LWA-SAP内养护技术资料

主讲人：丁庆军教授、博导所在单位：武汉理工大学混凝土内养护技术一、项目背景

高强化、高性能化、绿色化是国内外混凝土技术发展的主要趋势。采用低水胶比设计、矿物掺合料、高效减水剂等是实现这些目标的基本手段。但是，这些旨在优化普通混凝土性能的方法往往成为现代混凝土早期开裂——特别是自收缩开裂——的主要原因。现有混凝土外养护方法费时、费力、成本高、不规范，浪费宝贵水资源；一些特种混凝土结构（如钢管混凝土）或特殊部位（如剪力墙）不能进行传统外养护或效果不佳；内养护与外养护

内养护可促进胶凝材料最大程度水化、混凝土内部最小程度自干燥，明显区别于补偿收缩、纤维阻裂及外加剂减缩等技术，成为一种极具潜力的抗裂防裂前沿技术。内养护——指混凝土在绝湿、绝热条件下，依靠预先内置的吸水性材料在适当时候释水进行内部养护的过程。特点：由内向外、原位养护。与洒水、喷雾、围水、覆盖（覆草、覆袋、覆砂）、覆膜（覆盖塑料膜、涂刷养护剂膜或止水剂）等外养护方法在水分分布状态、水分扩散方向、水分载体材料上有明显不同。研究目的、意义针对混凝土碱性环境，科学设计材料组成和结构，低成本制备了系列可控吸水-释水、经济实用的新型内养护材料；为抑制采用低水胶比、矿物掺合料和高效减水剂的HSC/HPC早期开裂提供了一种新选择。对延长混凝土结构服役寿命具有现实意义；对提升混凝土抗裂防裂技术水平具有积极意义。部分替代传统养护方法，优化施工工艺，促进施工技术进步；项目来源：国家自然科学基金“基于内部相对湿度调节的钢管高强膨胀混凝土体积变形的控制”（50508034）、国家自然科学基金“具有互穿网络结构的阴-非离子化混凝土内养护材料的设计、合成与性能研究”(51202039)、广西自然科学基金“耐盐耐碱高释水性混凝土内养护材料的分子设计及性能研究（2012GXNSFBA053157）”。（一）混凝土内部湿度补偿理论

解决混凝土早期收缩开裂问题，需要设法减小混凝土的内部湿度下降梯度。由于混凝土结构非常致密，外部水分难以进入混凝土内部，因而采用加强外部养护的方法效果将不明显。据此，提出了混凝土内部湿度补偿理论，其设计思想如图所示。

湿度补偿理论的内涵是通过在混凝土内部引入湿度补偿介质，使其在水泥水化硬化过程中释放出水分对混凝土内部湿度下降过程进行补偿，以延缓高强混凝土湿度下降梯度，减少混凝土的早期自收缩，防止早期自收缩应力过大而混凝土抗拉强度不足而产生的开裂。二、本课题组取得的创新成果内养护技术的关键在于内养护材料，其选择的一般要求是：含有一定亲水性组成，或具有内部多孔结构，在碱性环境下具有较好吸水-储水-释水性能，具有合适颗粒尺度，在混凝土内部均匀分布；释水过程与混凝土内部湿度下降过程协调一致，不在拌合、运输、浇筑等过程中释水，其释水速度、释水量可为混凝土内部湿度下降实施有效补偿；与原材料适应性好，尤其是与外加剂、水泥适应性好；可与水泥石形成良好粘结，对混凝土工作性能、力学性能、耐久性等无明显负面影响；原材料来源广泛、易得、价格便宜、使用方便。使用时不增加特殊工艺环节和复杂设备、材料现场无需复杂加工即可使用；（二）内养护材料的设计和制备轻集料现有内养护材料

现有材料常见轻集料、高吸水树脂两大类，以及重集料、木屑、塑料绒等。SAP释水无残留，不作为最终结构组成；少量即可显著增加混凝土内部相对湿度、优化孔结构，降低自干燥；含大量亲水基团且呈三维网状结构，吸水量大；高吸水树脂多孔结构、内部连通；少量即可改善混凝土内部相对湿度、降低自干燥；（A）管孔储水状态

