Vol. 23,No. 6Dec. .2020
第23卷第6期2020年1 2月
建筑材料学报
JOURNAL OFBUILDING MATERIALS 文章编号= 1007-9629(2020)06-1471-08
混凝土内养护技术研究进展
王立成12，张磊1
#.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连116024)
(2.中国建筑材料科学研究总院绿色建筑材料国家重点实验室，北京100024)
摘要：高强混凝土水胶比低、渗透性差，外部养护水难以进入混凝土内部，造成传统外部养护效果
变差，由此产生的自收缩会导致材料的开裂敏感性提高.通过在混凝土配合比中引入高吸水性材
料来实现内养护是解决此问题的有效途径.综述了目前混凝土常用的内养护材料及其物理力学特 征和用量，阐述了混凝土内养护理论基袖、自收缩产生机理和内养护减缩机制，总结了不同内养护
材料对减少混凝土收缩和影响力学性能的规律：一般来说，内养护可以减少自收缩，但对干燥收缩 的影响与引入水量有关，对混凝土强度和弹性模量则会产生不利影响.最后，提出了当前混凝土内
养护技术研究存在的问题及未来可能的研究方向.
关键词：混凝土；内养护；作用机理；收缩；强度中图分类号:TU528 0
文献标志码:A
doi ：10. 3969/j. issn. 10079629. 2020. 06. 028
太原到成都
Rearch Progress on Concrete Internal Curing Technology
WANG Licheng 12, ZHANG Let 1
(1.StateKeyLaboratoryofCoastalandO f shoreEngineering,Dalian UniversityofTechnology,Dalian116"24,China)
(2. State Key Laboratory of Green Building Materials, China Building Materials Academy, Beijing 100024, China)
Abstract : High strength concrete has low water-binder ratio and poor permeability, so it is difficult for ex ternal curing water to enter the interior zone of concrete, leading to the wor effect of traditional external
curing, and faces the risk of cracking caud by autogenous shrinkage. An effective method to solve the
贵州千户苗寨problemis*oaddsuperabsorben*ma*erial*oconcre*emixproporion*orealizein*ernalcuring.Thephysi- caland mechanicalcharac*eris*icsanddosageofconcre*eofin*ernalcuring ma*erialwerereviewed.And
*he*heore*icalbasisofconcre*ein*ernalcuringwaxplained.Fur*hermore,*hemechanismofau*ogenous
shrinkageand*he mechanism ofin*ernalcuringshrinkagereduc*ion werediscusd.Ingeneral,in*ernal curingcanreduceau*ogenousshrinkage,bu**hee f ec*ondryingshrinkagewasrela*ed*o*heex*rawa*er.
I*hasanegaivee f ec*on*hes*reng*handelas*icmodulusofconcre*e.Fina l y,*heexis*ingproblemsand possiblefu*urerearchdirec*ionsfor*hecurren*in*ernalcuring*echnologyofconcre*ewerediscusd. Key words: concrete ; internal curing ； mechanism of action ； shrinkage ; strength
十八岁成人礼家长寄语
随着现代土木工程的发展，高强(低水胶比)混 凝土因其卓越的力学和耐久性能而不断地应用到各
种工程中.然而，高强混凝土由于低水胶比带来的高 密实性，导致其渗透性较差，传统外部养护的表面养
护水难以有效渗透到其结构的内部区域而失去养护 效果.因此，高强混凝土常表现出过大的早期自干燥 和自收缩，引起混凝土的开裂，而内养护技术能很好
地解决此问题(13)・高强混凝土的内养护是通过在混
收稿日期：2019-07-02 "修订日期：2020-01-18
基金项目：辽宁省自然科学基金资助项目(2020-MS-100)；绿色建筑材料国家重点实验室开放基金资助项目(2018)
