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高性能混凝土早期养护关键技术研究
摘要
自收缩是引起低水胶比高性能混凝土早期开裂的主要原因。
试验通过C100高性能混凝土配制，研究了密封养护、早期保湿养护、内养护、微膨胀养护的方法对高性能混凝土的强度和收缩性能的影响。
结果表明：
内养护对高性能混凝土的收缩有很好的抑制作用但对强度有很大的影响；密封养护对高性能混凝土收缩有一定的作用对强度影响不大；早期保湿养护对高性能混凝土收缩有一定作用，混凝土强度有一定的提高；微膨胀养护对高性能混凝土收缩有很好的作用，对强度影响不大。
密封养护、早期保湿养护、微膨胀养护的复合养护方法则是一种保证高性能混凝土强度的条件下有效抑制混凝土收缩的养护方法。
【关键词】：
高性能混凝土配制、养护、强度、收缩率
Abstract
Sincetheshrinkageiscausedbyhigh-performanceconcretewithlowwater-cementratioofearlycrackingthemainreason。
C100highperformanceconcretebytesttostudysealconservation，earlymoistureconservation，theconservation，expansionofconservationmethodsonmicro-highperformanceconcretestrengthandshrinkageproperties。
Theresultsshowedthat：
thecuringshrinkageofhighperformanceconcretehasagoodinhibitoryeffect，buthasagreatinfluenceonthestrength；sealconservationofhigh-performanceconcreteshrinkagetoacertainextenthaslittleeffectonstrength；earlymoistureconservationonthehighperformanceconcreteHavearoleincontractionoftheconcretestrengthhasimprovedtosomeextent；micro-expansionofcuringonshrinkageofhighperformanceconcretehasagoodeffectonthestrengthoflittleeffect。
Sealconservation、earlymoistureconservation、conservationofmicro-expansionmethodofcuringcompoundisahigh-performanceconcretestrengthtoensuretheeffectivesuppressionofshrinkageundertheconditionsoftheconservationmethods。
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Keywords:
highperformanceconcrete,conservation,strength,shrinkage
第1章绪论
1.1引言
水泥混凝土是由水泥、骨料与水拌合后经硬化而成的人造石。
水泥是一种水硬性胶结材料，在水的作用下生成新的化合物，而成为水泥石，这一过程叫水化作用。
然而，在混凝土浇筑后，由于混凝土与空气存在一定的湿度差，混凝土中的水分要向外蒸发，从而影响混凝土的正常水化所需要的水分。
为保证混凝土的水化反应的正常进行，混凝土浇注完毕以后，需要在一个相当长的时间内保持适当的温度和足够的湿度，以满足混凝土良好的硬化条件。
创造这种硬化条件所采取的养护措施，就是混凝土的养护。
混凝土的养护方法决定了混凝土暴露表面的水饱和程度，决定了表层附近混凝土的孔隙结构、渗透特性。
而渗透性是与混凝土耐久性相关的重要特征之一，取决于混凝土表层孔隙率和孔径分布，这些均受到初期养护条件的影响。
美国俄克荷马州立大学MichaelE.Ayers等人的研究也表明，不同的养护条件对混凝土的表层性能的影响较大，而对表层以下50mm的混凝土性能影响不大。
混凝土的养护方法有多种，包括自然养护、标准养护、热养护等传统的养护方法。
传统的养护方法主要是以提高混凝土的强度为目的，而养护不仅对混凝土强度产生影响，而且也对混凝土耐久性产生影响。
目前，高性能混凝土在国内外许多重大工程中获得应用，传统的养护方法已不能满足高性能混凝土的需要，需要根据高性能混凝土特点并采取合理的方法，这不仅保证高性能混凝土的强度发展，而且提高其表层混凝土耐久性，从而提高混凝土结构耐久性。
