護方法，正是國際實驗室和專家聯(lián)盟中，建筑材料、體系和結構（ILEM）196-ICC 混凝土內養(yǎng)護技術委員會關注的重點。該技術委員會由來自17個國家的37名代表組成。
若干年來，混凝土技術的進步，已使一種低水膠比混凝土進入了實際的應用階段。但是，令人遺憾的是，除非采用特殊的預防措施，這種低水膠比混凝土在早期階段很容易產生開裂。由于，其拌合物的用水量相對比較低，因此，專家們不得不盡力尋找使其干縮也比較低的措施。近十年來，注意力已集中在大家所公認的，但知者甚少的所謂：自生收縮現(xiàn)象上了。隨著低水膠比高性能混凝土的廣泛應用，已成功開發(fā)出若干種新型的旨在克服這種自生收縮現(xiàn)象的養(yǎng)護技術。
自生收縮：高性能混凝土的致命弱點
自生收縮并非外部因素，諸如：失水或溫度變化所致。產生自生收縮的原因是，經水化的水泥產物的體積，小于水化前水泥和水的體積。在硬化過程中，伴隨自生收縮的是自脫水，或者是水泥持續(xù)水化時，消耗掉孔隙水所引起的混凝土內干燥。這個過程可能要持續(xù)數(shù)天或數(shù)周之久。但是，最明顯的自生收縮，發(fā)生在硬化過程的第一或第二天之內。
一般來說，對于水膠比大于0.4的混凝土，自生收縮的影響不是很大。隨著水膠比下降到其極限值時，自生收縮往往會增加，甚至會成為一項起主導作用的因素。事實上，一種水膠比為0.3的混凝土，自生收縮大約能占其總收縮量的50%。礦物摻合料也會增加自生收縮。早期產生的自生收縮，會使混凝土產生開裂之風險，這是混凝土最脆弱的階段。其間，混凝土的抗拉強度最小，而且，還會受到高溫差的影響。
內、外養(yǎng)護方法分類
根據(jù)建筑材料、體系和結構（ILEM）196-ICC 混凝土內養(yǎng)護技術委員會推薦草案，混凝土養(yǎng)護方法的分類可參見圖1。傳統(tǒng)的養(yǎng)護方法，基本上是通過外部實施養(yǎng)護作業(yè)，并可分為兩種類型：水養(yǎng)護—即那些通過提供額外的水分，來防止混凝土失水的方法；密封（或無水）養(yǎng)護—即那些僅防止失水的方法。
養(yǎng)護水也能從內部提供水源，即眾所周知的內養(yǎng)護（IC）。內養(yǎng)護包括在混凝土拌合物中采用一種起養(yǎng)護劑作用的組分。這種養(yǎng)護劑可以是一種新組分（比如是一種外加劑或是一種特種骨料），也可以是混凝土拌合物中，采用的一種處于特殊狀態(tài)的普通骨料，諸如呈飽和水狀態(tài)。內養(yǎng)護和外養(yǎng)護也同樣可劃分為兩種類型：1) 水養(yǎng)護 (有時可稱作引水型)， 這里的養(yǎng)護劑起蓄水器的作用，逐步把水分釋放出來；2）密封養(yǎng)護，這里的養(yǎng)護劑起延遲或阻止正在硬化的混凝土產生的失水作用。
圖1 混凝土養(yǎng)護方法的分類
內部水養(yǎng)護（引水型）
大多數(shù)高強和高性能混凝土的水膠比很低，其拌合水不足以保持粗毛細孔內充滿能維持水泥水化和進行火山灰反應所需的水分。因此，對于這類混凝土，一般公認的更有效的養(yǎng)護方法是，額外加水（內部供水）。內部供水養(yǎng)護的可取之處在于，內部密封已不能防止其自脫水。
內養(yǎng)護劑是該養(yǎng)護體系的一個組成部分，而且它最終被自身分散。這種內養(yǎng)護方法有助于克服由于低水膠比體系的低滲透性，使傳統(tǒng)的外養(yǎng)護效果下降所帶來的問題。這種內供水養(yǎng)護方式，由于它可直接降低自脫水，因此，是一種降低自身收縮的有效方法。
內供水養(yǎng)護的優(yōu)點，遠遠超過了其能提高混凝土后期強度的發(fā)展。使用過這種內養(yǎng)護的施工人員認為，內養(yǎng)護的主要貢獻是，通過大幅度延長養(yǎng)護期，可降低滲透性。延長養(yǎng)護，還可增加所形成的膠凝材料產物的體積，從而使毛細孔不貫通。當混凝土拌合物中，由于摻加礦物摻合料，諸如硅灰和磨細礦渣，使孔結構更為致密，從而增加自脫水，使內供水養(yǎng)護的優(yōu)點變得日益重要。
Powers 模型已用于計算出減少自脫水所需內養(yǎng)護水的總量。如圖2所示，水灰比為0.36時，所需的內養(yǎng)護水用量最高，相當于水泥重量的6.5%。對于一種水泥用量為400kg/m3的高性能混凝土，內養(yǎng)護水所需用量是26kg/m3。根據(jù)Powers模型，如果w/c +wic/c=0.42時，水灰比在0.36-0.42范圍時，水泥有可能完全水化。圖2中下降段即可為證。水灰比低于0.36時，盡管有內養(yǎng)護，但是，也只能是部分水泥水化，因為，水化將會受到水化反應產物所占空間的限制。
圖2（根據(jù)Powers模型）