第一作者：王立成(1975-)，男，山东安丘人，大连理工大学教授，博士生导师，博士.主要从事混凝土强度理论和钢筋混凝土耐久性研究.E-mail ：wanglicheng2000@ 163. com
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凝土配合比中引入高吸水性材料来实现混凝土的内部养护，从而有效减少混凝土的自收缩•
1948年，Powers等提出了硬化水泥浆体相体积分布经验模型，随后,Hann()据此模型得出：混凝土的水胶比达到0.42时水泥才能充分水化，解决早期自收缩问题最适合的方法是从混凝土内部提供水源进行养护，这一模型也成为混凝土内养护的理论基础.1957年，Shideler()研究了掺预湿轻骨料混凝土的力学性能和体积稳定性，发现预湿轻骨料能够减小混凝土的自收缩.1991年，Phil-eo()提出，为解决高强混凝土传统外部养护效果差的问题，应采用从内部养护的方式，指出掺预湿轻骨料是一种方法，并明确提出了“内养护”的概念.1999年，Bentz等⑷为确保有足够水能完成混凝土内养护，建立了轻骨料置换量的计算公式，推动了内养护研究的进展.2000年，Jenn等提出了采用高吸水性树脂(SAP)作为内养护材料的方法曰.2003年，国际材料与结构研究实验联合会(RILEM)(0］定义了内养护技术，即向混凝土中引入可用作养护的水，并将内养护分为轻骨料(LWA)内养护和高吸水性树脂(SAP)内养护2大类.
此后，内养护技术在工程应用中取得了飞速发展，美国等在路面和桥面工程中大量采用内养护混凝土［111Z］.到2012年，美国材料与试验协会(ASTM)制定了内养护混凝土的标准规范ASTM C1761M-15.梦3国
基于以上国内外文献分析，本文从混凝土内养护技术的起源和发展历程出发，综述了常用内养护材料和用量、内养护理论基础、内养护作用机理和内养护对混凝土性能的影响，并指出了当前混凝土内养护技术存在的问题和未来可能的研究方向•
1混凝土内养护材料和用量
1.1内养护材料
内养护材料是在混凝土中引入的一种养护剂，可在其内部起到“蓄水池”的作用，需要满足的一般要求包括：(1)热力学效率，要求材料的水活度接近1，即平衡相对湿度接近100%;(2)传输效率，要求水能够从“蓄水池”，即内养护材料，输送到自干燥胶凝材料的各个部位
目前，可用于混凝土内养护的材料包括：轻骨料(LWA)(4］，如浮石(5)、沸石(6)、膨胀页岩、珍珠岩期、再生骨料(9)、轻质膨胀黏土(LECA)(0］、稻壳灰(RHA)™，煤底灰、膨润土和高吸水性树脂(SAP)曲等.根据吸水机理，内养护材料分为多孔材料和可物理吸附水材料2大类，多孔材料还可分为轻骨料和多孔超细粉体.不同类型内养护材料的吸水机理及主要特点见表1.
表1不同类型内养护材料的吸水机理及主要特点
Table1Water absorption mechanism and main features of different types of internal curing materials
Waterabsorbing
Type Example Mainfeature mechanism
汕头有什么好玩的Lightweight
aggregate Capi l aryforce Porous(LWA)
material
Porous
ultrafine Capi l aryforce
powder
(15)(16)Thee f ectofinternalcuringdependsonthedesorption Pumice stone aeolite ex-
characteristicsoflightweightaggregate，itsdistribu-
(19)tioninconcreteandthesizeandconnectivityofthein-cledaggregate19)，lightweightex-
ternalporestructure soitisnecessarytoquantifythe pansiveclay(LECA)(20)
characteristicsoftheporestructure
panded shale(7)，perlite(s)，recy
Rice hu l ash(RHA)(21)coal ash(22)Canpartia l yreplacesilicafume
&
low waterabsorptioncapacity
Water-
physica l y adsorbable material BondsorVanDer
Waalsforce
Can partia l y replacesilicafume&low waterab-
Bentonite(23)sorptioncapacitycanreplace10%ofcement&can
inhibitthereductionofinternalhumidity
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SAP(4)
High waterabsorptionratehasobviou f ecton
earlyautogenousshrinkageanddryshrinkage.
