国内外混凝土内养护的发展现状研究开题报告

1．本课题研究的背景、目的及意义

1.1 引言

混凝土是建筑业中应用最广泛的材料，混凝土的引用历史悠久，早在波兰特发明水泥之前，东欧地区就出现了最早的混凝土材料，与后期成熟的混凝土技术相比，当时的混凝土材料较为简单，主要是是石灰和砂浆拌合而成^[1]。

而高性能混凝土自诞生以来，因其具有高强高耐久性以及流动性等优点被广泛利用到高层建筑桥梁地铁等构筑物中。在材料组成上高性能混凝土具有低水灰比、高矿物掺和料等特点，这些特点决定了其在强度增长的过程中会伴随着较大的自收缩变形。当自收缩变形受到约束产生的拉应力值大于混凝土抗拉强度时，结构就会开裂，因此在实际结构中高性能混凝土较普通混凝土开裂更加严重^[2]。

内养护被认为是一种能有效提高早期抗裂性以及耐久性的新技术。内养护是使用一种吸水性材料抑制水泥基材料因自干燥引起的自收缩，并改善其它性能的一种方法。一般来说，该吸水性材料需要预先吸水或者在与水泥基材料拌合时吸水，随着水泥基材料的水化消耗内部孔隙水，吸水性材料会向基体释放额外水分以补偿内部相对湿度(IRH)的下降，从而达到内养护的目的^[3]。

近年来，随着科研水平的不断提升以及我因生产力的大幅提升，涌现出诸多性能良好的材料。以膨胀珍珠岩为例，膨胀珍珠岩表面有大量的微米的孔，而且成本较低，在建筑领域已经是一种非常成熟的建筑材料。高吸水性树脂是有机物中内养护材料的典型代表。高吸水树脂中富含各种化学成分，使其也有着很强的吸水性，同时因为它有着三维网状结构，制造非常简便，成本也比较低廉，市场反应非常好，间接促使了此材料的发展。

新型材料的发展为内养护技术的提升带来了机遇^[4] 。伴随着技术的不断进步和认识水平的不断提高，有学者提出了内养护的概念与方法。内养护技术的诞生引起了学术界的重视，国内外学者进行了大量的探索与研究。

2001年美国混凝土学会在Standard Practice forConstruct Curing(ACI308-2001)中将内养护定义为：“由存在于混凝土内额外的水而非拌和用水引起的水泥水化过程”。对于内养护技术，高倍吸水树脂SAP被认为是最好的内养护材料，通过SAP的蓄水作用对混凝土进行内养护的方法也被认为是最有效的方法。使用SAP内养护技术不仅可以明显减小甚至消除混凝土的自收缩，并且一定程度上可以改善混凝土的性能，尤其是可以改善混凝土水泥浆体内部孔的形状及结构分布^[2] 。

1.2 内养护技术简介

为减少环境因素对混凝土耐久性的影响，通常会在混凝土浇筑完成后对其采取合适的养护方式，这是预防混凝土收缩开裂较为有效的方法。混凝土的养护方式主要分为内养护和外养护。传统意义上的养护方式均为外养护，比如：标准养护、土工布养护、蒸汽养护等，外养护的方式种类较多且较为常用，可根据不同工程环境的需求，选取最利于混凝土养护的方式。但传统的养护存在着使用上的弊端及局限性，且对于低水胶比高强混凝土而言，由于自身密实度高，且内部自干燥现象严重，养护水很难进入混凝土内部，因此外养护的作用很难达到良好的养护效果，高强混凝土的自干燥依然严重。

内养护（Internal Curing）是一种新型且独特的养护方式，在混凝土领域中能够发挥着重要的作用。根据2010年美国混凝土协会（ACI），其定义是指通过预吸收的内养护材料来供给内部水源，所释放的水分在水泥基材料中能够使未水化的水泥继续水化，从而降低水化过程的自收缩。内养护常采用饱水轻集料（Lightweight Aggregate, 简称 LWA）、高吸水性树脂（Super Absorbent Polymer, 简称 SAP）等这些内养护材料作为内养护剂。内养护材料的掺入能够促进混凝土性能的提高，从而进一步提高它的耐久性能。国际材料与结构研究实验联合会（International Union ofLaboratories and Experts in Construction Materials, Systems and Structures，简称RILEM）于 2003 年提出 SAP内养护是最有效的方法。

