LWA-SAP內(nèi)養(yǎng)護(hù)技術(shù)資料

主講人：丁慶軍教授、博導(dǎo)所在單位：武漢理工大學(xué)混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)技術(shù)一、項(xiàng)目背景

高強(qiáng)化、高性能化、綠色化是國(guó)內(nèi)外混凝土技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)。采用低水膠比設(shè)計(jì)、礦物摻合料、高效減水劑等是實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)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(xiàn)代混凝土早期開(kāi)裂——特別是自收縮開(kāi)裂——的主要原因。現(xiàn)有混凝土外養(yǎng)護(hù)方法費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、成本高、不規(guī)范，浪費(fèi)寶貴水資源；一些特種混凝土結(jié)構(gòu)（如鋼管混凝土）或特殊部位（如剪力墻）不能進(jìn)行傳統(tǒng)外養(yǎng)護(hù)或效果不佳；內(nèi)養(yǎng)護(hù)與外養(yǎng)護(hù)

內(nèi)養(yǎng)護(hù)可促進(jìn)膠凝材料最大程度水化、混凝土內(nèi)部最小程度自干燥，明顯區(qū)別于補(bǔ)償收縮、纖維阻裂及外加劑減縮等技術(shù)，成為一種極具潛力的抗裂防裂前沿技術(shù)。內(nèi)養(yǎng)護(hù)——指混凝土在絕濕、絕熱條件下，依靠預(yù)先內(nèi)置的吸水性材料在適當(dāng)時(shí)候釋水進(jìn)行內(nèi)部養(yǎng)護(hù)的過(guò)程。特點(diǎn)：由內(nèi)向外、原位養(yǎng)護(hù)。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(hù)劑膜或止水劑）等外養(yǎng)護(hù)方法在水分分布狀態(tài)、水分?jǐn)U散方向、水分載體材料上有明顯不同。研究目的、意義針對(duì)混凝土堿性環(huán)境，科學(xué)設(shè)計(jì)材料組成和結(jié)構(gòu)，低成本制備了系列可控吸水-釋水、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的新型內(nèi)養(yǎng)護(hù)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(kāi)裂提供了一種新選擇。對(duì)延長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命具有現(xiàn)實(shí)意義；對(duì)提升混凝土抗裂防裂技術(shù)水平具有積極意義。部分替代傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)方法，優(yōu)化施工工藝，促進(jìn)施工技術(shù)進(jìn)步；項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金“基于內(nèi)部相對(duì)濕度調(diào)節(jié)的鋼管高強(qiáng)膨脹混凝土體積變形的控制”（50508034）、國(guó)家自然科學(xué)基金“具有互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的陰-非離子化混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的設(shè)計(jì)、合成與性能研究”(51202039)、廣西自然科學(xué)基金“耐鹽耐堿高釋水性混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的分子設(shè)計(jì)及性能研究（2012GXNSFBA053157）”。（一）混凝土內(nèi)部濕度補(bǔ)償理論

解決混凝土早期收縮開(kāi)裂問(wèn)題，需要設(shè)法減小混凝土的內(nèi)部濕度下降梯度。由于混凝土結(jié)構(gòu)非常致密，外部水分難以進(jìn)入混凝土內(nèi)部，因而采用加強(qiáng)外部養(yǎng)護(hù)的方法效果將不明顯。據(jù)此，提出了混凝土內(nèi)部濕度補(bǔ)償理論，其設(shè)計(jì)思想如圖所示。

濕度補(bǔ)償理論的內(nèi)涵是通過(guò)在混凝土內(nèi)部引入濕度補(bǔ)償介質(zhì)，使其在水泥水化硬化過(guò)程中釋放出水分對(duì)混凝土內(nèi)部濕度下降過(guò)程進(jìn)行補(bǔ)償，以延緩高強(qiáng)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(yīng)力過(guò)大而混凝土抗拉強(qiáng)度不足而產(chǎn)生的開(kāi)裂。二、本課題組取得的創(chuàng)新成果內(nèi)養(yǎng)護(hù)技術(shù)的關(guān)鍵在于內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料，其選擇的一般要求是：含有一定親水性組成，或具有內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)，在堿性環(huán)境下具有較好吸水-儲(chǔ)水-釋水性能，具有合適顆粒尺度，在混凝土內(nèi)部均勻分布；釋水過(guò)程與混凝土內(nèi)部濕度下降過(guò)程協(xié)調(diào)一致，不在拌合、運(yùn)輸、澆筑等過(guò)程中釋水，其釋水速度、釋水量可為混凝土內(nèi)部濕度下降實(shí)施有效補(bǔ)償；與原材料適應(yīng)性好，尤其是與外加劑、水泥適應(yīng)性好；可與水泥石形成良好粘結(jié)，對(duì)混凝土工作性能、力學(xué)性能、耐久性等無(wú)明顯負(fù)面影響；原材料來(lái)源廣泛、易得、價(jià)格便宜、使用方便。使用時(shí)不增加特殊工藝環(huán)節(jié)和復(fù)雜設(shè)備、材料現(xiàn)場(chǎng)無(wú)需復(fù)雜加工即可使用；（二）內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的設(shè)計(jì)和制備輕集料現(xiàn)有內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料