此外，内养护材料的释水性能(水分迁移速率和距离)直接影响混凝土内部的相对湿度，进而影响其减缩效果.王发洲等閃比较了相同环境下SAP、黏土陶粒和页岩陶粒的吸、释水性能及内养护效果，发现前两者保水能力较好，释水缓慢，而页岩陶粒释水较快，三者释水速率的不同导致其对混凝土内部相对湿度下降过程的延缓效果不同.Akcay等輕通过图像研究了预湿浮石轻骨料在混凝土中的空间分布规律，得出其水分迁移距离为100#m.Monnig(7］采用显微镜观察了预吸水SAP的尺寸和影响范围，发现其水分迁移距离为50〜60#m.内养护材料的水分迁移距离反映了内养护水的分布情况.Ass-mann(8)认为若内养护水重分布过慢，则可利用性差，即使SAP颗粒处于半饱和状态，自干燥也会发
第6期王立成，等：混凝土内养护技术研究进展1473
生，进而引发自收缩•
1・2内材料用量和引入水量
内入的水分改善混凝土内部湿度环境，保证混凝土中胶凝材料充分水化，最大程：少混凝土的自收缩•因此，内材料用量和引入水量对内有重要•内的关键是引入内水，即通过调节内材料的掺量，来控制混
凝土自收缩.例如，Zhutovsky等「2门通过控制轻骨料的粒径和率，在轻骨料掺量尽的［下
的内体系，自收缩•孔祥明等「沏开SAP掺混凝土自收缩效果的研究，发现SAP掺量与内养护效果密切相关.Cusson 等（7）研究表明当内水胶比：wc/：b（内养护水与胶凝材料质比）为0.06时，混凝土1d后出现微小膨胀，即能完全消除早期自收缩,7d内自收缩显著减少;7d时混凝土内部相对湿度（RH）仍然能达到96%，与饱水（RH=98%）养护的近•根据内养护引入额外水补偿水泥浆体化学收缩的原理,Bentz 等「31）；内材料用量的计算公式：
式中：M lwa为内养护材料用量，kg；M c为水泥用量，kg；CS为化学收缩"max为最大水化程度；（LWA为内材料的吸水率;S为内养护材料的饱水程度•
2混凝土内养护理论基础
Powers等⑷基于对硬化水泥浆体中水蒸气吸附等温线和化学水的研究，扌水泥浆体相体积分布经验模型，即Powers模型.该模型计算水泥基材料的体积组成，将水泥浆体中的水分为化学水（非蒸发水）、凝胶水（物理水）和毛水（游离水）•化学水是在水泥水化过程中，配合比中的一部分拌和水水
的；凝胶水是另一部分拌和水按照固定比例吸附在水物表面的；毛水则是拌和水中的部分，以自由水的水泥石内部毛中.
如述，只有毛细孔水可以自由地用于水泥水化•当毛细孔水用完时，水化作用明显减慢•完全水化过程中，1・00g水泥0.23g水进行化学
0.19g凝胶水.因此，只有当水胶比：0.42（0.23+0.19）时，才有可能发生完全的水化反应囚•若水胶比低于0.42，则由于渗，传统外部法中的表面养护水有效渗透到构的内部区域去，导致混凝土产生较大自收缩•因此，为解决低水胶比混凝土自收缩引起的开裂问题，的方法是从混凝土内部提供水源进行.