（B）管孔释水状态内养护原理高吸水率多孔材料可以通过外界和自身的毛细管作用调整和转换储存与释水功能。轻集料中的水在早期水化阶段不参与化学反应，当体系中自由水分降至一定程度时，能释放水分维持体系中的反应进行。系列自制内养护材料之一——高吸水率多孔材料高吸水率多孔材料是一类改性轻集料，以粘土或页岩为主要原料，通过改进表面处理工艺，得到一种硬质、多孔、高吸水性的新型内养护轻集料，具有储存与释放水的相互转换功能。系列自制内养护材料之二——SAP（高吸水聚合物）改变传统内养护材料的淀粉主链上接枝单一基团形式，在淀粉主链上同时接枝乙烯基阴离子基团-SO3H和乙烯基非离子基团-CONH2，形成了淀粉接枝阴/非离子高吸水性聚合物。内养护SAP分子结构内养护SAP粉末及块状样品系列自制内养护材料之三——重集料通过对攀钢高炉冶炼钒钛磁铁矿时产生的熔融矿渣水冷后形成的一种由钛辉石、钙钛矿等矿物为主的多孔、高强石质材料进行表面和微细化处理得到一定高吸水、高释水的内养护材料——重集料。重集料外观内养护混凝土内部湿度变化规律

高强混凝土的早期相对湿度下降梯度非常快，在相同龄期内，水胶比越低，混凝土的相对湿度下降梯度越大。（三）内养护混凝土性能（R2=0.9915）

自收缩与混凝土内部相对湿度的关系

Cf—单方混凝土水泥用量，kg/m3；CS—单位质量水泥水化所需额外水量，一般取0.06kg/kg水泥；αmax—混凝土最大可能水化度(水胶比/0.36)；S：轻集料的吸水率，%；m：轻集料的掺量，kg/m3。

高强混凝土内部湿度补偿介质的轻集料最佳粒径范围为5~10mm或5~16mm引入水量对内部相对湿度的影响不同龄期混凝土湿度与引入水量的关系编号2#6#7#8#9#轻集料占粗集料的体积率/%010203040引入水量/kg/m303.056.119.1512.2

同一龄期，混凝土内部相对湿度与引入水量之间呈线性关系，1d、3d、7d、14d和28d的相对湿度均随引入水量的增加而增大，关系式为：RH－相对湿度/%；Q－引入水量/kg/m3；Kn－内部相对湿度的补偿效果评价参数；n－龄期；b－常数。引入水量与混凝土自收缩的关系引入水量与混凝土自收缩的关系

相比基准混凝土，随着预湿轻集料的掺入，6#~9#混凝土的自收缩减小，引入水量越大，自收缩越低。

建立引入水量与28d混凝土自收缩关系式，根据该式可确定预湿轻集料的引入水量和掺量，从而实现对混凝土自收缩的有效控制。R=0.976，AS－混凝土28d自收缩/×10-4；Q－引入水量/kg/m3

可以通过调节内部相对湿度抑制自收缩。内养护材料的吸释水特性图2.1SAP的吸水特性图2.2轻集料的吸水特性图2.3内养护材料的释水特性0510152025303540450123456时间/h释水率/%SAPLA1LA2SAP—超吸水树脂LA1—粘土陶粒LA2—页岩陶粒编号WCSFGS轻集料LA0.5h吸水率内养护水WeRef18050326.51065625000LG700-9.570119610.821.2LG700-196232388.9LG500-9.56472259.4内养护材料的养护作用轻集料的内养护效果混凝土配比W/CWCGS0.341805301065625吸水性树脂的内养护效果

超吸水性树脂(SAP)：聚丙烯酸钠吸水树脂，最大粒径小于0.5mm,密度0.75g/ml,掺量1.59kg/m3。内养护水量相同时：轻集料抑制自收缩的效果较好，但对混凝土强度影响较大。