早在20世纪50年代，美国混凝土协会（ACI）就发表过一些关于混凝土养护方法的重要文章。
ACI的这些文章表明，在过去的50年里，普通混凝土在养护方面没有很大的变化。
在美国和其他国家，承包商一般倾向于选择降低养护要求的混凝土或者几乎完全忽视养护的存在。
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。
同普通混凝土相比，对HPC的养护显得尤为重要。
混凝土的养护方法决定了水化混凝土暴露表层的水饱和程度，决定了表层附近混凝土的孔隙结构、渗透性等特性。
而渗透性是与混凝土耐久性相关的重要特性之一，极大地取决于混凝土的孔隙率和孔径分布，这些均受初期养护条件的影响。
本文通过分析HPC的组成结构特点，阐述了HPC的养护特点，提出了HPC的一些特殊养护方法，对HPC的养护方面开拓一条有益的探索之路，并对它进行初步研究。
1.2高性能混凝土的组成结构特点
1.2.1组成材料多
普通混凝土是传统的四组分混凝土，而高性能混凝土则是大组分混凝土，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。
1.2.1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。
普通混凝土为满足工作性需要，普遍采用0.38～0.80的水胶比，而HPC由于加入了高效减水剂，使水胶比降至0.38以下，甚至可以达到0.20或更小。
1.2.3 结构更密实
混凝土是一种具有不同孔隙的多孔体，在这个多孔体中，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。
1.2.4表层混凝土的特点
资料表明，混凝土构件在不同深度处的孔隙率存在显著差异，如表1所示[9]。
产生这种现象的主要原因是：
模壁效应及混凝土浇筑过程中的分层离析作用，混凝土表层往往比内部的混凝土具有较多的细骨料、水泥和水，且水灰比高。
表1.2.4.1混凝土不同深度处孔隙率
深度
0～6cm
6～12cm
12～18cm
18～24cm
24～30cm
孔隙率（%）
19.9
16.7
17.2
17.3
16.4
由于模壁效应分层离析作用，表层高性能混凝土的性能也比内部混凝土性能相对差。
高性能混凝土浇筑成型后，胶凝材料的水化只能在毛细管中进行。
为防止毛细管水蒸发，对胶凝材料的水化的进行非常重要，加强养护就显得非常重要。
1.2.5宏观性能更稳定
混凝土的宏观性能主要包括强度、耐久性及工作性等。
HPC的耐久性,，比其强度更有优势。
因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。
而且HPC由于超细掺合料的加入，使其体积稳定性趋向于稳定状态。
耐久性是高性能混凝土的重要性能,也是其重要特点。
为了使高性能混凝土的耐久性较好，其一，要提高HPC的密实度和不透水性；其二，要选择低吸水率的骨料，特别是细骨料，骨料对高性能混凝土的收缩影响较大，使用吸水率大的骨料时，收缩值增大。
就HPC的重要特点来说,其早期的干燥收缩量大，特别是自收缩值大，最终的收缩值由于水胶比低，与普通混凝土相比，大体相同或者还稍有降低。
总之,高性能混凝土是以高工作性、高强度和耐久性为其特征。
由于高性能混凝土结构致密、不透水性和掺入不同混合材料，决定了其在养护上有其特殊性。
1.3高性能混凝土在养护上的特点
1.3.1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。
1.3.2 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014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。
1.3.3 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。
1.3.4 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。
1.3.5 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。
1.4高性能混凝土的养护方法
1.4.1密封养护
大量的试验观察表明，如果新拌高性能混凝土浇筑后很快进行潮湿养护，将增加表面混凝土的水胶比，混凝土表层的强度和耐久性将受到严重影响，导致硬化混凝土粉化和剥落。
然而，为了减小高性能混凝土的早期水分散失，必须进行早期养护。