現(xiàn)有材料常見(jiàn)輕集料、高吸水樹(shù)脂兩大類(lèi)，以及重集料、木屑、塑料絨等。SAP釋水無(wú)殘留，不作為最終結(jié)構(gòu)組成；少量即可顯著增加混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度、優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)，降低自干燥；含大量親水基團(tuán)且呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，吸水量大；高吸水樹(shù)脂多孔結(jié)構(gòu)、內(nèi)部連通；少量即可改善混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度、降低自干燥；（A）管孔儲(chǔ)水狀態(tài)

（B）管孔釋水狀態(tài)內(nèi)養(yǎng)護(hù)原理高吸水率多孔材料可以通過(guò)外界和自身的毛細(xì)管作用調(diào)整和轉(zhuǎn)換儲(chǔ)存與釋水功能。輕集料中的水在早期水化階段不參與化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)體系中自由水分降至一定程度時(shí)，能釋放水分維持體系中的反應(yīng)進(jìn)行。系列自制內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料之一——高吸水率多孔材料高吸水率多孔材料是一類(lèi)改性輕集料，以粘土或頁(yè)巖為主要原料，通過(guò)改進(jìn)表面處理工藝，得到一種硬質(zhì)、多孔、高吸水性的新型內(nèi)養(yǎng)護(hù)輕集料，具有儲(chǔ)存與釋放水的相互轉(zhuǎn)換功能。系列自制內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料之二——SAP（高吸水聚合物）改變傳統(tǒng)內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的淀粉主鏈上接枝單一基團(tuán)形式，在淀粉主鏈上同時(shí)接枝乙烯基陰離子基團(tuán)-SO3H和乙烯基非離子基團(tuán)-CONH2，形成了淀粉接枝陰/非離子高吸水性聚合物。內(nèi)養(yǎng)護(hù)SAP分子結(jié)構(gòu)內(nèi)養(yǎng)護(hù)SAP粉末及塊狀樣品系列自制內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料之三——重集料通過(guò)對(duì)攀鋼高爐冶煉釩鈦磁鐵礦時(shí)產(chǎn)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(qiáng)石質(zhì)材料進(jìn)行表面和微細(xì)化處理得到一定高吸水、高釋水的內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料——重集料。重集料外觀內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土內(nèi)部濕度變化規(guī)律

高強(qiáng)混凝土的早期相對(duì)濕度下降梯度非?？?，在相同齡期內(nèi)，水膠比越低，混凝土的相對(duì)濕度下降梯度越大。（三）內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土性能（R2=0.9915）

自收縮與混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度的關(guān)系

Cf—單方混凝土水泥用量，kg/m3；CS—單位質(zhì)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(qiáng)混凝土內(nèi)部濕度補(bǔ)償介質(zhì)的輕集料最佳粒徑范圍為5~10mm或5~16mm引入水量對(duì)內(nèi)部相對(duì)濕度的影響不同齡期混凝土濕度與引入水量的關(guān)系編號(hào)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(nèi)部相對(duì)濕度與引入水量之間呈線性關(guān)系，1d、3d、7d、14d和28d的相對(duì)濕度均隨引入水量的增加而增大，關(guān)系式為：RH－相對(duì)濕度/%；Q－引入水量/kg/m3；Kn－內(nèi)部相對(duì)濕度的補(bǔ)償效果評(píng)價(jià)參數(shù)；n－齡期；b－常數(shù)。引入水量與混凝土自收縮的關(guān)系引入水量與混凝土自收縮的關(guān)系

