程冠之，曾 志，郁培云，鄭新國，謝永江，李書明

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081)

早期合理養(yǎng)護是確?，F(xiàn)澆混凝土質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對控制表層混凝土因失水引起的收縮開裂，提升表層混凝土質(zhì)量和結(jié)構(gòu)耐久性至關(guān)重要[1-4]。如何確保混凝土早期保濕養(yǎng)護效果，降低表層混凝土開裂風(fēng)險，一直是混凝土界研究的熱點[5-8]。

現(xiàn)澆混凝土傳統(tǒng)上主要通過2種外部養(yǎng)護方式來營造保濕養(yǎng)護環(huán)境。其一是防止混凝土水分散失，如噴灑養(yǎng)護劑或覆蓋薄膜養(yǎng)護；其二是額外補充水分，如覆蓋土工布灑水或者噴霧養(yǎng)護[9-10]。但上述措施在實際施工中往往會發(fā)生灑水頻次和水量難以保證，養(yǎng)護劑漏刷漏噴，薄膜保濕功能不足等問題。

養(yǎng)護膜作為一種新型養(yǎng)護材料，兼具抑制水分散失和補充水分的雙重功能[11]。如圖1所示，養(yǎng)護膜由具有低水汽透過性的高強度、高韌性薄膜面層，親水性微孔無紡布底層和可控儲釋水材料的中間層組成。在養(yǎng)護膜鋪設(shè)時進行一次性充分給水，使中間層實現(xiàn)飽和吸水；在養(yǎng)護階段中間層可通過親水性底層向混凝土緩慢釋放水，而面層薄膜則可防止水分散失，使混凝土始終處于高濕度養(yǎng)護狀態(tài)。研究者們對養(yǎng)護膜材料的關(guān)注度正在提升，唐冬漢等[12]研究了養(yǎng)護膜對混凝土耐久性的影響，表明養(yǎng)護膜可以提高混凝土的強度和抗碳化能力。高久平等[13]研究指出，養(yǎng)護膜可以提高混凝土的強度和耐磨性。但要進一步優(yōu)化養(yǎng)護膜相關(guān)技術(shù)，仍需對其養(yǎng)護效果和機制進行更充分研究。

本文首先考察了混凝土養(yǎng)護膜吸水性、保水性、釋水性和透水汽性等保濕性能參數(shù)，進而明確了養(yǎng)護膜對密閉空間內(nèi)相對濕度的保持能力。并通過X射線衍射(XRD)和掃描電子顯微鏡(SEM)等手段，分析了不同養(yǎng)護方式下水泥凈漿的水化產(chǎn)物及微觀結(jié)構(gòu)。

1 試驗部分

1.1 原材料與配合比

TK-CM-SA型養(yǎng)護膜來自鐵科院；A型儲釋水組分為TK-CM-SA型養(yǎng)護膜中所使用的材料，B型儲釋水組分為鐵科院提供的內(nèi)養(yǎng)護劑材料，C型儲釋水組分為市售普通高吸水性樹脂。P.O 42.5普通硅酸鹽水泥購自北京金隅集團有限責(zé)任公司；粉煤灰為內(nèi)蒙古赤峰元寶山電廠Ⅰ級粉煤灰；S95級?；郀t礦渣粉購自唐山唐龍新型建材有限公司；細骨料為細度模數(shù)為2.6的Ⅱ區(qū)天然河砂；粗骨料為5～20 mm連續(xù)級配碎石；非引氣型聚羧酸系高效減水劑來自河北三楷深發(fā)科技股份有限公司。各膠凝材料主要物理性能和化學(xué)組成見表1。