覆盖塑料薄膜可以在初期阻止新拌混凝土的水分散失，从而在早期减少了由于水分蒸发一起的内外湿度差。
使混凝土有足够的水分进行水化反应。
1.4.2早期保湿养护
养护湿度对混凝土强度具有重要影响。
水泥水化反应只能在被水充填的毛细管内进行，必须防止水分由毛细管中蒸发。
同时，随着水泥水化的进行，水化过程中产生大量的水泥凝胶具有较大的比表面积，大量的自由水变成表面吸附水。
这时，如果不保持一定的湿度，毛细孔中的水分将蒸发，水泥水化所需要的水分将越来越少。
Spears认为，当混凝土内部的相对湿度小于80%时，水泥水化将停止。
因此，在混凝土的养护期内，必须保证混凝土的养护湿度。
混凝土初凝后，通过覆盖湿麻袋且喷水湿养护，可以减少混凝土内外湿度差，使混凝土保持一定的湿度，减少其毛细管中的水分蒸发。
混凝土水泥水化有足够的水分，可以更充分分反应。
提高其强度和密实度，从而耐久性更好。
1.4.3内养护
轻骨料为烧结熔融材料，其内部分布着直径10μm～100μm近似球体的孔。
在高性能混凝土中掺入一定量的轻骨料，由于轻骨料中的孔尺度远大于混凝土中毛细孔的尺寸，轻骨料中的水分将向硬化水泥浆体中迁移，形成微养护环境，
可提高高性能混凝土内部相对湿度并可促进胶凝材料水化反应，有效抑制高性能混凝土自收缩，防止早期开裂。
通过加入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可以减少HPC的自收缩。
1.4.4微膨胀养护
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[10],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≥11×10-4。
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0.12～0.17MPa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。
第2章C100高性能混凝土配制
2.1C100混凝土配制目的
为了分析研究高性能混凝土强度和早期的收缩情况，寻找出最适宜的研究方法。
本课题配选择配制C100高性能混凝土进行早期养护研究。
2.2原材料
水泥：
芜湖海螺生产的P.O52.5R普通硅酸盐水泥；
粉煤灰：
合肥电厂二级粉煤灰；
中砂：
合肥本地中砂，砂的筛分析见表3.1.1；
碎石：
合肥本地碎石，石的筛分析见表3.1.2；
高效减水剂：
P8聚羧酸系减水剂，掺量为水泥质量的3%，合肥天柱搅拌站；
水：
清洁自来水；
矿粉：
合肥天柱搅拌站，二级矿粉；
硅灰：
合肥天柱搅拌站；
表2.1砂的筛分析
筛孔尺寸（mm）
筛余
（g）
筛余百分率a
（%）
累计筛余百分率A
（%）
5
0
0
0
2.5
10
2
2
1.25
5
1
3
0.63
50
10
13
0.315
255
51
64
0.16
150
30
94
底
25
5
99
M=（（A2+A3+A4+A5+A6）-5A1）/（100-A1）=2.8
此砂为中砂，在Ⅱ区内级配良好。
表2.2碎石的筛分析
筛孔尺寸（mm）
筛余
（g）
筛余百分率a
（%）
累计筛余百分率A
（%）
5
0
0
0
2.5
120
24
24
1.25
215
43
67
0.63
160
32
99
0.315
0
0
99
0.16
0
0
99
底
5
1
100
M=（（A2+A3+A4+A5+A6）-5A1）/（100-A1）=3.9
其中粒径0.63～1.25mm的碎石占75%，是一种比砂略大的碎石。
2.3C100混凝土配制
1．配制强度
fu.o=fcu.k+1.645σ=100+1.645×6=109.87MPa
（1）
2.水灰比
（2）
=（.46·52.5·1.05）（109.87+0.46·52.5·0.07·1.05）=0.227
取合理水灰比W/C=0.25
3.单位用水量
设计塌落度T=180mm
W=（10/3）·（K+T）=（10/3）·（53+180）=237kg（3）
参入减水剂：
减水率20%参量3%
W=237·（1—20%）=190kg
4.水泥用量
C=W/（W/C）=190/0.25=760kg（4）
外加剂用量：
A=760·3%=22.8kg
5.砂率：
取合理砂率35%
6.砂石用量
C+W+S+G=2550kg（5）
S/（S+G）=35%（6）
S=560kgG=1040kg
7.取代量
粉煤灰、矿粉、硅灰分别取代水泥量的15%、5%、5%
则：
SF=760·5%=38kg
F=760·15%=114kg
K=760·5%=38k
取代后泥用量：
C=760—38—38—114=570kg
8.配合比
表2.3C100混凝土配合比
W
C
S
