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摘 要：内养护技术可以改善混凝土由于自收缩或者施工现场养护不足引起的开裂现象。通过在混凝土中掺入饱水陶粒来达到内养护的效果，研究陶粒对混凝土抗压强度、耐久性以及水化程度的影响。结果表明，内养护陶粒会降低混凝土抗压强度，但可以提高混凝土抗氯离子渗透性改善抗冻融循环破坏性能，有利于提升耐久性。
关键词：内养护;力学性能;耐久性;绝热温升
1 研究背景
随着我国基础设施建设的不断推进，大型工程对高性能混凝土的要求也逐渐提高。尤其是在一些特殊地区，夏季炎热冬季严寒，导致高性能混凝土的早期养护难以保证;而且混凝土设计强度越高对现场养护的要求也越严苛[1]，养护不当会造成早期开裂进而导致混凝土耐久性显著劣化，严重影响工程质量，养护问题常常成为工程现场的关键施工技术问题。
内养护技术从材料角度为混凝土在严酷施工环境下的养护问题提供了解决途径[2]。内养护技术往往通过在混凝土中内掺预吸水材料，在混凝土浇筑后的一段时间内，吸水材料释放水分使硬化中的水泥石得到养护。现有内养护材料包括有机无机两种，有机材料主要是吸水树脂等超吸水材料[3]，无机材料则主要为多孔陶粒[4]。现有大量研究关注超吸水树脂内养护混凝土的力学性能和耐久性能的变化规律[5-7];然而多孔陶粒有独特的优势，陶粒是无机材料，与混凝土界面结合较好，还可以一定比例替代粗骨料而降低结构自重，其抑制高性能混凝土早期的自收缩效果要优于超吸水树脂[8]。
本研究选用陶粒作为内养护材料，选取C30和C60混凝土，研究不同陶粒掺量对内养护混凝土耐久性的影响，探明了饱水陶粒的内养护机理。
2 原材料及试验方法
2.1 原材料
原材料与工程现场保持一致。采用亳州海螺水泥公司生产的P.O 42.5普通硅酸盐水泥，水泥主要物理参数见表1。使用的矿物掺合料：淮南常华电实业总公司生产的Ⅱ级粉煤灰;S95级矿粉，碱含量0.4%，烧失量0.06%，需水量99%，活性指数7d为84%，28d为107%，粉煤灰和矿粉性能指标。細骨料采用江西赣州产中粗砂，细度模数为2.54;粗骨料采用5 mm～16 mm和16 mm～31.5 mm的连续级配碎石，骨料的性能指标。在配制C60混凝土时，增加了硅粉为矿物掺合料，硅粉平均粒径为0.31 μm，密度2.2 g/cm3，比表面积143 100 cm2/g;减水剂为西卡（江苏）建筑材料有限公司生产的聚羧酸系减水剂，减水率29%，含固量25%。内养护材料选取采用粒径在5 mm的黏土陶粒堆积密度2.8 g/cm3，筒压强度2.1 MPa，饱和吸水率22.54%，陶粒能够在浸泡24 h后吸水达到饱和，并且在温度（20±3）℃、相对湿度70%±5%的环境中缓慢释放内部水分，平均每小时释放约1.6%（与自重相比），释放时间超过18 h;拌合水采用工程现场自来水。
2.2 试验方法
参照规范《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2002）进行抗压强度测试，采用100×100×100 mm的立方体试件，使用WAW-600D型电伺服液压机进行测试;使用MTS拟动力试验机进行抗压全过程试验。采用《GB/T 50476-2008 混凝土结构耐久性设计规范》规定的快速氯离子迁移系数法（或称RCM法）并配合《JTG/T B07-01-2006 公路工程混凝土结构防腐技术规范》要求评价高性能混凝土的耐久性。使用耐驰TG209F3热重分析仪测试浆体的水化程度。
3 试验结果与分析
采用快速氯离子迁移系数法（或称RCM法）研究自养护高性能混凝土的抗氯离子渗透性能。在最恶劣的环境下（E级环境），结构设计基准期100年，氯离子扩散系数小于4即可。对于高掺量矿物掺合料的混凝土，可以采用长龄期试件DRCM值作为评价标准。自养护技术对大跨径桥梁用C60高性能混凝土的氯离子扩散系数的影响如图1所示。