試驗用混凝土配合比見表2,混凝土水膠比為0.32。為提升微觀分析精確度，進行微觀表征時采用了其他成分相同，僅不摻入骨料的凈漿試件。

表1 水泥、礦渣粉和粉煤灰的主要物理性能和化學(xué)組成

表2 混凝土配合比 kg·m-3

1.2 試件成型與養(yǎng)護

按配合比準確稱取原材料，混凝土采用強制式攪拌機攪拌2 min后于100 mm×100 mm×400 mm的試模中振動成型，凈漿采用凈漿攪拌機攪拌2 min后于40 mm×40 mm×160 mm的試模中成型。試件成型后24 h拆模，并立即采用如下方式進行對比養(yǎng)護試驗：①自然養(yǎng)護，即直接將脫模后的試件置于恒溫恒濕室(溫度20±2 ℃，相對濕度RH60%±5%)內(nèi)自然暴露；②養(yǎng)護膜養(yǎng)護，即將試件用預(yù)先飽和吸水的養(yǎng)護膜包裹后，再置于上述恒溫恒濕室中；③塑料膜密封養(yǎng)護，即將試件用塑料膜密封包裹后，再置于上述恒溫恒濕養(yǎng)護室中；④標準養(yǎng)護，即將試件置于溫度20±2 ℃,RH95%±5%的恒溫恒濕室中進行養(yǎng)護。

1.3 試驗方法

1.3.1 養(yǎng)護膜性能測定

儲釋水組分：吸水量和保水量參照GB/T 22905—2008《紙尿褲高吸收性樹脂》中規(guī)定的方法進行測定，其中吸水量使用蒸餾水進行測定，保水量采用離心法進行測定。釋水性測試時，將定量的待測樣品置于茶袋中進行飽和吸水處理后懸掛靜置控水10 min(臨界飽和吸水狀態(tài))，再將茶袋置于pH值為12的氫氧化鈣溶液中浸泡，每30 min取出控水10 min，測定其質(zhì)量損失。每次測試的樣品用量均為0.200 g。

養(yǎng)護膜：透水汽性按照GB/T 1037—1988《塑料薄膜和片材透水蒸氣性試驗方法：杯式法》中的方法，在杯式不銹鋼容器中加入一定量飽和磷酸二氫銨溶液后，用養(yǎng)護膜對容器進行封口處理，并置于20±2 ℃，RH60%的環(huán)境中測試其在不同時間的質(zhì)量損失。濕度保持性測定時，將處于臨界飽和吸水狀態(tài)的待測樣品置于40±1 ℃條件下的密封錐形瓶中，使用無線溫濕度計(605i，Testo)測試瓶內(nèi)濕度變化。

1.3.2 收縮率測試

按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》測試混凝土試件收縮率。

1.3.3 XRD測試

養(yǎng)護14 d時，將凈漿試件表層0～5 mm破碎研磨為粉狀試樣，并立即放入無水乙醇中終止水化，在50 ℃ 真空干燥箱中干燥至質(zhì)量恒定后，在X射線衍射儀(Smartlab，Rigaku)上進行測試。

1.3.4 SEM測試

將養(yǎng)護至28 d的凈漿試件小心破碎，并立即放入無水乙醇中終止水化，在50 ℃真空干燥箱中干燥至質(zhì)量恒定后，使用掃描電子顯微鏡(JSM-7800F，JEOL)觀察不同位置斷面的微觀形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 養(yǎng)護膜性能

