混凝土新型養(yǎng)護(hù)技術(shù)
用于低水膠比混凝土拌合物的新型養(yǎng)護(hù)方法
混凝土的養(yǎng)護(hù)常常被忽視,其中很重要的一點(diǎn)是不懂得:養(yǎng)護(hù)不僅在于促進(jìn)水化反應(yīng),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(xué)外加劑、摻加纖維和進(jìn)行合理的養(yǎng)護(hù)。當(dāng)前,若干個(gè)國家的研究小組正在深入研究如何采用以先進(jìn)和獨(dú)特的內(nèi)養(yǎng)護(hù)為基本方法,來減少混凝土收縮為目的的新型養(yǎng)護(hù)方法。
這些新型養(yǎng)護(hù)方法,正是國際實(shí)驗(yàn)室和專家聯(lián)盟中,建筑材料、體系和結(jié)構(gòu)(ILEM)196-ICC 混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)技術(shù)委員會(huì)關(guān)注的重點(diǎn)。該技術(shù)委員會(huì)由來自17個(gè)國家的37名代表組成。
若干年來,混凝土技術(shù)的進(jìn)步,已使一種低水膠比混凝土進(jìn)入了實(shí)際的應(yīng)用階段。但是,令人遺憾的是,除非采用特殊的預(yù)防措施,這種低水膠比混凝土在早期階段很容易產(chǎn)生開裂。由于,其拌合物的用水量相對(duì)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(rèn)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(yīng)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(hù)技術(shù)。
自生收縮:高性能混凝土的致命弱點(diǎn)
自生收縮并非外部因素,諸如:失水或溫度變化所致。產(chǎn)生自生收縮的原因是,經(jīng)水化的水泥產(chǎn)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(shí),消耗掉孔隙水所引起的混凝土內(nèi)干燥。這個(gè)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(nèi)。
一般來說,對(duì)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(shí),自生收縮往往會(huì)增加,甚至?xí)蔀橐豁?xiàng)起主導(dǎo)作用的因素。事實(shí)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(huì)增加自生收縮。早期產(chǎn)生的自生收縮,會(huì)使混凝土產(chǎn)生開裂之風(fēng)險(xiǎn),這是混凝土最脆弱的階段。其間,混凝土的抗拉強(qiáng)度最小,而且,還會(huì)受到高溫差的影響。
內(nèi)、外養(yǎng)護(hù)方法分類
根據(jù)建筑材料、體系和結(jié)構(gòu)(ILEM)196-ICC 混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)技術(shù)委員會(huì)推薦草案,混凝土養(yǎng)護(hù)方法的分類可參見圖1。傳統(tǒng)的養(yǎng)護(hù)方法,基本上是通過外部實(shí)施養(yǎng)護(hù)作業(yè),并可分為兩種類型:水養(yǎng)護(hù)—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(hù)—即那些僅防止失水的方法。
養(yǎng)護(hù)水也能從內(nèi)部提供水源,即眾所周知的內(nèi)養(yǎng)護(hù)(IC)。內(nèi)養(yǎng)護(hù)包括在混凝土拌合物中采用一種起養(yǎng)護(hù)劑作用的組分。這種養(yǎng)護(hù)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(nèi)養(yǎng)護(hù)和外養(yǎng)護(hù)也同樣可劃分為兩種類型:1) 水養(yǎng)護(hù) (有時(shí)可稱作引水型), 這里的養(yǎng)護(hù)劑起蓄水器的作用,逐步把水分釋放出來;2)密封養(yǎng)護(hù),這里的養(yǎng)護(hù)劑起延遲或阻止正在硬化的混凝土產(chǎn)生的失水作用。
圖1 混凝土養(yǎng)護(hù)方法的分類
內(nèi)部水養(yǎng)護(hù)(引水型)
大多數(shù)高強(qiáng)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(xì)孔內(nèi)充滿能維持水泥水化和進(jìn)行火山灰反應(yīng)所需的水分。因此,對(duì)于這類混凝土,一般公認(rèn)的更有效的養(yǎng)護(hù)方法是,額外加水(內(nèi)部供水)。內(nèi)部供水養(yǎng)護(hù)的可取之處在于,內(nèi)部密封已不能防止其自脫水。
內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑是該養(yǎng)護(hù)體系的一個(gè)組成部分,而且它最終被自身分散。這種內(nèi)養(yǎng)護(hù)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(hù)效果下降所帶來的問題。這種內(nèi)供水養(yǎng)護(hù)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(nèi)供水養(yǎng)護(hù)的優(yōu)點(diǎn),遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其能提高混凝土后期強(qiáng)度的發(fā)展。使用過這種內(nèi)養(yǎng)護(hù)的施工人員認(rèn)為,內(nèi)養(yǎng)護(hù)的主要貢獻(xiàn)是,通過大幅度延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)期,可降低滲透性。延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù),還可增加所形成的膠凝材料產(chǎn)物的體積,從而使毛細(xì)孔不貫通。當(dāng)混凝土拌合物中,由于摻加礦物摻合料,諸如硅灰和磨細(xì)礦渣,使孔結(jié)構(gòu)更為致密,從而增加自脫水,使內(nèi)供水養(yǎng)護(hù)的優(yōu)點(diǎn)變得日益重要。