对于相同配合比的样品，180d龄期的氯离子扩散系数明显低于28d龄期，降低幅度达到30%～50%，没有采用内养护技术的C60混凝土DRCM值为3.93，也满足规范要求。
无论是28d龄期还是180d龄期，随着陶粒掺量的增加，C60混凝土的氯离子扩散系数逐步降低。28d时，使用内养护技术后，随着陶粒掺加10%和20%，DRCM值从5.90×
10-12 m2/s分别降低为5.07×10-12 m2/s和4.67×10-12 m2/s，降低幅度分别为14%和21%;180d时，随着陶粒掺加10%和20%，DRCM值从3.93×10-12 m2/s分别降低为3.10×10-12 m2/s
和2.37×10-12 m2/s，降低幅度分别为21%和39%。由此可见，内养护技术有效改善了C60高性能混凝土的抗氯离子渗透性，这主要是因为内养护技术减少了混凝土内部缺陷，有效提高了混凝土的致密性。随着混凝土龄期的增长，采用内养护技术的C60混凝土比没有采用内养护技术的C60混凝土耐久性优势会更加明显。
无论是C30还是C60混凝土，使用内养护技术后，样品的相对动弹模量损失明显降低，说明混凝土的抗冻融循环能力增强了。C30混凝土相对动弹性模量损失由基准的31.65%降为21.95%，质量损失率也由4.17%降为3.02%。C30-3组相对动弹性模量损失率和质量损失率较C30-2均有所增加，主要是因为陶粒掺量过大引起的上浮和泌水，导致浆体成型的密实性受到一定影响。在冻融过程中，C30-3组有两块试件出现了掉角的现象，由于在边角处陶粒可能成为冻融破坏过程中的薄弱环节，从而导致掉角和破边的现象，说明其抵抗冻融循环的能力有所降低。因此，C30混凝土中饱水陶粒掺量为20%左右，材料的抗冻融能力较强。对于C60混凝土材料，内养护技术也能提高其抗冻性。但由于本身C60混凝土抗冻性能较好，所以提高的幅度并不如C30混凝土明显。掺加20%陶粒的C60混凝土的动弹性模量损失率由10.23%降低至6.65%，质量损失率也由0.19%降至0.09%。 研究结果表明，内养护技术对大跨径桥梁用的C30和C60混凝土的抗氯离子渗透性能、抗冻融循环破坏性能有明显改进。因此，对混凝土耐久性的提升有积极作用。
4 结论
内养护陶粒延缓了混凝土的早期水化进程，降低了大体积混凝土早期的温升;同时提高了混凝土后期的水化程度，发挥了内养护作用。达到了提高水化程度的同时降低早期水化温升的效果，适合桥梁用大体积混凝土的配制。
参考文献：
[1]马先伟，刘剑辉，禹新，等.养护条件对含SAP高性能水泥基材料强度的影响[J].混凝土，2020（4）：19-22.
[2]Kovler K，Zhutovsky S.Overview and Future Trends of Shrinkage Research[J].MATER STRUCT，2006，39（9）：827.
[3]胡江，米阳，吴永辉，等.养护方式对高吸水树脂在水泥基材料中内养护性能的影响[J].混凝土世界，2021（4）：76-79.
[4]吕兴栋，刘战鳌，董芸.内养护材料高吸水树脂（SAP）和陶粒对混凝土性能影响的对比研究[J].硅酸盐通报，2019（1）：246-252.
[5]E.C S，N.M S，A.K S，et al.Efficiency measure of SAP as internal curing for cement using NMR & MRI[J].CONSTR BUILD MATER，2021，278.
[6]夏慧蕓，张耿通，赵旭，等.混凝土内养护剂高吸水树脂及其最新研究进展[J].混凝土，2020（12）：85-89.
[7]Maciej K，Piotr W，Joanna S.Effect of mechanically-induced fragmentation of polyacrylic superabsorbent polymer （SAP） hydrogel on the properties of cement composites[J].CONSTR BUILD MATER，2020，263.