高吸水性树脂抑制自收缩的效果比粘土陶粒差，但对混凝土强度影响较小。序号内养护用水We/kg/m3内养护材料的引入水量SAP引入水量/kg/m3掺量/kg/m3Clay700-19引入水量/kg/m3掺量/kg/m31#00002#21.201.5921.21963#5.315.91474#10.610.6985#15.95.3496#21.200轻集料+高吸水性树脂复合使用

将轻集料与高吸水性树脂复合使用，既明显减小了自收缩，又避免了抗压强度的严重损失。其中以轻集料和高吸水性树脂各引入50%的内养护水的养护效果最好。水泥：华新P.I.52.5硅酸盐水泥；粉煤灰：武汉汉川热电厂I级粉煤灰，比表面积380m2/kg；超吸水性树脂(SAP)：聚丙烯酸钠吸水树脂，最大粒径小于0.5mm，密度0.75g/ml；减水剂：FDN型高效减水剂；LS：最大粒径为4.75mm的陶砂，吸水率7%。

试验用砂浆配合比/kg·m-3

编号水水泥粉煤灰减水剂SAPLS引入水量SH-11843601003.68000SH-21843601003.681.38022.08SH-31403601004.60000SH-41403601004.601.38022.08SH-51403601004.60010016.8内养护混凝土长期力学性能不同龄期试件的抗压强度/MPa编号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图3.1不同水灰比条件下内养护效果对比图3.2不同内养护材料的内养护效果对比抗压强度随龄期的变化规律不同龄期试件的孔隙率/%编号3d7d28dSH-128.1725.2222.93SH-228.0026.3422.54SH-321.3016.8915.58SH-419.5119.1116.72SH-519.7618.8315.43孔隙率随龄期的变化规律孔径分布随龄期的变化规律（1）随着水灰比降低，孔分布图向细孔方向偏移；（2）随着龄期增长，孔分布趋于集中；（3）内养护条件下，水泥石后期孔分布更加趋于集中。扫描电镜（SEM）微观分析7d28d90dSH-1SH-4SH-2SH-3SH-5混凝土配合比编号水泥粉煤灰矿粉硅灰河砂碎石轻集料SPAPC水138540502070010600013.251402398595320646918530.5313.25140混凝土早期平板开裂结果编号初裂时间/h初裂宽度/mm24h最大裂缝宽度/mm24h裂缝总长度/mm24h裂缝数量/根单位面积裂缝数目/根/m2110.200.76352236421.50.080.401861439（1）与混凝土中的水分散失相比，内养护材料中的水分散失相对较难，在混凝土失水时能逐步释放，减少因表面失水过快导致的开裂；（2）SAP中部分水以氢键的形式被固定在高分子链上，其蒸发需消耗的能量更大，且SAP粒子表面成膜也降低了干燥速度。内养护混凝土耐久性能抗裂性混凝土配合比编号水泥粉煤灰矿粉硅灰河砂碎石轻集料SAP水142310700625106500180242310700625883980.5318033854050207001060001404398595320646918530.53140抗渗性试验结果编号抗压强度（MPa）电通量（C）28d56d28d56d159.162.31094876254.658.21257918383.485.2506435478.480.1573517抗渗性内养护混凝土的配合比编号水泥粉煤灰矿粉硅灰河砂碎石轻集料SAPPC水13854050207001060008.481602398595320646918530.538.48160抗冻试验结果试验编号

冻融次数性能指标01002003001相对动弹模（%）100959382质量损失率（%）00.20.22.52相对动弹模（%）100979590质量损失率（%）0001.3抗冻性混凝土配合比及试验结果编号水泥河砂碎石轻集料SAP水碳化深度/mm3d7d14d28d14007901060001601.33.14.36.82400746918530.531600.81.92.84.7碳化深度随龄期变化规律

混凝土在内养护条件下，水泥水化程度更高，集料与水泥石之间的界面过渡区更密实，有效阻断CO2在混凝土中的传播路径，从而体现出良好的抗碳化性能。抗碳化性能内养护混凝土在摩尔城中的应用表5.1摩尔城内养护混凝土配合比(kg/m3)水泥粉煤灰矿粉河砂轻骨料外加剂水240190607904707.7170表5.2内养护混凝土实际生产工作性以及力学性能0h坍落度/扩展度