高性能混凝土的养护

主讲人：赵文经一、引言在过去的50年里,普通混凝土在养护方面没有很大的变化。近年来,随着高性能混凝土(HPC)的出现和推广使用,不同的养护条件对HPC的性能有较大的影响,普通混凝土的养护方法不可能完全适宜高性能混凝土。与普通混凝土相比,HPC对养护条件更加敏感,特别在早期。二、高性能混凝土的组成结构特点1、组成材料多高性能混凝土是大组分混凝土,即在普通混凝土四组分基础上增加化学外加剂和超细粉矿物掺合料,由于上述二组分的超叠加效应,使HPC与普通混凝土相比产生了质的飞跃。2、水胶比低普通混凝土与HPC在耐久性和强度方面的本质区别在于二者的水胶比不同,其分界线为水泥的理论水胶比0·38。3、结构更密实毛细孔和凝胶体数量是决定混凝土强度和耐久性的重要因素。与普通混凝土相比,HPC的毛细孔数量显著减少,而超细矿物掺合料在改善粉体集料的级配,同时大幅度降低毛细孔数量,使HPC形成高度致密的微观结构。此外,超细矿物掺合料活性大,火山灰反应强烈,消耗大量的Ca(OH)2结晶,产生的凝胶体数量增多,也相应地提高了HPC的抗腐蚀性能。4、宏观性能更稳定HPC的微观结构达到相当致密的状态,外界有害杂质很难侵入,使其具有高耐久性。外加剂的引入使HPC的工作性达到了前所未有的理想状态。三、高性能混凝土在养护上的特点1、胶凝材料的水化高性能混凝土浇筑成型后,胶凝材料的水化只能在填充水的毛细管内进行。为防止毛细管中的水分蒸发流失,对胶凝材料的水化正常进行有着重要意义。另一方面,混凝土内部自干燥作用的失水亦应由外部水分予以补充,就是说水分进入混凝土内部的通路必须畅通。2、高性能混凝土的自收缩高性能混凝土初凝后,由于种种原因产生的裂缝对混凝土的劣化起较大促进作用,而引起混凝土由非荷载作用产生的裂缝最常见因素是混凝土的收缩。对于普通混凝土来说,干缩是主要的,而对于高性能混凝土,自收缩问题也变得越来越重要。当高性能混凝土的水胶比远低于0·4及使用硅灰时,HPC内部的相对湿度值就显著降低,HPC的自收缩率随着水胶比降低和硅灰掺量增加而增大。HPC的自收缩值已经达到能引起内部产生微裂纹的数量级,同时它也影响到混凝土的强度和耐久性性能。3、养护湿度高性能混凝土在同温度但不同相对湿度的养护条件下,其强度增长的规律不一,湿度越低,强度增长越缓慢。高性能混凝土需保水养护,否则不但影响强度,而且会发生开裂。所以,HPC的水养护至关重要,尤其在早期时段。4、养护时间高性能混凝土的养护时间一般不应少于7d。HPC的强度取决于它的早期强度,它的后期强度增长相当缓慢。HPC在早期即应养护,因为部分水化可能使毛细管中断,即重新开始养护时水分将不能进入混凝土内部,因而不会引起进一步水化,这将严重影响着HPC的耐久性和强度等性能。5、养护温度正常温度的升高加速水化反应,对高性能混凝土早期强度产生有利影响,对后期强度也无不利影响。可是,若浇筑和凝结期间的温度偏高,虽然使得混凝土早期强度得以提高,但约7d以后对强度就有不利的影响。早期高温对高性能混凝土后期强度的不利影响的这一解释已被Verbeck所引伸,他认为常温养护时,水泥水化速率较低,水化产物有足够的时间扩散到水泥颗粒的间隙中,形成均匀的水泥石结构,混凝土后期强度较高;相反,在高温养护条件下,水化速率较高,水化产物来不及扩散,大部分包裹在水泥颗粒周围,阻碍水进入水泥颗粒,使得后期水化过程难以进行,宏观上表现出混凝土后期强度下降,抗渗性降低。所以,美国ASTMC-31中规定的初始养护温度的容许限制值为27℃以下。总之,高性能混凝土由于采用了较小的水胶比,胶凝材料用量大,水化热偏高,自收缩大。如果养护不良,容易产生应力变形和开裂,直接影响高性能混凝土的耐久性和强度。为此,高性能混凝土应特别需要特殊的养护方法。四、高性能混凝土的特殊养护方法1、蒸气养护与普通混凝土相比,高性能混凝土,特别是掺硅灰的高性能混凝土对养护时的温度和湿度非常敏感。尤其在早期,这种敏感性比较明显。根据上述Verbeck的观点,养护温度对混凝土的强度变化和变形性能有较大影响,混凝土会因早期高温而产生后期强度降低的现象。