3混凝土内养护作用机理
3.1混凝土自收缩产生的原因
随着水泥水化的进行，固体生成物不断搭接，在水泥浆体内部大、错的毛丄隙，水物固相体积加，水的连通被破坏（见图1）32），水凹液面并导致混凝土内部相对湿，发生自现象，这一过程符合Kelvin.凹液面的会
流体的拉应力（符合Laplace定律），进自收缩•Hydrated cement particle
Capillary water
(a)Low degree of hydration
Hydrated cement particle
Capillary
Porosity
(b)High degree of hydration
图1水泥浆体截面示意图［32］
Fig.1Schematic reprentation of a cross-ction of
hydratingcementpaste32）
自收缩产生机理主要有毛细孔张力、表面张力和分力等&面将一开.
3.1.1毛力
一般在中高相对湿度（RH>45%）条件下，毛细孔张力对自收缩的产生要作用•随着水泥水化的进行，游离水，内部湿•硬后的水泥浆体中会大量的，孔隙水饱和•孔隙内凹表面受到内部压力（P）作用•为了使凹面处于平衡状态，毛细孔张力（）增加，产生自收缩［33］，原理如图2所示.
Capillary tension
a Capillary tension
o
Hydrated cement particles Porosity
油棕树2毛力示意图[33]
Fig.2Schematic diagram of capi l ary tension
33)
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3.1.2水泥凝胶颗粒表面张力
表面张力理论认为表面结合力的不平衡会产生表面自由能和表面张力.水泥凝胶颗粒吸收水分子会增大表面分子结合能，故吸水可减小其表面拉应力即体系内部相对湿度越低，表面张力作用越明显.因此水泥浆体的体积膨胀和收缩是水泥凝胶颗粒表面张力变化的结果，提高相对湿度将导致水泥浆体体积膨胀，反之则收缩.然而,Powers［35］认为表面张力机理引起的自收缩只占全部自收缩的一小部分，原因在于当颗粒表面有2层或2层以上的吸附水时，可认为颗粒表面已经全部被水分子包围，而条件是相对湿度要高于75%.但在产生自收缩阶段，相对湿度通常不会降至75%以下〔36）.
3.1.3相邻微粒间分离压力
Ferraris等⑶〕发现依据毛细孔张力理论计算所得的收缩值小于实际值，结合相对湿度低于40%时收缩的连续性，引入了分离压力的概念，认为这种分离压力是由相邻微粒间的楔形吸水薄膜所产生的使微粒彼此分开的作用力.固体颗粒间的分离压力是范德华力、双层斥力和结构力共同作用的结果.分离压力随相对湿度的变化而变化.当相对湿度降低时，分离压力也随之降低，引起自收缩.
3.2内养护减缩机理
若混凝土与外界无水分交换，任何混凝土都会发生自干燥现象.混凝土凝结硬化期间，随着水泥水化的进行，毛细孔中的水分被利用，形成凹液面，水泥浆体内部相对湿度降低，发生自干燥.随着凹液面的产生，水泥浆体将受到毛细孔负压作用，引发自收缩.
孔隙结构，包括孔隙率、孔径分布和孔隙形态，在水泥基材料自收缩过程中起着重要作用.孔隙连通性直接影响水分从饱和孔隙向非饱和孔隙的迁移，从而影响收缩的发展［38］.SAP等内养护材料的掺入，即内养护水的引入会影响硬化水泥浆体的孔隙结构.例如，张珍林"9）通过研究预吸水SAP对混凝土孔隙率、孔径分布及连通性、孔隙形貌的影响，发现通过SAP引入的额外内养护水会增大混凝土总孔隙率，且内养护水量越多，总孔隙率提高幅度越大；SAP的掺入也会增大凝胶孔、小毛细孔和大孔的含量，减小大毛细孔的体积，原因在于，SAP的掺入改变了浆体中内养护水的分布状态.
内养护材料引入水会与混凝土毛细孔网络联通，毛细孔中不会形成凹液面.而内养护材料可以根据周围湿度变化，通过毛细孔作用，实现释水.具体表现在：内养护材料中的水分在早期水化阶段不参水，水泥体内材料间湿度梯度时，内养护材料中的水分会被释放出来，以补偿水泥浆体的相对湿度损失，保证水化反应的继续进行.