[8]林锦眉，卢集富.多孔饱水骨料内养护对混凝土抗裂性能及强度影响试验研究[J].粉煤灰综合利用，2020（6）：68-73.
关键词：内养护;力学性能;耐久性;绝热温升
1 研究背景
随着我国基础设施建设的不断推进，大型工程对高性能混凝土的要求也逐渐提高。尤其是在一些特殊地区，夏季炎热冬季严寒，导致高性能混凝土的早期养护难以保证;而且混凝土设计强度越高对现场养护的要求也越严苛[1]，养护不当会造成早期开裂进而导致混凝土耐久性显著劣化，严重影响工程质量，养护问题常常成为工程现场的关键施工技术问题。
内养护技术从材料角度为混凝土在严酷施工环境下的养护问题提供了解决途径[2]。内养护技术往往通过在混凝土中内掺预吸水材料，在混凝土浇筑后的一段时间内，吸水材料释放水分使硬化中的水泥石得到养护。现有内养护材料包括有机无机两种，有机材料主要是吸水树脂等超吸水材料[3]，无机材料则主要为多孔陶粒[4]。现有大量研究关注超吸水树脂内养护混凝土的力学性能和耐久性能的变化规律[5-7];然而多孔陶粒有独特的优势，陶粒是无机材料，与混凝土界面结合较好，还可以一定比例替代粗骨料而降低结构自重，其抑制高性能混凝土早期的自收缩效果要优于超吸水树脂[8]。
本研究选用陶粒作为内养护材料，选取C30和C60混凝土，研究不同陶粒掺量对内养护混凝土耐久性的影响，探明了饱水陶粒的内养护机理。
2 原材料及试验方法
2.1 原材料
原材料与工程现场保持一致。采用亳州海螺水泥公司生产的P.O 42.5普通硅酸盐水泥，水泥主要物理参数见表1。使用的矿物掺合料：淮南常华电实业总公司生产的Ⅱ级粉煤灰;S95级矿粉，碱含量0.4%，烧失量0.06%，需水量99%，活性指数7d为84%，28d为107%，粉煤灰和矿粉性能指标。細骨料采用江西赣州产中粗砂，细度模数为2.54;粗骨料采用5 mm～16 mm和16 mm～31.5 mm的连续级配碎石，骨料的性能指标。在配制C60混凝土时，增加了硅粉为矿物掺合料，硅粉平均粒径为0.31 μm，密度2.2 g/cm3，比表面积143 100 cm2/g;减水剂为西卡（江苏）建筑材料有限公司生产的聚羧酸系减水剂，减水率29%，含固量25%。内养护材料选取采用粒径在5 mm的黏土陶粒堆积密度2.8 g/cm3，筒压强度2.1 MPa，饱和吸水率22.54%，陶粒能够在浸泡24 h后吸水达到饱和，并且在温度（20±3）℃、相对湿度70%±5%的环境中缓慢释放内部水分，平均每小时释放约1.6%（与自重相比），释放时间超过18 h;拌合水采用工程现场自来水。
2.2 试验方法
参照规范《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2002）进行抗压强度测试，采用100×100×100 mm的立方体试件，使用WAW-600D型电伺服液压机进行测试;使用MTS拟动力试验机进行抗压全过程试验。采用《GB/T 50476-2008 混凝土结构耐久性设计规范》规定的快速氯离子迁移系数法（或称RCM法）并配合《JTG/T B07-01-2006 公路工程混凝土结构防腐技术规范》要求评价高性能混凝土的耐久性。使用耐驰TG209F3热重分析仪测试浆体的水化程度。
3 试验结果与分析
采用快速氯离子迁移系数法（或称RCM法）研究自养护高性能混凝土的抗氯离子渗透性能。在最恶劣的环境下（E级环境），结构设计基准期100年，氯离子扩散系数小于4即可。对于高掺量矿物掺合料的混凝土，可以采用长龄期试件DRCM值作为评价标准。自养护技术对大跨径桥梁用C60高性能混凝土的氯离子扩散系数的影响如图1所示。
对于相同配合比的样品，180d龄期的氯离子扩散系数明显低于28d龄期，降低幅度达到30%～50%，没有采用内养护技术的C60混凝土DRCM值为3.93，也满足规范要求。
无论是28d龄期还是180d龄期，随着陶粒掺量的增加，C60混凝土的氯离子扩散系数逐步降低。28d时，使用内养护技术后，随着陶粒掺加10%和20%，DRCM值从5.90×
