低水灰比混凝土易开裂？内部养护来解决|应力|水泥浆|混凝土|混合料|钢筋|骨料

W. Jason Weiss，教授，普渡大学，印第安纳州西拉斐特

近年来，内部养护的使用取得了重大进展，不仅可以缓解自生收缩，还可以提高现场混凝土的性能。本次会议的目的是评估内部养护在各种混凝土应用中的经济性、性能和可持续性。将涵盖以下主题：混合料配比、内部养护方法、水化影响、体积变化效应、机械性能、耐久性方面、生命周期成本分析、对可持续性的影响以及记录内部养护使用的案例研究。

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我们的最后一位演讲者是杰森·韦斯。他为我们开了头，所以我们形成了一个完整的循环。我知道观众中有一些新面孔，我将再次介绍杰森。杰森是 ACI 的研究员，他是普渡大学潘科材料实验室的教授和主任。他在宾夕法尼亚州立大学获得学士学位，在西北大学获得硕士和博士学位。杰森获得过许多 ACI 奖项，包括沃尔特·P·摩尔青年教师奖、ACI 青年会员职业成就奖、ACI 的 Wason 奖章等等。今天杰森的演讲题目是“利用内部养护减轻早期开裂并提高钢筋混凝土的抗腐蚀性能”。请和我一起欢迎杰森·韦斯。

[掌声]

非常感谢你，安东。正如之前提到的，今天我想做的是尝试将内部养护与防止混凝土开裂联系起来，并探讨这对长期腐蚀的一些影响。我认为我们都同意，当结构开始出现裂缝时，可能会出现潜在问题。这让我想到，目前有超过 10 万座桥梁存在横向开裂，62% 的交通部门认为早期开裂是一个主要问题，很多裂缝在桥梁还未通车时就已经出现。真正的问题是，这些裂缝会缩短使用寿命，增加维护成本，加速腐蚀，这意味着我们将比实际需要更频繁地更换这些桥面。所以，问题在于，我们能否在早期做些什么来显著延长我们所关注的桥面的使用寿命。今天我想重点讨论四个主要内容：我想了解一下为什么低水灰比和高水泥含量的混合料可能更容易开裂，这些是我们所说的高性能混凝土；我们想知道为什么它们更容易开裂；我们想了解如何通过内部养护来减少这种开裂潜力，尤其是非常早期的开裂，这是一项在混凝土非常脆弱的早期非常有帮助的技术；我想快速跳过这一部分，但要了解内部养护如何帮助我们改善传输属性；然后我们真正关注的是将这两个问题结合起来，我们能否既减少开裂又减少传输属性，这对使用寿命有何影响，我认为这是我们真正开始看到好处的地方。

我想很快谈谈收缩和应力发展，我想谈谈为什么低水灰比、高水泥含量的混凝土可能更容易发生早期收缩开裂。为了做到这一点，我认为我们需要看看系统中驱动收缩和应力发展的主要因素是什么。我并不期望每个人都能理解所有方程和变量并在最后重新推导出来，但基本想法是，我们有一个特定长度的样本，如果不受约束，它会收缩，会变小一定量。如果是路面、桥面或桥梁系统中的梁，它们会约束它，这就像拉伸混凝土一样。如果我们只是这样做，这条绿线仅仅是胡克定律，应力等于模量乘以应变，即收缩应力模量和收缩。然而，还有一个额外的效应在早期非常有益，那就是粘弹性，这是松弛，是系统中应力的释放。你可以看到，由于这种粘弹性，应力大大减少。我认为这是一个非常重要的观点，因为在这种情况下，粘弹性对系统有帮助。例如，蠕变、松弛是一件好事，因为它有助于减少系统中的应力。所以，当我们开始制定这个方程时，我们看到有收缩、模量和蠕变参与其中。现在，如果我们考虑我之前提到的低水灰比系统，可能含有稍高的水泥浆含量，我们知道模量会上升，蠕变会下降，这两个因素都会导致应力增加。如果蠕变减少，应力上升；如果模量更高，应力上升，因为我们必须用更大的力拉动系统，使其回到零位移。此外，高性能混凝土往往更脆。你可能会说：“但我会弥补这一点，因为当我看整体系统时，收缩会减少。”你可以查看教科书，说收缩是水灰比的函数而减少，但我要指出的是，当你查看受约束收缩开裂数据时，我们将开裂年龄与 28 天强度绘制出来，通常强度越高，混凝土越容易开裂。你可能会问为什么会这样，如果我们在减少收缩。很重要的一点是，当我们回顾并提取一些旧文献的数据时，这是用 ASTM C157 测试完成的，这是从 24 小时开始的自由收缩测试。我真正想强调的是，当我们讨论高性能混凝土时，仅仅因为你在浇筑混凝土到模板后 24 小时才开始测量，并不意味着混凝土也休息了这段时间。如果你测量这段时间内发生的自生收缩，你会看到这是被遗漏的收缩量，而混凝土还在模板中。我想提出的是，这种自生收缩在整个截面上是均匀发生的。如果我们只是喷涂一层膜，这种自生收缩也不会被考虑，因为它不是由于蒸发，而是由于化学收缩和自干燥。我还想指出，如果你加上这 250 微米，这条线就变得非常平坦，我们看到收缩与水灰比的关系并不像这个图表让我们相信的那样，而是更多与水泥含量和水含量有关。很多人为了获得更高的强度会增加水泥浆含量，这意味着整体系统中收缩会增加。所以，我想强调的关键是，高性能混凝土是我们不应该追求的吗？不是，但我们需要理解的是，随着我们追求更高强度的混凝土，模量上升，这不一定是好事；蠕变下降，这也不一定是好事；收缩并不像我们想象的那样减少，材料变得更脆，所以我们有了一个更容易发生早期开裂的系统。

