高性能混凝土（HPC）由于低水胶比和各种矿物外加剂的掺入，早期自收缩明显，易引起混凝土开裂。采用传统的外部供水的养护方法则由于高性能混凝土的低渗透性，而很难减小自收缩。为克服上述困难，自上世纪90年代以来，人们采用具有多孔结构的材料（如轻骨料、高吸水性树脂等）来进行混凝土的内部养护。其基本原理是在混凝土拌合前将这些多孔材料进行预吸水。这些由多孔材料引入的水可以在水泥水化消耗水的过程中不断释放到周围硬化中的水泥浆体里以补充水化消耗的水，从而减小自干燥及其引起的自收缩。这种技术称为内养护技术。大量的研究表明，在密闭状态下，内养护技术能够有效减少甚至消除混凝土自收缩，提高混凝土强度及氯离子渗透性[1-3]。但对于暴露于较为复杂的大气环境条件下的实际混凝土结构物，混凝土除经受由于自身水化反应引起的自干燥外，还要经受外部干燥的考验。因此，内养护技术在干燥环境下对混凝土性能的影响研究更为重要。基于目前有限的研究成果，内养护混凝土暴露于干燥环境下产生的收缩大于普通混凝土的收缩，随着预湿轻骨料用量的增加，收缩减少[4-5]。本文在上述研究的基础上，进一步综合研究了普通和内养护混凝土的自收缩、干缩、内部相对湿度变化、质量损失、抗压和弯拉强度发展、开裂风险。同时考虑到实际工程混凝土构件的拆模养生时间，对比研究了普通和内养护混凝土在不同龄期暴露于干燥环境时对混凝土性能的影响。
1试验
1.1原材料及混凝土配合比
水泥（C）：P•O42.5普通硅酸盐水泥，密度3150kg/m3，比表面积350m2/kg。粗集料（A）：石灰石碎石，表观密度2650kg/m3，吸水率1.2%，粒径为5~12.5mm。细集料（NS）：河砂，表观密度2650kg/m3，吸水率1.5%，细度模数2.60。内养护材料：粉煤灰陶砂（LWFA），颗粒粒径均匀分布在4.5mm左右。外加剂：聚羧酸减水剂（WRA）。粉煤灰陶砂（LWFA）是一种多孔的轻质骨料，其在硬化水泥净浆中的结构形貌如图1a所示。陶砂中10000nm以下的小孔累计体积远大于净浆材料，具体微分孔隙分布情况如图1b所示。可以看出，陶砂中1000nm-10000nm的孔隙占总孔隙体积的比例较大，这种孔径分布特征使其可以在水泥水化过程中起到“蓄水池”的作用：净浆中的毛细孔压力可以将陶砂中预吸入水运输至周围净浆中供其充分水化，且随着水化的进行，净浆中的饱和毛细孔孔径逐渐缩小，进而导致毛细孔压力增大并从陶砂中进一步运输水分，直至净浆和陶砂中的相对湿度达到平衡。
1.2试验方法
1.2.1混凝土自收缩、干缩和内部相对湿度自收缩和干缩试件尺寸为3.8cm×10cm×100cm，试件一端与试模固定，另一端不受约束并与LVDT相连。试件与试模之间铺设塑料薄膜以达到减少试件与试模间的摩擦阻力。自收缩测试过程中试件完全包裹塑料薄膜以阻隔与外界的水分交换，而干缩试件的上表面暴露于干燥环境下，试件尺寸和干燥条件如图2所示。试件达到终凝时开始测量收缩变形，同时对试件内部相对湿度进行测量，采用可埋在水泥混凝土内、精度为±1.8%的湿度传感器。1.2.3质量损失试验测试混凝土在表面干燥条件下的失水量，试件为直径135mm、高37.5mm的圆柱体,与收缩试件有相同的体积/表面积比(V/S)，在密闭养生到不同龄期时将试件上表面暴露于干燥环境中，并定期测量质量损失。1.2.4抗压和弯拉强度试验混凝土抗压强度试件尺寸为10cm×10cm×10cm，每组3个试块，成型后1天拆模，并在不同龄期暴露于干燥环境下至强度测试龄期，并将实测的抗压强度值乘以换算系数0.95得到混凝土标准抗压强度值。弯拉强度试件尺寸为100mm×100mm×400mm，其浇筑、养生和测试龄期同上，每组试件为3块。1.2.5环试验混凝土环约束试验参照ASTMC1581标准[7]。图2所示为钢环和混凝土环尺寸平面和截面视图。钢环内径152mm，厚13mm。混凝土环内径165mm，厚38mm，环高150mm。在钢环内环距底部75mm高度、四等分点处分别贴应变片测量钢环由于混凝土体积变化而产生的变形，从而分析混凝土的应力发展和开裂风险。环的养生方式同收缩和强度试件。上述几个试验的环境温度和湿度分别控制在23oC和40%。
