高性能混凝土的養(yǎng)護(hù)
2006-08-23 00:00
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摘 要：分析了濕度、溫度以及養(yǎng)護(hù)時問三項因素對高性能混凝土（HPC）養(yǎng)護(hù)影響的特點，提出將HPC的養(yǎng)護(hù)分為初期養(yǎng)護(hù)和濕養(yǎng)護(hù)兩個不同的階段，而且介紹了兩個階段各自的養(yǎng)護(hù)方法。
關(guān)鍵詞：混凝土；養(yǎng)護(hù)；方法
混凝土養(yǎng)護(hù)就是使已密實成型的混凝土進(jìn)行水化反應(yīng)，獲得所需的物理力學(xué)性能及耐久性等指標(biāo)的工藝措施。養(yǎng)護(hù)過程中主要是建立在水泥水化初期所需的介質(zhì)濕度及溫度條件。養(yǎng)護(hù)的目的就是保證混凝土的硬化以及水泥的水化達(dá)到一定程度，從而獲得性能優(yōu)良的混凝土。合適的養(yǎng)護(hù)能提高混凝土的強度、抗?jié)B性、耐磨性、抗凍融性。如果混凝土養(yǎng)護(hù)不當(dāng)，混凝土強度和耐久性將明顯降低．當(dāng)前我國存在著嚴(yán)重忽視混凝土養(yǎng)護(hù)的現(xiàn)象，特別是使用商品混凝土，施工單位認(rèn)為混凝土的質(zhì)量好壞皆有混凝土攪拌站負(fù)責(zé)，因此輕視混凝土的養(yǎng)護(hù)甚至對混凝土不進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，為此導(dǎo)致了混凝土質(zhì)量的嚴(yán)重下降，同時產(chǎn)生了多起質(zhì)量事故。
當(dāng)代高性能混凝土（HPC）的養(yǎng)護(hù)比以前任何時候都顯得更為重要。因為：①HPC與普通強度混凝土（NSC）比有一個更低的水灰比，混凝土產(chǎn)生自干燥的傾向，為防止自干燥導(dǎo)致混凝土早期較大的收縮，應(yīng)保證濕養(yǎng)供水或涂養(yǎng)護(hù)劑，甚至采用內(nèi)養(yǎng)護(hù)；②HPc中一般都摻有礦物外加劑，有必要通過較長時間的濕養(yǎng)護(hù)，保證混凝土性能的正常發(fā)展：③為了縮短施工工期，加快模板周轉(zhuǎn)，使用高強度等級，高早強水泥，易使混凝土養(yǎng)護(hù)不充分；④現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展，超高層建筑結(jié)構(gòu)和異型建筑結(jié)構(gòu)很難保證充足的供水養(yǎng)護(hù)。當(dāng)前，混凝土的養(yǎng)護(hù)機理需要研究．混凝土養(yǎng)護(hù)也需要管理和控制，就某建筑工程而言，很難確定混凝土養(yǎng)護(hù)是否到位，目前還沒有標(biāo)準(zhǔn)可參考，而且現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)技術(shù)也是混凝土迫切需要解決的施工技術(shù)難題。
1 影響HPC養(yǎng)護(hù)的因素
1．1 新澆筑混凝土的濕度損失