现在我还不打算谈温度部分，我会稍后再谈。但对于我们正在研究的混凝土，这是我们在普通混凝土中看到的收缩。到大约 6 天时，系统中已经内置了 300 微米的收缩。这是内部养护混凝土，正如我们早些时候在会议中谈到的，这种收缩减少和轻微膨胀是由于我们将水从轻质骨料移到水泥浆中，保持水泥浆内的孔隙充满。通过保持水泥浆内的孔隙充满，我们不会产生毛细应力，这些毛细应力正是我们看到的宏观收缩的原因。所以，我们可以说水泥浆的收缩基本上与混凝土的湿润程度有关，即饱和度，但也与空孔的大小有关。如果我们保持所有孔隙充满，保持大孔充满，我们可以显著减少收缩，这就是我们在图表中看到的。在内部养护混凝土中，我们看到早期有轻微的膨胀或肿胀，然后在混凝土浇筑的第一周内几乎没有收缩。

这对桥面的其他属性有什么好处呢？我想简要谈谈这如何也对我们可能看到的热效应有所贡献。除了使用环形测试来监测干燥收缩或自生收缩外，我们实际上要做的是使用一个测试，我们将约束混凝土，然后尝试让混凝土经历不同的温度循环。我们在这里真正关注的是两个问题：一是如果我们降低温度，我们可以看到系统中还有多少残余应力容量，我们需要降低多少温度才会使其开裂。如果你从一个非常实用的角度考虑这个问题，这是我们经常试图回答的问题，很多时候在两三天后，我们开始移除模板，移除一些养护毯，开始做一些事情。现在会发生什么？在我们得到这些特定元素的开裂之前，我们能承受多大的温度下降？这是一个环形测试，正如我们讨论过的 ASTM 1581，这个测试有两个主要区别：你会注意到这个测试有两个环，一个内环和一个外环，内环用于收缩，外环用于膨胀。正如我们之前提到的，这些混合料中可能会有一点膨胀，这是我们想捕捉的东西之一。另一件我想指出的是，这些环不是用钢制的，而是用一种特殊的钢制成的，这种钢在温度下降时尺寸变化不大，所以约束保持恒定，而混凝土在测试期间会因温度下降而想要移动。

对于我们正在研究的某些混凝土，我们可能会看到典型结果，我们将比较普通系统和内部养护系统。基本想法是，对于普通系统，我们浇筑后应力随时间缓慢积累，在 3 天时我们可以看到它们迅速上升，原因是我们在 3 天左右降低了温度。有趣的是，我们将温度降低了大约 10°C（约 20°F），系统就开裂了。如果我们对内部养护砂浆做完全相同的事情，我们看到系统中有一些应力积累，但远不如普通系统那么多。现在我们在 3 天左右降低温度，我们看到系统中可以承受的应力量显著增加，而不是 10°C 或 20°F 的温度下降，我们需要 27°C 的温度下降才会开裂。突然之间，我们得到了一个在早期对开裂更鲁棒的系统。这非常重要的一个原因是，我们在样本中有很大的温度差异，一方面是因为我们向大气散失热量，但也有样本中水化热的积累。所以，增加一点额外的容量真的可以大大帮助我们。我还要指出的是，这两个系统中应力发展的速率并不相同，这部分是由于一个系统更饱和，部分是由于我们使用轻质骨料系统，弹性模量略低。所以，现在我们实际上甚至可以减少应力发展的速率，因为热膨胀系数随着饱和度的增加而下降，而且因为我们有一个稍微更柔顺的系统，我们可以在不同年龄进行这种测试，我们可以真正追踪出一些包络线，这些包络线给出了系统中总的储备容量，所以我们可以看到我们可能能够承受多少额外的加载或温度波动。