相比基準(zhǔn)混凝土，隨著預(yù)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(guān)系式，根據(jù)該式可確定預(yù)濕輕集料的引入水量和摻量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)部相對(duì)濕度抑制自收縮。內(nèi)養(yǎng)護(hù)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(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的釋水特性0510152025303540450123456時(shí)間/h釋水率/%SAPLA1LA2SAP—超吸水樹(shù)脂LA1—粘土陶粒LA2—頁(yè)巖陶粒編號(hào)WCSFGS輕集料LA0.5h吸水率內(nèi)養(yǎng)護(hù)水WeRef18050326.51065625000LG700-9.570119610.821.2LG700-196232388.9LG500-9.56472259.4內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的養(yǎng)護(hù)作用輕集料的內(nèi)養(yǎng)護(hù)效果混凝土配比W/CWCGS0.341805301065625吸水性樹(shù)脂的內(nèi)養(yǎng)護(hù)效果

超吸水性樹(shù)脂(SAP)：聚丙烯酸鈉吸水樹(shù)脂，最大粒徑小于0.5mm,密度0.75g/ml,摻量1.59kg/m3。內(nèi)養(yǎng)護(hù)水量相同時(shí)：輕集料抑制自收縮的效果較好，但對(duì)混凝土強(qiáng)度影響較大。

高吸水性樹(shù)脂抑制自收縮的效果比粘土陶粒差，但對(duì)混凝土強(qiáng)度影響較小。序號(hào)內(nèi)養(yǎng)護(hù)用水We/kg/m3內(nèi)養(yǎng)護(hù)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(shù)脂復(fù)合使用

將輕集料與高吸水性樹(shù)脂復(fù)合使用，既明顯減小了自收縮，又避免了抗壓強(qiáng)度的嚴(yán)重?fù)p失。其中以輕集料和高吸水性樹(shù)脂各引入50%的內(nèi)養(yǎng)護(hù)水的養(yǎng)護(hù)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(jí)粉煤灰，比表面積380m2/kg；超吸水性樹(shù)脂(SAP)：聚丙烯酸鈉吸水樹(shù)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(yàn)用砂漿配合比/kg·m-3

編號(hào)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(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土長(zhǎng)期力學(xué)性能不同齡期試件的抗壓強(qiáng)度/MPa編號(hào)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(nèi)養(yǎng)護(hù)效果對(duì)比圖3.2不同內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的內(nèi)養(yǎng)護(hù)效果對(duì)比抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律不同齡期試件的孔隙率/%編號(hào)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(xì)孔方向偏移；（2）隨著齡期增長(zhǎng)，孔分布趨于集中；（3）內(nèi)養(yǎng)護(hù)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(hào)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(kāi)裂結(jié)果編號(hào)初裂時(shí)間/h初裂寬度/mm24h最大裂縫寬度/mm24h裂縫總長(zhǎng)度/mm24h裂縫數(shù)量/根單位面積裂縫數(shù)目/根/m2110.200.76352236421.50.080.401861439（1）與混凝土中的水分散失相比，內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料中的水分散失相對(duì)較難，在混凝土失水時(shí)能逐步釋放，減少因表面失水過(guò)快導(dǎo)致的開(kāi)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(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土耐久性能抗裂性混凝土配合比編號(hào)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(yàn)結(jié)果編號(hào)抗壓強(qiáng)度（MPa）電通量（C）28d56d28d56d159.162.31094876254.658.21257918383.485.2506435478.480.1573517抗?jié)B性內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土的配合比編號(hào)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(yàn)結(jié)果試驗(yàn)編號(hào)

凍融次數(shù)性能指標(biāo)01002003001相對(duì)動(dòng)彈模（%）100959382質(zhì)量損失率（%）00.20.22.52相對(duì)動(dòng)彈模（%）100979590質(zhì)量損失率（%）0001.3抗凍性混凝土配合比及試驗(yàn)結(jié)果編號(hào)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(nèi)養(yǎng)護(hù)條件下，水泥水化程度更高，集料與水泥石之間的界面過(guò)渡區(qū)更密實(shí)，有效阻斷CO2在混凝土中的傳播路徑，從而體現(xiàn)出良好的抗碳化性能?？固蓟阅軆?nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土在摩爾城中的應(yīng)用表5.1摩爾城內(nèi)養(yǎng)護(hù)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(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土實(shí)際生產(chǎn)工作性以及力學(xué)性能0h坍落度/擴(kuò)展度