集料占據(jù)混凝土的大部分體積。在混凝土拌合料中，細(xì)集料填充在粗集料之間的空隙中。雖然水泥占據(jù)著較小尺寸的空隙，但它并不能完全填滿那些空隙，結(jié)果，混凝土拌合料中就保留一些空隙，這些空隙被稱為毛細(xì)孔。當(dāng)混合料中加入水后，水填充了空隙的剩余部分。用水量超過了水泥水化所需要的水量，這些多余的水幫助增加新拌混凝土的工作性，并且其中一些用作自干燥。隨著水化的進(jìn)行，水化產(chǎn)物逐漸填充毛細(xì)孔。然而，水化產(chǎn)物并不能完全填充所有的空隙。
混凝土性能，如強度和抗?jié)B性取決于水化程度。水泥水化產(chǎn)物的體積幾乎比原水泥體積大1倍。隨著水化的進(jìn)行，水化產(chǎn)物開始填充毛細(xì)空隙的空間，從而減少空隙空間，增加了空隙中的水壓力，產(chǎn)生毛細(xì)現(xiàn)象引起水份遷移。水份趨向于遷移到與環(huán)境接觸的混凝土表面的低壓區(qū)，從而導(dǎo)致水化早期混凝土的濕氣散失?；炷翝穸仍礁?，水份遷移越快，而且增加蒸發(fā)的速率。過快的水份蒸發(fā)將導(dǎo)致空隙內(nèi)的濕度低于飽和水平之下，從而阻礙水泥的水化，給混凝土的性能造成有害的影響。Spears[2]認(rèn)為，當(dāng)混凝土內(nèi)部相對濕度RH小于80%時，水泥水化將停止。然而，隨著水化產(chǎn)物對空隙的填充，毛細(xì)管空間變得不連續(xù)了，當(dāng)毛細(xì)空間足夠不連續(xù)時，通過毛細(xì)行為向表面遷移水份將停止，由水份的擴(kuò)散導(dǎo)致的水份散失開始。
從新澆筑混凝土中泌到表面的水首先開始蒸發(fā)，當(dāng)這些水完全蒸發(fā)后，通過毛細(xì)行為遷移到混凝土表面的水開始蒸發(fā)。如果水份的蒸發(fā)速率大于通過毛細(xì)行為遷移到混凝土表面的速率，混凝土就會出現(xiàn)塑性收縮裂縫，塑性收縮裂縫對混凝土的強度、耐久性以及混凝土的整個性能都是有害的。濕度、風(fēng)速、混凝土溫度和混凝土構(gòu)件暴露部分的面積與混凝土構(gòu)件的體積比對新澆筑混凝土的水份散失影響很大。
相對濕度越低，混凝土水份散失的速率越快，水份散失隨著風(fēng)速的增加而增加，環(huán)境溫度和混凝土的溫度越高，新拌混凝土水份散失的速率越快。蒸發(fā)速率隨著構(gòu)件的暴露面的面積與體積之比的增大而加快，因為暴露在環(huán)境中的面積越大，新澆筑混凝土的濕汽損失越高。美國混凝土學(xué)會 《凝土養(yǎng)護(hù)方法》（ACI203-81）指出，當(dāng)水從混凝土中蒸發(fā)速度超過0．5kg／m2 ·h時，由于塑性收縮，在混凝土表面形成裂縫是難免的．在HPC中，一般使用了較細(xì)粒徑的礦物摻合料，如硅灰、粉煤灰和磨細(xì)礦渣等。因為礦物摻合料有較小的顆粒直徑和高的比表面增加了混凝土的用水量。化學(xué)外加劑，如高效減水劑，減少了混凝土的用水量。由于礦物摻合料的火山灰活性和填充效應(yīng)，某種程度上改變了混凝土的各種性能。再者，由于小的球形顆粒，在有高效減水劑存在的情況下，更容易分散并且填充水泥顆粒之間和周圍的空隙，從而使混凝土拌合物能更好的密實。所以水泥和具有火山灰活性的礦物摻合料共同使用有助于獲得更為密實的HPC，礦物摻合料的火山灰反應(yīng)以及改善顆粒分布的填充效應(yīng)導(dǎo)致了硬化HPC孔結(jié)構(gòu)的大大改善，從而可以制得高強、高抗?jié)B混凝土。HPC的水膠比同NSC的水灰比相比要低，有些時候，HPC的用水量比供其中水泥水化所需的用水量還要小，從而導(dǎo)致自干燥。HPC中水的散失對混凝土的長期性能有極其有害的影響。HPC的水份在混凝土澆筑后的最初24h損失最大（如圖1所示）。