释水过程中，储水的内养护材料将作为内部“蓄水池”，其释水动力来源于内养护材料与水泥浆体毛内
部的湿及由生的毛力.湿和毛力的，内
材料的水分向水泥浆体扩散，这一过程符合Fick定律.而混凝土毛细孔中水的蒸气压受表面张力影响，并与混凝土中水分迁移密切相关，符合Laplace定律.由于混凝土孔隙中的水分总是由大孔迁移至小孔［40］，而通常内养护材料中孔的尺寸要大于水泥浆体中的毛细孔，因而内养护材料中的水将逐渐迁移至水泥体，现内，自收缩.
4内养护对混凝土性能的影响
4.1内养护对混凝土收缩的影响
混凝土的收缩分为早期和后期2个阶段.第1阶段（浇筑成型后24h内）定义为混凝土凝结硬化期间的收缩；第2阶段是指超过24h后的收缩.这2个阶段的收缩主要包括化学收缩、自收缩、干燥收缩、收缩和收缩.水泥水的进行，学
收缩和自收缩发生，在水泥浆体硬化过程中，绝对体积为学收缩，表体积为水泥水过程中的自收缩［32］.干燥收缩是水泥基材料由于毛细水的损失而发生的变形.由于对碳化收缩和热收缩的相关研究较少，本节重点总结分析了内养护对混凝土化学收缩、自收缩和干燥收缩的影响.
4.1.1学收缩
为减少化学收缩引起的自收缩，需引入额外的水来填充化学收缩留下的毛细孔化学收缩取决于水泥的水化程度和辅助胶凝材料的反应程度. Esteves（3］采用重量分析法研究了SAP对化学收缩的影响，发现加入SAP增加了化学收缩.与SAP相似，预湿轻骨料也会增加化学收缩.原因在于，随着内养护水的释放，有效水胶比增加，促进了水泥水化，化学收缩增大「⑷.因此，由式（1）得出的内养护材料用的内水值.
4.1.2自收缩
Lura（5］发现，高强混凝土早期体积变化最显著的是自收缩，也称自干缩.关于“自收缩”的定义，1940年Davis（6］提出：自收缩是因其内部自身的物学的体积.
预湿轻骨料减缩效果良好，可降低开裂风险. Bentur等（0）研究表明，当细轻骨料替代量达到
第6期王立成，等：混凝土内养护技术研究进展1475
25%时，可完全消除混凝土自收缩.由于轻骨料的替代量与轻骨料的孔隙结构和吸水率密切相关，可以通过优化轻骨料的粒径和孔隙率来实现用最少量的轻骨料达到有效内养护的效果韩松等3研究了粗轻骨料内养护对混凝土早期抗裂性能的影响，发现饱水陶粒可以改善胶凝材料水化环境，显著降低混凝土早期自收缩，减缓开裂.Zhutovsky等（9）发现细轻骨料比粗轻骨料更能有效保证混凝土内部养护水的充分分布.当轻骨料粒径减小时，其在基体中的分布更加均匀，有利于水泥浆体的内养护.
高吸水性树脂（SAP）作为内养护剂也具有显著的减缩效果，可以降低混凝土早期自收缩的发展速度，延缓开裂.SAP的用量和水饱和状态对混凝土内养护效率具有重要作用.孔祥明等“0〕通过控制预吸水SAP用量，使额外引入水量分别为水泥质量的5%和10%，发现预吸水SAP对高强混凝土自收缩有明显的减缩作用，14d自收缩减缩率可达90%以上.此外，SAP减少自收缩的有效性与SAP的粒径有关.Lura等曲〕发现较大粒径的SAP吸水性更好，对减少自收缩有良好的效果.然而，当SAP引入水量导致内养护水胶比：Wc/：B过大时，会过度增加总水胶比：w./：b（混凝土拌和自由水及额外引入水的总量与胶凝材料质量的比值），对混凝土强度等性能产生负面影响.Huang等（9）建议通过考虑SAP 的粒径和用量将：Wc/：B控制在合理范围内.