不同类型的养护材料：（a）沸石（b）陶粒（c）高吸水树脂

图1 沸石 图2 陶粒

图3 高吸水树脂

针对这现象，一种新型的内养护技术应运而生。内养护技术主要是指在混凝土拌和初期，加入一种具有吸水及释水能力的材料，使其在混凝土成型后在其内部释水起到混凝土的养护作用，添加的这种材料被称为内养护材料，内养护材料的原理相当于一个小型蓄水池，它的释水原理主要在于混凝土内部的湿度差，且这种材料不参与混凝土自身的化学反应。

内养护技术在混凝土中的应用，主要作用是改善混凝土的收缩性能。相较与传统的养护方式，混凝土的内养护技术存在的很多优势，根据相关研究表明，采用内养护技术的混凝土结构，虽然在前期混凝土的成本略有提高，但在结构使用期间的养护费用却大大降低，且能有效改善混凝土早期的收缩开裂现象，延长混凝土结构的使用寿命，因此，内养护技术的发展与研究得到了越来越多人的关注。

1.3 内养护混凝土的国内外研究现状

关于混凝土内养护的研究，国内外的学者们在很早的时间就开展了。他们对此开展了大量的试验研究和机理分析，在理论层面也进行了一部分探讨。

1.3.1 国内研究现状

陈德鹏等人^[5]认为SAP与预浸轻集料相比，SAP内养护的效果更好，有效的减小混凝土早期的开裂，对于水分流失有延缓的效果。

郭绍武等人^[6]认为高吸水树脂作用于混凝土，前期的强度影响较大，掺量和影响成正比，额外水适当的引入，有利于减少混凝土强度的损失，对于混凝土后期强度，SAP小幅度的提升强度。

肖良丽等人^[7]认为掺入内养护材料后，有利于补充混凝土内的水分，保证了水化反应的进行，有利于降低混凝土自收缩和早龄期的自干燥。

王立成等人^[8]认为引入高吸水性材料有利于实现内养护减少材料的开裂性。

石亨业^[4]认为，混凝土的内养护能够有效避免高性能混凝土水分扩散和自干燥而产生的裂缝，能减少影响混凝土耐久性和强度。

李昊^[9]认为 SAP能有效改善混凝土的自收缩现象和抗裂性能，且随着SAP掺量的增加,混凝土的自收缩现象逐渐减小。

1.3.2 国外研究现状

Pang等人^[10]的研究表明，单独掺入高吸水树脂或者预吸水的高吸水树脂能促进水泥的水化。

Justs等人^[23]进一步分析了高吸水树脂不同引水量的影响，发现引水量越大，早期水化越慢，但后期水化程度越高。

Jensen和Hansen^[11-12]研究了不同SAP掺量对水泥净浆自收缩降低的影响。结果表明，水泥净浆自收缩随着SAP掺量增加而降低，当掺量为0.4%时，掺20%的硅灰净浆几乎不产生自收缩。

图4 SAP渗量对水泥净浆自收缩的影响

Craeye^[13]采用圆环粘贴应变片法测试了不同SAP掺量下砂浆的应变变化。结果表明，未掺SAP砂浆的收缩应力显著增加，约3d时砂浆开裂:掺0.3%SAP、0.6%SAP砂浆在21d时仍未开裂。

图5 圆环应变片法试验设备

Esteves^[14]对不同粒径的SAP的吸水量问题进行研究，结果发现，粒径较小的SAP吸水达到饱和状态的时间更短，但其吸水量与粒径较大的SAP相比较少。

Bentur A^[15]等用吸水饱和后的多孔轻集料体积代替粗骨料，研究发现，如果用吸水饱和后的多孔轻集料等体积替换25%的粗骨料后，混凝土的早期出现了膨胀的现象，其自收缩得到了抑制。研究结果显示，多孔轻集料在混凝土中起到了很好的内养护作用。