 同NSC相比，HPC拌合物泌水少，粘聚性大。泌水蒸發(fā)很快使HPC更易于產(chǎn)生塑性收縮裂縫，而且通常在混凝土初凝時就產(chǎn)生塑性收縮裂縫。塑性收縮裂縫可以產(chǎn)生嚴(yán)重問題。高溫、低濕和大風(fēng)加速了新澆筑混凝土水份的蒸發(fā)。為了克服這一問題，HPC應(yīng)在新拌混凝土澆筑后立即開始養(yǎng)護(hù)。
1．2 溫度的影響
養(yǎng)護(hù)溫度對NSC和HPC的強度影響很大。高溫加速了混凝土的水化過程。澆筑溫度和養(yǎng)護(hù)溫度越高，混凝土的極限強度越低，養(yǎng)護(hù)溫度越高，混凝土早期強度越高。低溫養(yǎng)護(hù)的混凝土具有相對均勻的微結(jié)構(gòu)，特別是混凝土空隙的分布較均勻。雖然在較低溫度養(yǎng)護(hù)不能獲得較高的早期強度，但最終導(dǎo)致高的極限強度?？刂起B(yǎng)護(hù)期間混凝土的溫度是重要的，特別是在炎熱天氣下。
火山灰反應(yīng)的水化進(jìn)程較水泥反應(yīng)的水化進(jìn)程慢，但在較高的溫度下，火山灰反應(yīng)的水化進(jìn)程將大大加速。因為水化較高的熱量，通常HPC初期養(yǎng)護(hù)溫度較高。同NSC相比，HPC具有較高的早期強度。但在后期，HPC強度的發(fā)展類似于NSC。因此，用高的溫度養(yǎng)護(hù)HPC并不理想。
根據(jù)構(gòu)件的尺寸，水泥含量，水膠比，環(huán)境條件，炎熱條件下采取如下措施控制養(yǎng)護(hù)期混凝土的溫度是必要的：①降低混凝土的澆筑溫度；②覆蓋有很好隔熱性能的材料；③混凝土宜在晚上或白天較涼的時候澆筑；④對新澆筑混凝土的暴露面進(jìn)行覆蓋。
在炎熱的條件下，如果不采取人工降溫，通常很難滿足新澆筑混凝土所需的最適宜溫度，溫度在10℃一15℃時對混凝土性能最為有利，但這種溫度只在一定條件下才能得到。實際施工中應(yīng)盡可能不使混凝土澆筑時的溫度過高。冬季施工時，HPG的初期養(yǎng)護(hù)溫度不宜低于規(guī)定的溫度。
1．3 養(yǎng)護(hù)時間的影響
 圖2顯示了NSC在濕養(yǎng)護(hù)條件下最初28d強度的增長較顯著。養(yǎng)護(hù)通常在混凝土水化程度最小時結(jié)束，此后混凝土可以在沒有任何保護(hù)的條件下，增長強度。一旦毛細(xì)孔變得足夠不連續(xù)，毛細(xì)孔中的水就會存在于混凝土內(nèi)而不用保護(hù)。從理論上說，水份遷移從毛細(xì)形為轉(zhuǎn)為擴(kuò)散以后，養(yǎng)護(hù)就可以停止。從毛細(xì)行為到擴(kuò)散，混凝土中水份損失的轉(zhuǎn)變時間取決于混凝土的配合比，環(huán)境條件和暴露面的面積與混凝土構(gòu)件的體積比。
混凝土的養(yǎng)護(hù)期可以根據(jù)混凝土在固定溫度下的養(yǎng)護(hù)時間來確定。實際工程中，混凝土是在溫度不斷變化的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)的。養(yǎng)護(hù)期可以根據(jù)混凝土的成熟度來確定?；炷恋某墒於仁腔趶姸劝l(fā)展是養(yǎng)護(hù)時間和溫度函數(shù)的原理而建立的。成熟度是溫度和時間的積。成熟度的概念仍然適用于HPC。成熟度對建立HPC合理的養(yǎng)護(hù)條件有一定的幫助，對確定達(dá)到一定成熟期的HPC的養(yǎng)護(hù)時間是有益的。