G
K
Sf
F
A
190
kg/m³
570
kg/m³
560
kg/m³
1040
kg/m³
38
kg/m³
38
kg/m³
114
kg/m³
22.8
kg/m³
新拌混凝土的塌落度T=245mm扩展度650×700mm其粘聚性、保水性、保水性很好。
第3章试验研究
3.1标准环境养护
密封养护：
在混凝土初凝前，在其表面覆盖保鲜膜，减少高性能混凝土早期水分的散失。
早期保湿养护：
在混凝土终凝后，对混凝土覆盖湿抹布，减少高性能混凝土的内外湿度差。
内养护：
在高性能混凝土中掺入20.6的陶粒取代同体积的砂石，骨料中的孔尺度远大于混凝土中毛细孔的尺寸，轻骨料中的水分将向硬化水泥浆体中迁移，形成微养护环境。
微膨胀养护：
配制高性能混凝土时，采用UEA膨胀剂取代10%的胶凝材料总量。
内养护、微膨胀养护配合比如下：
表3.1内养护、微膨胀养护C100高性能混凝土配合比
W
C
S
G
F
K
SF
A
UEA
陶粒
备注
内养护
190
570
448
832
114
38
38
22.8
—
98
kg/m³
微膨胀养护
190
513
560
1040
114
38
38
22.8
57
—
在标准环境养护中温度20±2℃，湿度为95%以上条件下，对C100高性能混凝土分别采取了密封养护、早期保湿养护、内养护、微膨胀养护。
测其3天、28天强度和收缩率，如下表：
表3.1标准环境不同养护措施C100高性能混凝土的性能检测
3天强度（MPa）
28天强度
（MPa）
3天收缩率
（10-6）
28天强度相对标准养护变化
备
注
标准养护
37.0
112.2
285
0%
密封养护
37.1
112.7
181
0.4%
早期保湿养护
39.1
118.5
223
5.6%
内养护
33.0
99.8
150
-11.1%
微膨胀养护
37.7
114.2
158
1.8%
1.标准养护2.密封养护3.早期保湿养护4.内养护5.微膨胀养护
1.标准养护2.密封养护3.早期保湿养护4.内养护5.微膨胀养护
由表3.1图3.1、图3.2可以看出：
在标准养护条件下，密封养护对高性能混凝土强度基本没有影响，早期保湿养护能提高高性能混凝土的强度，提高了5.6%，内养护会降低高性能混凝土的强度，降低了11.1%。
微膨胀养护能略微提高高性能混凝土的强度，提高了1.8%。
1.标准养护2.密封养护3.早期保湿养护4.内养护5.微膨胀养护
由表3.1图3.3可以看出：
在标准养护条件下，密封养护、早期潮湿养护、内养护、微膨胀养护都能很好的抑制高性能混凝土的早期收缩。
其中内养护和微膨胀养护效果最为明显。
3.2恶劣环境养护
恶劣环境：
（1）风荷载：
混凝土入模后用电风扇作为风源对高性能混凝土风干24小时。
（2）高温：
高性能混凝土拆模后，人造火源火烤2小时。
（3）干燥环境:
将混凝土放置于阳光直射的烈日环境中进行养护。
在风荷载、高温养护、干燥的恶劣环境中，对C100高性能混凝土分别采取了密封养护、早期保湿养护、内养护、微膨胀养护。
测得其3天、28天强度，3天的收缩率如下表：
表3.2恶劣环境不同养护措施C100高性能混凝土的性能检测
3天强度（MPa）
28天强度（MPa）
3天收缩率（10-6）
28天强度相对自然养护变化
备注
自然养护
34.8
104.4
566
0%
密封养护
35.2
106.9
398
2.4%
早期保湿养护
40.4
109.9
358
5.5%
内养护
24.0
72.8
252
-30.3%
微膨胀养护
34.0
102.0
254
-2.3%
1.自然养护2.密封养护3.早期保湿养护4.内养护5.微膨胀养护
1.自然养护2.密封养护3.早期保湿养护4.内养护5.微膨胀养护
由表3.2图3.4、图3.5表可以看出：
在恶劣环境条件养护下，密封养护能略微的提高高性能混凝土的强度，提高了2.4%响，早期保湿养护能提高高性能混凝土的强度，提高了5.5%，内养护明显降低高性能混凝土的强度，降低了30.3%。
微膨胀养护能略微降低了高性能混凝土的强度，降低了2.3%。
1.自然养护2.密封养护3.早期保湿养护4.内养护5.微膨胀养护
由表3.2图3.6可以看出：
在恶劣条件下，密封养护、早期潮湿养护、内养护、微膨胀养护都能很好的抑制高性能混凝土的早期收缩。
其中内养护和微膨胀养护效果最为明显。
3.3试验结果及分析
标准和恶劣条件下的养护，密封养护、早期保湿养护都能提高高性能混凝土的强度。
其中内养护和微膨胀养护效果最为明显。
内养护在两种条件下强度都会有很大幅度的降低，特别在恶劣条件下，内养护则会严重影响高性能混凝土的强度。
微膨胀养护在标准养护
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