10-12 m2/s分别降低为5.07×10-12 m2/s和4.67×10-12 m2/s，降低幅度分别为14%和21%;180d时，随着陶粒掺加10%和20%，DRCM值从3.93×10-12 m2/s分别降低为3.10×10-12 m2/s
和2.37×10-12 m2/s，降低幅度分别为21%和39%。由此可见，内养护技术有效改善了C60高性能混凝土的抗氯离子渗透性，这主要是因为内养护技术减少了混凝土内部缺陷，有效提高了混凝土的致密性。随着混凝土龄期的增长，采用内养护技术的C60混凝土比没有采用内养护技术的C60混凝土耐久性优势会更加明显。
无论是C30还是C60混凝土，使用内养护技术后，样品的相对动弹模量损失明显降低，说明混凝土的抗冻融循环能力增强了。C30混凝土相对动弹性模量损失由基准的31.65%降为21.95%，质量损失率也由4.17%降为3.02%。C30-3组相对动弹性模量损失率和质量损失率较C30-2均有所增加，主要是因为陶粒掺量过大引起的上浮和泌水，导致浆体成型的密实性受到一定影响。在冻融过程中，C30-3组有两块试件出现了掉角的现象，由于在边角处陶粒可能成为冻融破坏过程中的薄弱环节，从而导致掉角和破边的现象，说明其抵抗冻融循环的能力有所降低。因此，C30混凝土中饱水陶粒掺量为20%左右，材料的抗冻融能力较强。对于C60混凝土材料，内养护技术也能提高其抗冻性。但由于本身C60混凝土抗冻性能较好，所以提高的幅度并不如C30混凝土明显。掺加20%陶粒的C60混凝土的动弹性模量损失率由10.23%降低至6.65%，质量损失率也由0.19%降至0.09%。 研究结果表明，内养护技术对大跨径桥梁用的C30和C60混凝土的抗氯离子渗透性能、抗冻融循环破坏性能有明显改进。因此，对混凝土耐久性的提升有积极作用。
4 结论
内养护陶粒延缓了混凝土的早期水化进程，降低了大体积混凝土早期的温升;同时提高了混凝土后期的水化程度，发挥了内养护作用。达到了提高水化程度的同时降低早期水化温升的效果，适合桥梁用大体积混凝土的配制。
参考文献：
[1]马先伟，刘剑辉，禹新，等.养护条件对含SAP高性能水泥基材料强度的影响[J].混凝土，2020（4）：19-22.
[2]Kovler K，Zhutovsky S.Overview and Future Trends of Shrinkage Research[J].MATER STRUCT，2006，39（9）：827.
[3]胡江，米阳，吴永辉，等.养护方式对高吸水树脂在水泥基材料中内养护性能的影响[J].混凝土世界，2021（4）：76-79.
[4]吕兴栋，刘战鳌，董芸.内养护材料高吸水树脂（SAP）和陶粒对混凝土性能影响的对比研究[J].硅酸盐通报，2019（1）：246-252.
[5]E.C S，N.M S，A.K S，et al.Efficiency measure of SAP as internal curing for cement using NMR & MRI[J].CONSTR BUILD MATER，2021，278.
[6]夏慧蕓，张耿通，赵旭，等.混凝土内养护剂高吸水树脂及其最新研究进展[J].混凝土，2020（12）：85-89.
[7]Maciej K，Piotr W，Joanna S.Effect of mechanically-induced fragmentation of polyacrylic superabsorbent polymer （SAP） hydrogel on the properties of cement composites[J].CONSTR BUILD MATER，2020，263.
[8]林锦眉，卢集富.多孔饱水骨料内养护对混凝土抗裂性能及强度影响试验研究[J].粉煤灰综合利用，2020（6）：68-73.