2结果与分析
2.1密闭状态下自收缩和内部相对湿度发展
普通混凝土(3O,4O)和内养护混凝土(3L,4L)在密闭状态下(S)内部相对湿度和自收缩发展如图3所示。在经历初始的膨胀后，普通混凝土的自收缩随着龄期的增长而增长，但内养护混凝土一直呈现膨胀状态而未出现自收缩。内养护混凝土的膨胀原因一般认为是由于钙矾石的生成及水化产物在高湿度情况下的膨胀所引起[1,4,8]。内养护混凝土在密闭状态下未出现自收缩被认为能显著降低混凝土早龄期开裂风险[2]，但其有效性取决于引入内养护水量，本研究采用的预吸水率为17.7%、占浆体体积37%的饱和轻细骨料含量能够完全消除自收缩。自收缩的消除主要是由于预湿轻细骨料能够从浇筑开始后的相当长的时间内维持混凝土内部相对湿度在95%以上。研究表明[6]，内部相对湿度高于95%的混凝土不会产生自收缩。在密闭状态下，普通混凝土内部相对湿度由于水化反应消耗水分而逐渐降低，但由于水化反应产生的自干燥不会降低至70%以下，否则水化反应会因毛细孔中自由水的缺乏而停止[9]。而内养护混凝土中的预湿轻细骨料延缓了由于水化反应引起的内部相对湿度降低及降低的幅度。
2.2干燥状态下总体收缩和内部相对湿度发展
混凝土在7天(7D)和28天(28D)龄期暴露于干燥条件下的总体收缩和内部相对湿度发展如图3所示。可以看到，普通混凝土和内养护混凝土在干燥环境下都产生收缩。内养护混凝土的收缩速率大于普通混凝土，且在28天暴露于干燥环境下的收缩速率与7天暴露于干燥环境下的收缩速率相同。因此，在干燥环境下，内养护技术不能减小或消除收缩。
2.3干燥收缩和质量损失
暴露于干燥环境下混凝土的质量损失占总质量的百分比与干燥收缩的关系如图4所示。可以看出，在相同的暴露条件下，内养护混凝土的质量损失大于普通混凝土，说明引入的内养护水在暴露于干燥条件下通过蒸发损失，从而降低了内养护效率。然而，随着暴露龄期的推后，内养护混凝土的质量损失趋于普通混凝土。在普通混凝土中，水分从净浆毛细孔中损失，一旦水分开始损失，收缩即开始。对于内养护混凝土，水分损失与干燥收缩的关系呈现明显的两阶段关系，初始阶段的斜率小，后续的斜率大。斜率代表单位质量损失所引起的干燥收缩。刚暴露于干燥环境下时，由于轻细骨料中的孔径大于净浆中的孔径，水分优先从轻细骨料的孔中损失，这种水分损失不会引起收缩。当轻细骨料孔中水分消耗殆尽时，水分从净浆中的毛细孔中散失，从而引起较大收缩。这种两阶段曲线关系也存在于普通混凝土中[11]。
2.4不同干燥环境下的强度发展
内养护技术由于引入额外水分而能够提高水泥水化程度[12]及混凝土的力学性能，但其强度发展也受到水灰比、内养护材料及干燥环境等的影响。图5和6是在不同干燥环境：密闭(S)，1天龄期(1D)和7天龄期(7D)开始干燥的普通和内养护混凝土的抗压强度和弯拉强度发展。可以看出，不论是否内养护，低水灰比混凝土的强度较高。对于水灰比为0.3的混凝土，普通混凝土的抗压强度和弯拉强度皆略高于内养护混凝土。原因分析为轻细骨料的筒压强度较低，在混凝土中是薄弱环节，特别是在低水胶比或高强混凝土中，其在强度方面的劣势更为明显。在水灰比为0.4的情况下，内养护混凝土的弯拉强度高于普通混凝土，表明内养护在这种混凝土中具有增强弯拉强度的作用。