Powers 模型已用于計(jì)算出減少自脫水所需內(nèi)養(yǎng)護(hù)水的總量。如圖2所示,水灰比為0.36時(shí),所需的內(nèi)養(yǎng)護(hù)水用量最高,相當(dāng)于水泥重量的6.5%。對(duì)于一種水泥用量為400kg/m3的高性能混凝土,內(nèi)養(yǎng)護(hù)水所需用量是26kg/m3。根據(jù)Powers模型,如果w/c +wic/c=0.42時(shí),水灰比在0.36-0.42范圍時(shí),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(shí),盡管有內(nèi)養(yǎng)護(hù),但是,也只能是部分水泥水化,因?yàn)?,水化將?huì)受到水化反應(yīng)產(chǎn)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(nèi)養(yǎng)護(hù)用水量
預(yù)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(nèi)養(yǎng)護(hù)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(chǎn)出對(duì)現(xiàn)場(chǎng)劣質(zhì)養(yǎng)護(hù)不敏感的寬容性混凝土。
早在上世紀(jì)九十年代初,就有人構(gòu)想出通過使用預(yù)飽和輕骨料,來克服自脫水的理念。就是通過采用預(yù)飽和輕骨料,提供內(nèi)水源,以此來補(bǔ)充水化過程中,化學(xué)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?yàn)?,可以根?jù)Kelvin-Laplace方程中的最小空孔尺寸來控制收縮應(yīng)力,因此,這就可以大大減少自生收縮的發(fā)展。
接著,對(duì)用完全由預(yù)浸泡吸足水的輕骨料生產(chǎn)的輕骨料混凝土,或用部分由預(yù)浸泡吸足水的輕骨料生取代普通重量的骨料生產(chǎn)的混凝土,進(jìn)行自生變形的研究。大量的實(shí)驗(yàn)顯示,采用內(nèi)水源養(yǎng)護(hù),可生產(chǎn)出沒有自生收縮的高強(qiáng)混凝土。
上世紀(jì)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(nèi)養(yǎng)護(hù)水的方法,來防止自脫水的理念。一個(gè)由研究人員組成的國際小組,對(duì)此理念進(jìn)行了徹底的評(píng)估。該國際研究小組代表來自:以色列技術(shù)學(xué)院、美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)學(xué)會(huì)、美國伊利諾斯大學(xué)、丹麥技術(shù)大學(xué)和荷蘭德爾夫大學(xué)。對(duì)此理念的實(shí)驗(yàn)性評(píng)估已斷定,砂粒尺寸的輕骨料產(chǎn)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(xì)輕骨料,減少自生收縮是可行的。
最近,一項(xiàng)由美國和以色列聯(lián)合進(jìn)行的研究計(jì)劃,對(duì)使用浮石作內(nèi)養(yǎng)護(hù)輕骨料進(jìn)行了評(píng)估。在攪拌過程中,使浮石吸足水分,并使用具有良好力學(xué)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(duì)較少量的輕骨料,就可以獲得內(nèi)養(yǎng)護(hù)所需用水,而且,對(duì)混凝土的強(qiáng)度影響也微乎其微。舉例來說,若采用相當(dāng)于水泥重量6%的輕骨料,就可以完全消除高強(qiáng)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(hù)方法。大多數(shù)SAP是由交叉狀連接的高分子電解質(zhì)組成的。由于其離子的性質(zhì)和互相連接的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中又不溶解。當(dāng)前應(yīng)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(chǎn)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(xué)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(zhì)。這類自由水會(huì)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(nèi)養(yǎng)護(hù),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(shù)語--引水,也可應(yīng)用于前述的預(yù)飽和輕骨料養(yǎng)護(hù)法。
與輕骨料形成鮮明對(duì)照的是,由于SAP會(huì)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(duì)硬化中的混凝土,自由地設(shè)計(jì)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(yīng)用領(lǐng)域,諸如觸摸鏡頭,乳房植入,消防以及土壤調(diào)理劑。但是,當(dāng)前全球每年超過85%的SAP產(chǎn)品中,即500,000噸,是用于可處理性嬰兒尿布。
內(nèi)封閉養(yǎng)護(hù)法
內(nèi)封閉是另一種混凝土養(yǎng)護(hù)法。其基本途徑是,既不需要進(jìn)行外部養(yǎng)護(hù), 也無需向混凝土額外加水。這類自養(yǎng)護(hù)化學(xué)用品包括:在攪拌過程中,加入水溶性化學(xué)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(tuán),可提高混凝土的保水性,從而增加水化程度。氫結(jié)合鍵出現(xiàn)在這些功能基團(tuán)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(jìn)行的研究工作,都集中在先進(jìn)的內(nèi)養(yǎng)護(hù)法,它既可降低混凝土的自生收縮,又可促進(jìn)混凝土的合理水化。在這一領(lǐng)域中,日益增長(zhǎng)的興趣,部分原因應(yīng)歸于與日俱增的對(duì)高強(qiáng)和高性能混凝土迫切需求。這些重點(diǎn)研究工作已證明,在同樣場(chǎng)合下,如果采用傳統(tǒng)的外養(yǎng)護(hù)法,對(duì)防止混凝土的收縮和開裂的效果極為有限時(shí),各種內(nèi)養(yǎng)護(hù)方法卻能非常有效地防止混凝土的收縮和開裂。
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