由于凝结时的温度对混凝土后期强度有很大的影响,推迟进行蒸气养护,即静停则对高性能混凝土后期强度有较大益处。采取足够的静停时间,快速加热对混凝土性能影响甚小。蒸气养护是提高HPC强度的重要途径之一。2、自养护⑴轻骨料吸水养护目前常用的多孔陶粒等轻质材料,浸水饱和后作为骨料掺入到混凝土中。在不影响混凝土拌合物流动性的基础上,将其内部粗大孔隙(与水泥石内部孔隙相比)中的水分供给水泥石体系。一方面促进胶凝材料的进一步水化,另一方面可减少因水化引起的内部湿度的降低,在毛细管作用下水分向水化体系迁移而使体系继续水化,达到抑制自收缩的目的。这种轻骨料吸水养护方法对抑制HPC的自收缩很有效果,但对HPC的耐久性和强度有一定的负面影响,可以酌情应用。⑵养护剂保水养护首先,在中国西部或沙漠地带,水资源缺乏,水养护比较困难。其次,高性能混凝土由于结构致密,孔隙率低,外界水分很难渗入其内部,必须采取有效的养护方法。在水中养护的普通混凝土,由于水易渗入混凝土中,使混凝土中相对湿度接近于100%。然而,在水中养护两年的高性能混凝土,水分只能渗入到表层较小的范围,混凝土表层的相对湿度接近100%,但HPC内层的相对湿度依然很小,其内层混凝土的相对湿度值明显低于表层混凝土的值,且两者之间的差别随着水灰比降低,特别是硅灰的掺入而显著增大,这清楚表明,自干燥仍然在内层HPC中存在。因此,即使处在水中的HPC,其自干燥也应引起重视。如果在HPC中加入养护剂(代号为SAP,它是一种高分子吸水材料,白色粉状颗粒,吸水性较强)。它对高性能混凝土的作用是在混凝土新拌合物中吸收多余水量,并且在水化过程中缓慢释放水分供水泥水化作用。它能抑制部分自收缩,改善高性能混凝土的脆性,减轻微裂缝的形成,对HPC的耐久性和强度无不良影响,有利于高性能混凝土自养护的实现。由于SAP的保水作用在科研实践上得到了大部分的验证,它极有可能在工程中得到广泛地应用。养护剂养护极有可能成为HPC最广泛的一种养护方法。3、内掺膨胀剂养护在抗裂防渗要求高的高性能混凝土结构工程中,可掺入膨胀剂,将它视为矿物掺合料的一部分。不同品种的膨胀剂掺量有所不同。以UEA为例,一般替代胶凝材料总量10%左右。从耐久性出发,钙矾石系膨胀剂适合地下、水工和海工等防渗结构工程,石灰-钙矾石系膨胀剂适用于非防渗结构工程。无论用何种膨胀剂,用其配制的补偿收缩混凝土应达到此要求:水养14d的限制膨胀率≥1·5×10-4。吴中伟院士认为,膨胀剂在高性能混凝土中能发挥良好作用:1)高性能混凝土自收缩大,外界水难以渗入,掺入膨胀剂形成膨胀结晶,在绝湿状态下可产生微膨胀,补偿自收缩。2)高性能混凝土的水化热较高,掺入膨胀剂可使混凝土产生限制膨胀率(1-2)×10-4,可补偿冷缩10-20℃。3)掺膨胀剂的高性能混凝土在湿养期间产生的体积膨胀,在钢筋的约束下,可在结构中建立0·2-0·7MPa的预压应力,补偿部分干缩拉应力。HPC较适宜采用这种养护方法。4、带模供水养护用钢模板进行施工时,与模板相接触的混凝土面,拆模前无法供水养护,但此时产生较大的自收缩。因此,建议浇筑高性能混凝土时采用可带模供水养护的内衬憎水塑料绒钢模板。它的特点是模板内衬的多孔材料可吸收大量的水分,同时具有憎水性,极易释放出水分,供给混凝土养护。因此,混凝土初凝后向内衬的多孔材料供应水分,达到养护模板内混凝土的目的。这是HPC重要且可行的一种养护方法。五、结语高性能混凝土容易自干燥而产生自收缩,良好的养护能抑制部分自收缩,防止裂缝过早形成。高性能混凝土的水胶比低、孔隙率低和结构致密,外界水分很难渗入其内部,这就决定了HPC有着特殊的养护特点和养护方法。养护良好的混凝土,其耐久性和强度性能均较好。因此,养护条件对HPC的性能显得极为重要。同时,养护湿度和温度对混凝土的强度变化和变形性能有较大的影响。由于HPC本身的特点,决定了其有特殊的养护方法,为了解决高性能混凝土的耐久性和强度问题,当务之急是解决混凝土的养护问题,今后有必要在这一方面投入更多的研究力量。2011.12.24