主講人：丁慶軍教授、博導所在單位：武漢理工大學混凝土內養(yǎng)護技術一、項目背景

高強化、高性能化、綠色化是國內外混凝土技術發(fā)展的主要趨勢。采用低水膠比設計、礦物摻合料、高效減水劑等是實現這些目標的基本手段。但是，這些旨在優(yōu)化普通混凝土性能的方法往往成為現代混凝土早期開裂——特別是自收縮開裂——的主要原因?，F有混凝土外養(yǎng)護方法費時、費力、成本高、不規(guī)范，浪費寶貴水資源；一些特種混凝土結構（如鋼管混凝土）或特殊部位（如剪力墻）不能進行傳統(tǒng)外養(yǎng)護或效果不佳；內養(yǎng)護與外養(yǎng)護

內養(yǎng)護可促進膠凝材料最大程度水化、混凝土內部最小程度自干燥，明顯區(qū)別于補償收縮、纖維阻裂及外加劑減縮等技術，成為一種極具潛力的抗裂防裂前沿技術。內養(yǎng)護——指混凝土在絕濕、絕熱條件下，依靠預先內置的吸水性材料在適當時候釋水進行內部養(yǎng)護的過程。特點：由內向外、原位養(yǎng)護。與灑水、噴霧、圍水、覆蓋（覆草、覆袋、覆砂）、覆膜（覆蓋塑料膜、涂刷養(yǎng)護劑膜或止水劑）等外養(yǎng)護方法在水分分布狀態(tài)、水分擴散方向、水分載體材料上有明顯不同。研究目的、意義針對混凝土堿性環(huán)境，科學設計材料組成和結構，低成本制備了系列可控吸水-釋水、經濟實用的新型內養(yǎng)護材料；為抑制采用低水膠比、礦物摻合料和高效減水劑的HSC/HPC早期開裂提供了一種新選擇。對延長混凝土結構服役壽命具有現實意義；對提升混凝土抗裂防裂技術水平具有積極意義。部分替代傳統(tǒng)養(yǎng)護方法，優(yōu)化施工工藝，促進施工技術進步；項目來源：國家自然科學基金“基于內部相對濕度調節(jié)的鋼管高強膨脹混凝土體積變形的控制”（50508034）、國家自然科學基金“具有互穿網絡結構的陰-非離子化混凝土內養(yǎng)護材料的設計、合成與性能研究”(51202039)、廣西自然科學基金“耐鹽耐堿高釋水性混凝土內養(yǎng)護材料的分子設計及性能研究（2012GXNSFBA053157）”。（一）混凝土內部濕度補償理論

解決混凝土早期收縮開裂問題，需要設法減小混凝土的內部濕度下降梯度。由于混凝土結構非常致密，外部水分難以進入混凝土內部，因而采用加強外部養(yǎng)護的方法效果將不明顯。據此，提出了混凝土內部濕度補償理論，其設計思想如圖所示。

濕度補償理論的內涵是通過在混凝土內部引入濕度補償介質，使其在水泥水化硬化過程中釋放出水分對混凝土內部濕度下降過程進行補償，以延緩高強混凝土濕度下降梯度，減少混凝土的早期自收縮，防止早期自收縮應力過大而混凝土抗拉強度不足而產生的開裂。二、本課題組取得的創(chuàng)新成果內養(yǎng)護技術的關鍵在于內養(yǎng)護材料，其選擇的一般要求是：含有一定親水性組成，或具有內部多孔結構，在堿性環(huán)境下具有較好吸水-儲水-釋水性能，具有合適顆粒尺度，在混凝土內部均勻分布；釋水過程與混凝土內部濕度下降過程協(xié)調一致，不在拌合、運輸、澆筑等過程中釋水，其釋水速度、釋水量可為混凝土內部濕度下降實施有效補償；與原材料適應性好，尤其是與外加劑、水泥適應性好；可與水泥石形成良好粘結，對混凝土工作性能、力學性能、耐久性等無明顯負面影響；原材料來源廣泛、易得、價格便宜、使用方便。使用時不增加特殊工藝環(huán)節(jié)和復雜設備、材料現場無需復雜加工即可使用；（二）內養(yǎng)護材料的設計和制備輕集料現有內養(yǎng)護材料

現有材料常見輕集料、高吸水樹脂兩大類，以及重集料、木屑、塑料絨等。SAP釋水無殘留，不作為最終結構組成；少量即可顯著增加混凝土內部相對濕度、優(yōu)化孔結構，降低自干燥；含大量親水基團且呈三維網狀結構，吸水量大；高吸水樹脂多孔結構、內部連通；少量即可改善混凝土內部相對濕度、降低自干燥；（A）管孔儲水狀態(tài)