Marianne Tange Hasholt和Ole Mejlhede Jensen等^[16]以SAP作为内养护材料，并预先在SAP中引入适量的水，研究结果表明，当SAP的掺量在合适的范围内，且引入的额外水适中的情况下，SAP对混凝土强度的影响非常微小。

1.4 研究目的和意义

混凝土内养护是解决混凝土结构耐久性的重要途经之一，混凝土内养护是基于内养护材料的特性在混凝土结构内部形成养护机理，能够有效地提高混凝土的相关性能。

不难发现，国内外的学者都对混凝土内养护做了试验研究，由此可以看出，混凝土内养护有广泛的应用空间和发展前景。

本论文针对国内外内样护材料在混凝土结构中的应用进行文献综述，首先对内样护的概念进行论述，阐述内养护的机理，与外养护进行对比分析，总结出内养护的特点，从内养护的力学性能和耐久性能出发，结合中外差异研究内养护对混凝土的影响，再结合国内外的实际工程案例分析，提出一些可行性的评价建议等。

2．本课题主要研究内容和预期目标

研究内容：

混凝土内养护是解决混凝土结构耐久性的重要途经之一，混凝土内养护是基于内养护材料的特性在混凝土结构内部形成养护机理，能够有效地提高混凝土的相关性能。

不难发现，国内外的学者都对混凝土内养护做了试验研究，由此可以看出，混凝土内养护有广泛的应用空间和发展前景。

本论文针对国内外内样护材料在混凝土结构中的应用进行文献综述，然后采用对比分析的方法，分析国内外不同内样护材料对混凝土结构影响。

（1）通过文献的阅读概述内养护的概念，将内养护与外养护进行对比分析，重点阐述内养护的优势，让读者对内养护有着更深刻的理解。

（2）对我国内养护的发展历程进行表述，从内养护材料的角度出发，介绍不同种类的高吸水树脂如何内养护混凝土，从而总结出内养护的机理。

（3）对国外内养护的发展进行介绍，论述国外的内养护材料的特点以及性质。

（4）从对混凝土的力学性能的影响和耐久性影响出发，研究国内外内养护的不同和作用，最后再结合国内外的实际工程案例分析，提出一些可行性的评价建议等。

预期目标：

对国内外内养护进行对比分析，寻求共同点和异同点。研究混凝土内养护对于混凝土的力学性能和耐久性的影响，具体结合实际的工程案例进行分析，总结出对混凝土内养护的发展前景提出可行性的建议。

3．本课题拟采用的研究方法、步骤

研究方法：

案例研究法，归纳总结法等。

例如： 从鲍卫刚，周泳涛等编著的预应力混凝土梁式桥梁设计施工技术指南，对重庆地区24座混凝土连续刚构桥施工现状进行了调查，发现大跨连续刚构桥的水灰比值均在 0.34-0.41之间，而且大跨连续刚构桥多使用高性能混凝土，与普通混凝土相比，高性能混凝土对养护条件更加敏感。因此，我们了解到高性能混凝土广泛应用于连续刚构桥，要特别加强对我国大跨径连续刚构桥的早期养护，来提高结构的耐久性。

步骤：

通过搜集并阅读国内外有关混凝土的养护的文献，了解混凝土内养护和外养护的概念以及区别，重点把握混凝土内养护的概念及其特点。

对已经搜集的文献进行分类，分为国外混凝土内养护和国内混凝土内养护。

通过具体的案例分析分别掌握国内内养护材料的类型特点以及性质，国外的混凝土内养护材料的类型特点以及性质。

通过对比分析的方法，分析国内外混凝土内养护的相同点以及不同点，重点在与各自的优势把握。

从对混凝土力学性能的影响和耐久性影响两个方面出发，展开研究。

最后再次归纳总结，对混凝土内养护的发展前景提出可行性建议。