參照標準方法對比測試了3類儲釋水組分的吸水性、保水性和釋水性數(shù)據(jù)，結(jié)果見表3和圖2。

表3 儲釋水組分吸水性和保水性測試結(jié)果

圖2 儲釋水材料在pH值為12的氫氧化鈣溶液中的釋水情況

由表3可知，經(jīng)相同的離心處理后3類材料均能保留90%左右的水分。其中，A型、B型材料的吸水量和保水量接近，均顯著低于C型材料。說明C型材料吸水率較高，有相對更強的容納水的能力。圖2顯示：A型、B型材料在pH值為12的堿性環(huán)境下釋水趨勢類似，均在起始30 min內(nèi)大量釋水。隨處理時間延長，單位時間內(nèi)的釋水量逐漸降低；150 min后已基本無水分釋出。累積釋水百分比分別在60%和68%的水平上維持穩(wěn)定，說明此時A,B兩類材料的溶脹壓力和滲透壓差已達到平衡。C型材料在前180 min內(nèi)以約0.2 g/min的速率穩(wěn)定釋水，釋水量遠高于另兩類材料。其前期累積釋水百分比相對較低，但在150 min 時已達到72%，超過了其他兩類材料；至240 min時，C型材料的累積釋水百分比已接近95%，絕對殘余質(zhì)量已顯著低于A，B型材料。雖然基于官能團類別、交聯(lián)密度等分子結(jié)構(gòu)的差異，C型材料對蒸餾水的吸水量和保水量均較高，但其在堿性環(huán)境下短期釋水量過大，并不適于在混凝土養(yǎng)護中使用。對于混凝土養(yǎng)護中使用的A型與B型材料，其在堿性環(huán)境下達到溶脹平衡時的含水率仍較高，當環(huán)境濕度下降或外部滲透壓升高時，材料內(nèi)部水分還可進一步釋放以補充到周圍，達到新的平衡狀態(tài)[14]。對于養(yǎng)護膜而言，其內(nèi)部高濕度環(huán)境的維持時間還與其透水汽性、密封效果等因素相關(guān)。

在相同條件下對比測試了養(yǎng)護膜和單層塑料膜的透水汽性，結(jié)果見圖3。其中，試樣質(zhì)量損失是由于水蒸氣透過薄膜散失而引起的。

圖3 不同測試時間下的水汽質(zhì)量損失

由圖3可知，養(yǎng)護膜與塑料膜的透水汽性均約為0.47 mg/h，這說明二者對水蒸汽的阻隔效果相近。對該結(jié)果分析可知，使用塑料膜對混凝土進行包裹養(yǎng)護時，由于塑料膜自身存在一定的水汽透過性，加上其不易密貼、密封等特點，混凝土養(yǎng)護環(huán)境濕度難以達標。同時，該結(jié)果也說明養(yǎng)護膜中的儲釋水材料并未提供更高的水汽阻隔效果，但其可在整個養(yǎng)護期內(nèi)持續(xù)緩慢釋水以維持養(yǎng)護膜內(nèi)部環(huán)境的整體濕度，實現(xiàn)對混凝土較理想的養(yǎng)護效果。

進一步在密閉環(huán)境中測試了養(yǎng)護膜飽水后對環(huán)境濕度的保持能力，結(jié)果見圖4。

圖4 密封瓶中不同測試時間下的空氣相對濕度

由圖4可知，在密閉環(huán)境中飽水后的養(yǎng)護膜對環(huán)境濕度的影響與液態(tài)水一致。150 min后，密閉空間中的相對濕度均可達到95%以上。由于液態(tài)水轉(zhuǎn)變?yōu)樗魵鈺r，體積擴大至少3個數(shù)量級，所以維持密閉空間濕度所需的水量較少。尤其是當養(yǎng)護膜密貼于混凝土表面時，養(yǎng)護膜中的儲釋水材料僅需補充從薄膜透過散失以及從混凝土表面滲入的水分差額，故可在相當長的時間內(nèi)維持其內(nèi)部濕度。

2.2 混凝土收縮特性

首先測試28 d齡期內(nèi)不同養(yǎng)護方式下混凝土試件早期收縮，然后將試件置于自然養(yǎng)護條件下測試總齡期90 d的試件總收縮率，結(jié)果見圖5。