（B）管孔釋水狀態(tài)內養(yǎng)護原理高吸水率多孔材料可以通過外界和自身的毛細管作用調整和轉換儲存與釋水功能。輕集料中的水在早期水化階段不參與化學反應，當體系中自由水分降至一定程度時，能釋放水分維持體系中的反應進行。系列自制內養(yǎng)護材料之一——高吸水率多孔材料高吸水率多孔材料是一類改性輕集料，以粘土或頁巖為主要原料，通過改進表面處理工藝，得到一種硬質、多孔、高吸水性的新型內養(yǎng)護輕集料，具有儲存與釋放水的相互轉換功能。系列自制內養(yǎng)護材料之二——SAP（高吸水聚合物）改變傳統(tǒng)內養(yǎng)護材料的淀粉主鏈上接枝單一基團形式，在淀粉主鏈上同時接枝乙烯基陰離子基團-SO3H和乙烯基非離子基團-CONH2，形成了淀粉接枝陰/非離子高吸水性聚合物。內養(yǎng)護SAP分子結構內養(yǎng)護SAP粉末及塊狀樣品系列自制內養(yǎng)護材料之三——重集料通過對攀鋼高爐冶煉釩鈦磁鐵礦時產生的熔融礦渣水冷后形成的一種由鈦輝石、鈣鈦礦等礦物為主的多孔、高強石質材料進行表面和微細化處理得到一定高吸水、高釋水的內養(yǎng)護材料——重集料。重集料外觀內養(yǎng)護混凝土內部濕度變化規(guī)律

高強混凝土的早期相對濕度下降梯度非?？?，在相同齡期內，水膠比越低，混凝土的相對濕度下降梯度越大。（三）內養(yǎng)護混凝土性能（R2=0.9915）

自收縮與混凝土內部相對濕度的關系

Cf—單方混凝土水泥用量，kg/m3；CS—單位質量水泥水化所需額外水量，一般取0.06kg/kg水泥；αmax—混凝土最大可能水化度(水膠比/0.36)；S：輕集料的吸水率，%；m：輕集料的摻量，kg/m3。

高強混凝土內部濕度補償介質的輕集料最佳粒徑范圍為5~10mm或5~16mm引入水量對內部相對濕度的影響不同齡期混凝土濕度與引入水量的關系編號2#6#7#8#9#輕集料占粗集料的體積率/%010203040引入水量/kg/m303.056.119.1512.2

同一齡期，混凝土內部相對濕度與引入水量之間呈線性關系，1d、3d、7d、14d和28d的相對濕度均隨引入水量的增加而增大，關系式為：RH－相對濕度/%；Q－引入水量/kg/m3；Kn－內部相對濕度的補償效果評價參數；n－齡期；b－常數。引入水量與混凝土自收縮的關系引入水量與混凝土自收縮的關系

相比基準混凝土，隨著預濕輕集料的摻入，6#~9#混凝土的自收縮減小，引入水量越大，自收縮越低。

建立引入水量與28d混凝土自收縮關系式，根據該式可確定預濕輕集料的引入水量和摻量，從而實現對混凝土自收縮的有效控制。R=0.976，AS－混凝土28d自收縮/×10-4；Q－引入水量/kg/m3

可以通過調節(jié)內部相對濕度抑制自收縮。內養(yǎng)護材料的吸釋水特性圖2.1SAP的吸水特性圖2.2輕集料的吸水特性圖2.3內養(yǎng)護材料的釋水特性0510152025303540450123456時間/h釋水率/%SAPLA1LA2SAP—超吸水樹脂LA1—粘土陶粒LA2—頁巖陶粒編號WCSFGS輕集料LA0.5h吸水率內養(yǎng)護水WeRef18050326.51065625000LG700-9.570119610.821.2LG700-196232388.9LG500-9.56472259.4內養(yǎng)護材料的養(yǎng)護作用輕集料的內養(yǎng)護效果混凝土配比W/CWCGS0.341805301065625吸水性樹脂的內養(yǎng)護效果

超吸水性樹脂(SAP)：聚丙烯酸鈉吸水樹脂，最大粒徑小于0.5mm,密度0.75g/ml,摻量1.59kg/m3。內養(yǎng)護水量相同時：輕集料抑制自收縮的效果較好，但對混凝土強度影響較大。

高吸水性樹脂抑制自收縮的效果比粘土陶粒差，但對混凝土強度影響較小。序號內養(yǎng)護用水We/kg/m3內養(yǎng)護材料的引入水量SAP引入水量/kg/m3摻量/kg/m3Clay700-19引入水量/kg/m3摻量/kg/m31#00002#21.201.5921.21963#5.315.91474#10.610.6985#15.95.3496#21.200輕集料+高吸水性樹脂復合使用