普通和内养护混凝土的强度发展皆对干燥环境较为敏感。当混凝土暴露于干燥环境时，其弯拉强度和抗压强度皆降低。愈早暴露于干燥，混凝土的后期强度损失愈大。与密闭养护状态下28天的强度比，在1天龄期暴露于干燥环境下混凝土的28天抗压强度的下降幅度是7天暴露于干燥环境下混凝土28天抗压强度下降幅度的两倍。弯拉强度对干燥更为敏感，当混凝土在1天龄期暴露于干燥环境下时，后期几乎没有强度增长。对于普通混凝土3O和4O，在1天龄期暴露于干燥环境下的28天弯拉强度是密闭养护状态下28天强度的78%和68%，对于内养护混凝土3L和4L，其值为65%和63%。考虑到弯拉强度在混凝土开裂风险分析中较抗压强度更具有代表性，保持充分的密闭养护时间以提高混凝土弯拉强度具有重要意义。
2.5不同干燥环境下的开裂风险
混凝土的开裂风险通过环试验进行评估。虽然环试验不能直接测量混凝土中的拉应力发展，但能够用来比较混凝土不同配合比及干燥环境下的开裂风险。混凝土环的开裂风险评估基于实测的钢环内壁的应变发展来进行判断，应变突然减少的时刻对应着混凝土环的开裂。4种混凝土在密闭(S)和1天(1D)、7天(7D)、28天(28D)龄期暴露于干燥环境下的钢环内壁实测应变如图7所示。负的钢环内壁应变值代表钢环受到混凝土环收缩而产生的压力，同时混凝土环的收缩也受到来自钢环的约束，从而在混凝土中产生拉应力；而正的钢环内壁应变值代表水化热引起的钢环温升膨胀。从图7可以看出，混凝土环在早龄期阶段由于温升和高湿度引起膨胀，经历了短期的压应力阶段，这个阶段由于内养护混凝土较长的持续膨胀变形，其持续时间也更长。混凝土环压应力阶段过后就是持续的随龄期不断增长的拉应力。暴露于干燥环境下混凝土拉应力的发展速率明显大于密闭状态下的混凝土。无论是普通混凝土还是内养护混凝土，所有暴露于干燥的混凝土环皆开裂了。暴露于干燥时的龄期愈早，开裂时间也就愈早。由于早龄期较大的自收缩，普通混凝土环甚至在密闭条件下就发生了开裂。在相同水灰比和干燥环境下，内养护混凝土的开裂时间稍晚于普通混凝土环，但内养护技术不能显著提高干燥环境下混凝土的抗开裂能力。在密闭条件下，内养护混凝土环在试验的42天里未发生开裂，如图7b和7d所示。因此，对于内养护混凝土，密闭养护仍是减小其开裂风险最有效的方法。这与图3b和3d所示的内养护混凝土收缩结果一致，在不与外界发生水分交换的情况下，内养护混凝土不产生收缩和开裂。
3结论
(1)采用预湿轻细骨料内养护技术，当预吸水率为17.7%的轻细骨料体积含量占浆体体积百分含量为37%时，可以消除普通和高强混凝土的自收缩。自收缩的消除主要是由于预湿轻细骨料能够从浇筑开始后的相当长的时间内维持混凝土内部相对湿度在95%以上。(2)当暴露于干燥环境时，内养护混凝土的收缩速率大于普通混凝土，且收缩与内部相对湿度吻合较好。当在早龄期暴露于干燥环境时，轻细骨料中预吸入的水分首先散失而损失大量的内养护引入水，降低其内养护效率。内养护和普通混凝土在干燥环境下的水分损失和收缩曲线关系皆呈现两阶段特征，内养护混凝土第一阶段的单位质量损失对应的收缩小于普通混凝土，而第二阶段大于普通混凝土。(3)普通和内养护混凝土的抗压和弯拉强度发展皆对暴露于干燥环境较为敏感，干燥引起混凝土后期强度下降，且暴露于干燥时的龄期愈早，强度降低幅度愈大，可达20~30%。弯拉强度较抗压强度对干燥条件更为敏感。(4)内养护技术不能显著提高暴露于干燥环境下的混凝土抗开裂性能，且延长密闭养生时间至28天对减少收缩和降低开裂风险作用不大，保持密闭状态是提高内养护混凝土抗开裂风险较为有效的方法。因此，内养护技术适宜于大体积混凝土或非表层结构物混凝土中。
作者：魏亚 单位：清华大学副教授