水化過程中，獲得水泥最大程度水化，又能防止自脫水所需的的最低內養(yǎng)護用水量
預飽和輕骨料
眾所周知的使輕骨料吸足水，呈高度飽和水狀態(tài)，獲得內養(yǎng)護所需用水，已有數(shù)十年之久了。舉例來說，1967年，Campbell 和 Tobin 就證明：通過使輕骨料吸足水分，可生產出對現(xiàn)場劣質養(yǎng)護不敏感的寬容性混凝土。
早在上世紀九十年代初，就有人構想出通過使用預飽和輕骨料，來克服自脫水的理念。就是通過采用預飽和輕骨料，提供內水源，以此來補充水化過程中，化學收縮所消耗的用水。隨著水泥水化，輕骨料中較大孔隙中的水分被吸出，流向水泥凈漿體中尺寸較小的孔隙。因為，可以根據(jù)Kelvin-Laplace方程中的最小空孔尺寸來控制收縮應力，因此，這就可以大大減少自生收縮的發(fā)展。
接著，對用完全由預浸泡吸足水的輕骨料生產的輕骨料混凝土，或用部分由預浸泡吸足水的輕骨料生取代普通重量的骨料生產的混凝土，進行自生變形的研究。大量的實驗顯示，采用內水源養(yǎng)護，可生產出沒有自生收縮的高強混凝土。
上世紀九十年代后期，Bentur 和 Bentz提出，通過采用非常少量砂粒尺寸的輕骨料，大大增加向水泥凈漿體提供最有效內養(yǎng)護水的方法，來防止自脫水的理念。一個由研究人員組成的國際小組，對此理念進行了徹底的評估。該國際研究小組代表來自：以色列技術學院、美國國家標準技術學會、美國伊利諾斯大學、丹麥技術大學和荷蘭德爾夫大學。對此理念的實驗性評估已斷定，砂粒尺寸的輕骨料產生的影響范圍僅在數(shù)毫米之間。這表明：使用非常少量的細輕骨料，減少自生收縮是可行的。
最近，一項由美國和以色列聯(lián)合進行的研究計劃，對使用浮石作內養(yǎng)護輕骨料進行了評估。在攪拌過程中，使浮石吸足水分，并使用具有良好力學性能和有助于獲得高吸水量的，有很高開-閉孔隙率的浮石。這樣，只需使用相對較少量的輕骨料，就可以獲得內養(yǎng)護所需用水，而且，對混凝土的強度影響也微乎其微。舉例來說，若采用相當于水泥重量6%的輕骨料，就可以完全消除高強混凝土的自生收縮。
超吸收性聚合物
最近，已提出了一種采用超吸收性聚合物（SAPs）來防止自脫水的新養(yǎng)護方法。大多數(shù)SAP是由交叉狀連接的高分子電解質組成的。由于其離子的性質和互相連接的結構狀態(tài)，一顆SAP可以在其周圍吸收大量的液體，并且將液體保持在其結構中又不溶解。當前應用的這類聚合物，理論上的最大吸水性是其自重的5000倍。但是，商業(yè)生產的SAPs的吸收性，可能僅為其自重的20倍，而且，在諸如水泥凈漿體孔隙液體中，有很高的離子溶解性。SAP吸水性的基本原理是其次化學鍵。由于其保持的是松散水分，因此，基本上可將其視為散裝水。
混凝土攪拌過程中，SAP顆粒形成了含有大量松散自由水的宏觀保水物質。這類自由水會在水泥水化過程中消耗掉。它不僅可以向水泥凈漿體周圍提供內養(yǎng)護，而且還可防止自脫水。這一理念正是模擬了用于混凝土防凍的引氣原理。因此，可稱之為引水。同樣，該術語--引水，也可應用于前述的預飽和輕骨料養(yǎng)護法。
與輕骨料形成鮮明對照的是，由于SAP會在攪拌過程中吸收水分，因此它可用作干硬性混凝土的外加劑。此外，合理選擇SAP，可以對硬化中的混凝土，自由地設計其孔隙的形狀和尺寸分布。
作為一種高科技材料，SAPs已開拓出廣泛的應用領域，諸如觸摸鏡頭，乳房植入，消防以及土壤調理劑。但是，當前全球每年超過85%的SAP產品中，即500,000噸，是用于可處理性嬰兒尿布。
內封閉養(yǎng)護法
內封閉是另一種混凝土養(yǎng)護法。其基本途徑是，既不需要進行外部養(yǎng)護， 也無需向混凝土額外加水。這類自養(yǎng)護化學用品包括：在攪拌過程中，加入水溶性化學用品，以降低混凝土硬化過程中的水分蒸發(fā)和底層混凝土的水分損失。這些外加劑由水溶性聚合物組成，含有羥基和醚功能基團，可提高混凝土的保水性，從而增加水化程度。氫結合鍵出現(xiàn)在這些功能基團之間，可降低水的蒸發(fā)壓力，減少水分的蒸發(fā)。這些外加劑改變了C-S-H凝膠的形態(tài)，降低了混凝土的吸收性。
深入研究
若干國家正在進行的研究工作，都集中在先進的內養(yǎng)護法，它既可降低混凝土的自生收縮，又可促進混凝土的合理水化。在這一領域中，日益增長的興趣，部分原因應歸于與日俱增的對高強和高性能混凝土迫切需求。這些重點研究工作已證明，在同樣場合下，如果采用傳統(tǒng)的外養(yǎng)護法，對防止混凝土的收縮和開裂的效果極為有限時，各種內養(yǎng)護方法卻能非常有效地防止混凝土的收縮和開裂。
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