將輕集料與高吸水性樹脂復合使用，既明顯減小了自收縮，又避免了抗壓強度的嚴重損失。其中以輕集料和高吸水性樹脂各引入50%的內養(yǎng)護水的養(yǎng)護效果最好。水泥：華新P.I.52.5硅酸鹽水泥；粉煤灰：武漢漢川熱電廠I級粉煤灰，比表面積380m2/kg；超吸水性樹脂(SAP)：聚丙烯酸鈉吸水樹脂，最大粒徑小于0.5mm，密度0.75g/ml；減水劑：FDN型高效減水劑；LS：最大粒徑為4.75mm的陶砂，吸水率7%。

試驗用砂漿配合比/kg·m-3

編號水水泥粉煤灰減水劑SAPLS引入水量SH-11843601003.68000SH-21843601003.681.38022.08SH-31403601004.60000SH-41403601004.601.38022.08SH-51403601004.60010016.8內養(yǎng)護混凝土長期力學性能不同齡期試件的抗壓強度/MPa編號3d7d28d60d180dSH-119.132.946.158.671.5SH-215.626.636.646.269.4SH-338.253.565.684.688.2SH-435.139.957.979.891.1SH-538.442.554.985.896.3圖3.1不同水灰比條件下內養(yǎng)護效果對比圖3.2不同內養(yǎng)護材料的內養(yǎng)護效果對比抗壓強度隨齡期的變化規(guī)律不同齡期試件的孔隙率/%編號3d7d28dSH-128.1725.2222.93SH-228.0026.3422.54SH-321.3016.8915.58SH-419.5119.1116.72SH-519.7618.8315.43孔隙率隨齡期的變化規(guī)律孔徑分布隨齡期的變化規(guī)律（1）隨著水灰比降低，孔分布圖向細孔方向偏移；（2）隨著齡期增長，孔分布趨于集中；（3）內養(yǎng)護條件下，水泥石后期孔分布更加趨于集中。掃描電鏡（SEM）微觀分析7d28d90dSH-1SH-4SH-2SH-3SH-5混凝土配合比編號水泥粉煤灰礦粉硅灰河砂碎石輕集料SPAPC水138540502070010600013.251402398595320646918530.5313.25140混凝土早期平板開裂結果編號初裂時間/h初裂寬度/mm24h最大裂縫寬度/mm24h裂縫總長度/mm24h裂縫數量/根單位面積裂縫數目/根/m2110.200.76352236421.50.080.401861439（1）與混凝土中的水分散失相比，內養(yǎng)護材料中的水分散失相對較難，在混凝土失水時能逐步釋放，減少因表面失水過快導致的開裂；（2）SAP中部分水以氫鍵的形式被固定在高分子鏈上，其蒸發(fā)需消耗的能量更大，且SAP粒子表面成膜也降低了干燥速度。內養(yǎng)護混凝土耐久性能抗裂性混凝土配合比編號水泥粉煤灰礦粉硅灰河砂碎石輕集料SAP水142310700625106500180242310700625883980.5318033854050207001060001404398595320646918530.53140抗?jié)B性試驗結果編號抗壓強度（MPa）電通量（C）28d56d28d56d159.162.31094876254.658.21257918383.485.2506435478.480.1573517抗?jié)B性內養(yǎng)護混凝土的配合比編號水泥粉煤灰礦粉硅灰河砂碎石輕集料SAPPC水13854050207001060008.481602398595320646918530.538.48160抗凍試驗結果試驗編號

凍融次數性能指標01002003001相對動彈模（%）100959382質量損失率（%）00.20.22.52相對動彈模（%）100979590質量損失率（%）0001.3抗凍性混凝土配合比及試驗結果編號水泥河砂碎石輕集料SAP水碳化深度/mm3d7d14d28d14007901060001601.33.14.36.82400746918530.531600.81.92.84.7碳化深度隨齡期變化規(guī)律

混凝土在內養(yǎng)護條件下，水泥水化程度更高，集料與水泥石之間的界面過渡區(qū)更密實，有效阻斷CO2在混凝土中的傳播路徑，從而體現出良好的抗碳化性能。抗碳化性能內養(yǎng)護混凝土在摩爾城中的應用表5.1摩爾城內養(yǎng)護混凝土配合比(kg/m3)水泥粉煤灰礦粉河砂輕骨料外加劑水240190607904707.7170表5.2內養(yǎng)護混凝土實際生產工作性以及力學性能0h坍落度/擴展度