HPC的水膠比很低，并且由于礦物摻合料的使用其粒子分布較好，導(dǎo)致每單位體積拌合物中水泥基材料的空隙小得多。由于較少的空隙需要少的水化產(chǎn)物填充，所以同NSC相比，HPC中水化產(chǎn)物填充空隙的速度要快得多。因此，在同樣養(yǎng)護(hù)條件下，同NSC相比，HPC由于毛細(xì)行為造成的水份損失的結(jié)束較早。HPC水份的損失在最初的24h占主導(dǎo)地位。由于很低的水膠比，使用高效減水劑以及早期的水化速度快，HPC較早的失去了水化的潛力。所以HPC的養(yǎng)護(hù)期同NSC比要短一些。但對硅灰混凝土延長養(yǎng)護(hù)期可以達(dá)到更佳的養(yǎng)護(hù)效果，混凝土的性能可達(dá)到顯著的加強。
2 高性能混凝土的養(yǎng)護(hù)方法
新拌HPC在澆筑后，立即采用濕養(yǎng)護(hù)，可以抵抗塑性收縮開裂，而對NSC，將對硬化混凝土的表面層的質(zhì)量產(chǎn)生有害的影響。假如混凝土的濕養(yǎng)護(hù)在混凝土終凝前進(jìn)行，養(yǎng)護(hù)水將消弱表面附近的水泥漿，增加表面混凝土的水膠比。結(jié)果，混凝土的強度、抗?jié)B性能將嚴(yán)重降低。大量的試驗觀察證明，如果新拌HPC澆筑后很快進(jìn)行濕養(yǎng)護(hù)，硬化混凝土的表面將粉化或?qū)е聹\表層剝落。因此，HPC需要在早期就進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，但不能直接在新澆筑混凝土暴露的表面使用水。為了方便，將HPC的整個養(yǎng)護(hù)過程分為兩個階段，初期養(yǎng)護(hù)和濕養(yǎng)護(hù)。初期養(yǎng)護(hù)應(yīng)在新拌HPC澆筑以后立即開始，濕養(yǎng)護(hù)在混凝土終凝后開始。HPC的初期養(yǎng)護(hù)是錯綜復(fù)雜的，初期養(yǎng)護(hù)的目的是阻止新拌混凝土的水份散失，直到濕養(yǎng)護(hù)開始。使用養(yǎng)護(hù)劑進(jìn)行混凝土的初期養(yǎng)護(hù)似乎并不很有效。在新拌混凝土澆筑后，混凝土表面上會立即出現(xiàn)少量泌水，如果在水份干透以前涂養(yǎng)護(hù)劑，那么在混凝土表面就會出現(xiàn)養(yǎng)護(hù)劑和水混合的局部坑洼．再者，若為了讓泌水蒸發(fā)完，將新拌混凝土暴露在環(huán)境條件下，對混凝土的長期性能又會產(chǎn)生有害的影響，特別是在炎熱的氣候條件下，這段時間混凝土已經(jīng)發(fā)生了水份遷移的濕損失，從而導(dǎo)致混凝土的開裂。
因此覆蓋PVC薄膜接觸新拌混凝土的暴露面是HPC初期養(yǎng)護(hù)更加有效的方法。在炎熱的氣候下，覆蓋PVC，再蓋以濕麻袋可以保持混凝土的持續(xù)潮濕以及降低混凝土初期養(yǎng)護(hù)階段混凝土的溫度。HPC的濕養(yǎng)護(hù)從混凝土終凝后開始。潮濕養(yǎng)護(hù)混凝土的強度比空氣養(yǎng)護(hù)混凝土的強度高，28d濕養(yǎng)護(hù)的強度比28天完全空氣中養(yǎng)護(hù)可以高1倍。濕養(yǎng)護(hù)是HPC養(yǎng)護(hù)的最終階段，在混凝土終凝后開始。任何傳統(tǒng)的濕養(yǎng)護(hù)方法如蓄水養(yǎng)護(hù)，用濕麻袋覆蓋暴露面的養(yǎng)護(hù)以及在暴露面上灑水的方法，HPC都可以采用。通過覆蓋濕麻袋并且連續(xù)噴水保持潮濕這樣的濕養(yǎng)護(hù)是HPC濕養(yǎng)護(hù)的有效方法。