圖5 不同養(yǎng)護方式下C50混凝土試件收縮率

由圖5(a)可知:在養(yǎng)護膜養(yǎng)護條件下混凝土試件收縮率與標準養(yǎng)護接近，約為170×10-6，遠低于自然養(yǎng)護下接近400×10-6的收縮率;密封養(yǎng)護下混凝土試件的收縮率介于其間，約為280 ×10-6。由圖5(b)可知：將前期在不同方式下養(yǎng)護的試件置于自然養(yǎng)護條件下后，相比于一直處于自然養(yǎng)護下的試件，前期養(yǎng)護膜養(yǎng)護、密封養(yǎng)護和標準養(yǎng)護下的試件總收縮率均有明顯上升。這主要歸因于干燥收縮。整體而言，自然養(yǎng)護總收縮率仍最高，約為430×10-6；前期密封養(yǎng)護試件的總收縮率次之，約為340×10-6；養(yǎng)護膜養(yǎng)護和標準養(yǎng)護試件的總收縮率仍較一致，約為270×10-6。該結(jié)果說明使用養(yǎng)護膜養(yǎng)護對混凝土的早期收縮和長期收縮均有較明顯的抑制作用，其效果與標準養(yǎng)護相近。這也可以印證養(yǎng)護膜能為混凝土提供與標準養(yǎng)護條件相近的養(yǎng)護環(huán)境。

2.3 XRD分析

測試了不同養(yǎng)護方式下水泥凈漿在14 d齡期時的XRD譜圖，結(jié)果見圖6。

圖6 不同養(yǎng)護方式下水泥凈漿樣品14 d齡期的XRD譜圖

由圖6可知，14 d齡期時各試件的XRD衍射峰位置基本相同。這是由于養(yǎng)護條件的變化并不改變水化產(chǎn)物組成的原因。譜圖中自然養(yǎng)護條件下水化產(chǎn)物Ca(OH)2衍射峰強度稍低，其余各組無明顯區(qū)別，表明自然養(yǎng)護下水泥水化程度略低。這可能是由于自然養(yǎng)護下混凝土表層水分不足所引起的。養(yǎng)護膜養(yǎng)護、密封養(yǎng)護和標準養(yǎng)護下試件水化程度基本相同，說明良好密封環(huán)境可為水泥水化提供充分條件。

2.4 SEM分析

在凈漿試件達到28 d養(yǎng)護齡期時，采用SEM觀察了自然養(yǎng)護和養(yǎng)護膜養(yǎng)護試件表層(深度0～5 mm)與中心斷面(深度20 mm左右)的微觀形貌，結(jié)果見圖7。

圖7 不同養(yǎng)護方式下水泥凈漿的SEM照片

從圖7可知：自然養(yǎng)護條件下水泥凈漿表層結(jié)構(gòu)較為疏松，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)仍較密實；養(yǎng)護膜養(yǎng)護的水泥凈漿表層的密實程度則與內(nèi)部無明顯區(qū)別，明顯高于自然養(yǎng)護的凈漿表層。該結(jié)果直觀顯示出養(yǎng)護膜養(yǎng)護有利于提升水泥凈漿表層的密實程度。

3 結(jié)論

1)養(yǎng)護膜中儲釋水材料的吸水性、保水性和釋水性與透水汽性相匹配時，可維持內(nèi)部密閉空間的相對濕度在較長時間內(nèi)高于95%。其中，儲釋水材料的吸水量為218 g/g，保水量為197 g/g，在pH值為12的氫氧化鈣溶液中達到平衡狀態(tài)時累積釋水百分比為60%。

2)與自然養(yǎng)護相比，采用養(yǎng)護膜養(yǎng)護可大幅度降低混凝土早期收縮和長期收縮。其總收縮量與標準養(yǎng)護試件接近，約為270×10-6。

3)養(yǎng)護膜養(yǎng)護對水泥水化產(chǎn)物組成無明顯影響，表層水化程度與標準養(yǎng)護相近，略高于自然養(yǎng)護。

4)養(yǎng)護膜養(yǎng)護可增加水泥凈漿表層密實度，其微觀孔隙較自然養(yǎng)護明顯減少。