4.1.3收缩
增加轻骨料含水量可以降低干燥收缩速率，但并不能完全阻止干燥收缩.魏亚等「50）认为轻骨料对减少干燥收缩作用不大，因为处于干燥环境中时，混凝土可能存在明显的内部湿度梯度和表面干燥现象.
SAP对混凝土干燥收缩的影响与轻骨料不同，对给定的有效水胶比：We/：B（混凝土拌和时自由水与胶凝材料质量的比值，不包括额外引入水），加入SAP增加了混凝土的干燥收缩®）但在相同总水胶比条件下，干燥收缩随着SAP用量的增加而减小，Assmann等（幻也得到了一致的结论.关于干燥收缩增加的原因，Ma等认为可能是因为混凝土表面容易失水，导致表面与内部存在湿度差，从而导致干收缩加.
但关于加入轻骨料和SAP对干燥收缩的影响，部分学者仍存在争议,Monnig等发现加入轻骨料和SAP会收缩.
4.2内养护对混凝土力学性能的影响
内养护材料的加入，在改善混凝土收缩特性的同时，也会影响混凝土的力学性能.
4. 2.1强度欢乐餐厅
关于轻骨料内养护对混凝土强度的影响，许多学者作了相关研究.Bentur等（0）通过对比试验发现，轻骨料会降低内养护混凝土7d强度，但对28d 强度影响很小.早期强度降低原因可能是轻骨料的强度低于普通骨料，此外预湿轻骨料会释放额外的水，增大了混凝土总水胶比，这些都会对强度造成不利影响.但也有学者得到了不同结果，Bentz［55］研究了水胶比为0.35的砂浆试件发现，轻骨料砂浆试件的长期（28d及以后）抗压强度比普通砂浆试件提高了10%.原因在于饱水轻骨料保持了水泥浆体在水化过程中的内部湿度，减小了自干燥应力，长期水化作用增强.Mousa等日〕采用3种掺量的饱水轻骨料研究了内养护混凝土的力学性能，发现其28d抗压强度均高于普通混凝土，作者认为这是由于饱水轻骨料的内养护效果促进了水泥的水化反应，减少了混凝土内部孔隙，骨料和浆体之间的黏结力有所加.
SAP内养护对混凝土强度的影响与轻骨料略有不同.胡曙光等冏研究发现，当SAP作为内养护剂时，其掺量是影响混凝土抗压强度的主要因素，当SAP掺量不超过胶凝材料总质量的0.5%时，对抗压强度基本没有影响；超过0.5%时，抗压强度明显下降.原因可能是：（1）掺入较多SAP后，会引入大量额外水，过度增加总水胶比，降低混凝土抗压强度；（2）SAP释水发挥内养护效果后体积缩小，会在混凝土内部留下较大孔洞（大于200#m），导致混凝土内部结构不再密实.此时，SAP可看作引气组分，等同于将大量气泡引入混凝土，因而会削弱混凝土抗压强度（9）但SAP对抗压强度的负面影响并非绝对，Mignon等将海藻酸生物聚合物材料用于内养护，发现其可以降低砂浆自收缩，但未对强度造利.
4.2.2弹性模量
关于内养护对混凝土弹性模量的影响，目前较一致的结论是内养护会对弹性模量造成不利影响. Zhutorsky等［29］研究了水胶比为0.21'.25、0.33的饱水轻骨料内养护混凝土的动、静弹性模量，发现比普混凝土&28d弹为
6.6%、183%、19.2%，静弹性模量降幅更大.Cra-eye等⑴〕研究了饱水轻骨料内养护混凝土的弹性模量，发现其28d弹性模量降低，但降低幅度要小于抗压强度的降低幅度.