低溫下混凝土采用自然養(yǎng)護(hù)時宜使用不透明的塑料薄膜覆蓋或噴灑養(yǎng)護(hù)液。在負(fù)溫條件下養(yǎng)護(hù)時，不得澆水，混凝土澆筑后，應(yīng)立即用塑料薄膜及保溫材料如稻草或者干草覆蓋，進(jìn)行保溫，防止混凝土凍結(jié)。用以玻璃纖維、海綿橡膠、纖維素、礦棉、乙烯泡沫和聚氨脂泡沫材料制成的保溫毯效果更佳。在寒冷氣候條件下，需要額外的熱量來保持10℃一15℃，這樣有利養(yǎng)護(hù)的溫度，可以采用加熱線圈，便攜式的循環(huán)加熱器或蒸汽來提供所需的熱量，所有情況下，都應(yīng)避免混凝土中水份的損失。
HPC中水化產(chǎn)物填充空隙的速度很快， 早期水份從外部進(jìn)入混凝土內(nèi)部較困難，而且HPC水膠比極小，小到自身內(nèi)部的水分連水泥完全水化就不能滿足。為此，早在1991年，Philleo就提出了內(nèi)養(yǎng)護(hù)的思路，他建議在混凝土中摻用飽水的輕細(xì)集料以提供水泥水化過程中因化學(xué)收縮而需消耗的水，當(dāng)水泥水化時，額外的水可以從相對較大的輕集料孔隙中轉(zhuǎn)移到孔徑較小的水泥漿體中，這樣可減少水泥的自收縮。對于低水膠比的（0．33左右）又需要充分水化的HPC，加入60kg／m3至80 kg／m3 的飽和輕質(zhì)細(xì)集料，輕細(xì)集料的粒徑可以大于4mm，小于8mm，加入的輕質(zhì)細(xì)集料能提供額外的水以供水化，從而提高強度和耐久性。拌合物中所有細(xì)集料都可以用飽和的輕質(zhì)細(xì)集料來代替以獲得最大限度的內(nèi)部濕養(yǎng)護(hù)，但要防止過多的輕質(zhì)細(xì)集料導(dǎo)致混凝土強度的過度降低以及在混合時集料的分離。除利用輕細(xì)集料外，還可利用超吸水性樹脂，減縮劑進(jìn)行內(nèi)養(yǎng)護(hù)。當(dāng)然內(nèi)部濕養(yǎng)護(hù)方法還必須與外部養(yǎng)護(hù)方法一同使用。
3 結(jié)語
養(yǎng)護(hù)對HPC的整個性能都有較大的影響，特別是強度和抗?jié)B性，養(yǎng)護(hù)方法和養(yǎng)護(hù)期對HPC的收縮影響較大。在HPC的養(yǎng)護(hù)中應(yīng)盡量減少新澆筑混凝土的濕度損失。養(yǎng)護(hù)溫度對HPC的強度影響較大，在較低溫度下養(yǎng)護(hù)不能獲得較高的早期強度，但最終的極限強度較高，因此控制養(yǎng)護(hù)期間混凝土的溫度是重要的，特別是在炎熱條件下。養(yǎng)護(hù)期長，會增加養(yǎng)護(hù)的成本，而且過長的養(yǎng)護(hù)時間必要性不大，一般來說，HPC的養(yǎng)護(hù)期要較NSC短一些。HPC的初期養(yǎng)護(hù)僅使用養(yǎng)護(hù)劑效果不理想，在炎熱氣候條件下，用塑料薄膜覆蓋外加濕麻袋降溫效果較好；HPC的濕養(yǎng)護(hù)可以采用蓄水養(yǎng)護(hù)，濕麻袋覆蓋以及灑水等多種方法進(jìn)行。另外，內(nèi)養(yǎng)護(hù)也是減少HPC白干燥的有效方法。 |
| 原作者： 李美利 錢覺時 王麗娟 楚愛群 葉 寧 楊展 |
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