现在我想做的是，我认为这是向前迈出的下一步，我们真正试图将两件事情结合起来，我们试图同时看待收缩和腐蚀效应。所以这里的想法是，我们知道内部养护能有效减少收缩，我们早些时候谈到它能有效减少一些传输属性，我们会在今天下午晚些时候看到，有几场演讲会开始讨论这个。我们要做的是使用一个全尺寸平板几何体，安装了带传感器的钢筋，开始观察这两个系统中腐蚀是如何发生的。结果旨在更好地理解内部养护如何真正改变使用寿命，因为这两个组成部分单独来看都不能完全捕捉行为。所以这里的想法是，我们将放置一个普通系统和一个内部养护系统，这是我今天要谈的两个系统，它们在一个受约束的元素上，大约 14 英尺长（5 米长），这是一个相当大的梁，我稍后会给你尺寸，但它是一个非常非常非常刚性的元素，所以我们在系统中有一个高度的约束，我们将在中心放置一根带传感器的钢筋，这样我们就可以开始监测一些关于腐蚀的事情。

这里有一些细节，这是一个高度仪器的 W12 x 210 梁，所以这是一个非常非常刚性的梁，两端加宽加深，以确保有足够的约束，我们将两端用螺栓固定并绑紧，在这种特定情况下，由于我们使用的是带传感器的钢筋，我们在中心放了轻微的楔子，因为我们想要控制裂缝如果形成会在哪里形成，我们真正关注的不只是裂缝的宽度，我们认为除了宽度之外，最重要的事情之一是沿着钢筋长度的粘结有多少，因为如果我们沿着钢筋长度有粘结，氯离子可以沿着钢筋长度很快移动并开始腐蚀系统中发生的大量钢筋。正如我之前提到的，这是一根带传感器的钢筋，这意味着我们拿了一根 6 号 60 级钢筋，我们基本上把它放进中心部分，两端有螺纹，这根钢筋的 15 英寸部分实际上已经被挖空，所以我们钻出了钢筋的中心部分，并放置了不同的小型传感器，这些传感器将被磨平到表面，我们可以监测这些针脚的腐蚀，所以我们可以看到腐蚀从表面向后延伸多远。这里的整个想法是我们挖空了这个，并尽量保持最小的温度钢，所以我们有大约 28 个传感器，大约每英寸间隔一个，当我们从裂缝表面向后移动时，我们将在系统中进行腐蚀监测。

我们将使用一个参考电极，我们使用的是不锈钢参考电极，在这个测试期间一直保持相对稳定。我们将在这里多谈谈一些结果。我真正想指出的一件事，也许是最值得注意的第一件事，我们可以看绿色线和蓝色线，绿色是内部养护混合料，蓝色是普通混合料。内部养护混合料由于膨胀和肿胀处于轻微压缩状态，另一个混合料则处于拉伸状态。绿色混合料你会看到由于膨胀和温度有一点肿胀，但应力略微处于压缩状态，它们在整个测试中保持在那里。我相信大约两周后，我们开始让这些元素干燥。蓝色混合料，你可以看到数据中有几次跳跃，你可能会觉得数据中一定有什么奇怪的事情发生。这些跳跃确实是奇怪的事情，这些跳跃是裂缝。有趣的是，测量段大约 8 英尺长，我们在 8 英尺段内至少发现了三条裂缝，所以大约每 3 英尺长我们就有一个裂缝。真正有趣的是，我们设置了这个，以便我们可以实际监测我们正在发展的裂缝，监测裂缝的宽度，你会看到第一条裂缝在发展，当第二条裂缝开始形成时，你会看到裂缝变窄一点，然后又开始变宽，下一条裂缝形成，我们可以看到这种重复的模式。第二条和第三条裂缝我们没有用持续监测，但我们只是监测形成的宽度，所以我们在系统中形成的裂缝大小相当稳定。然而，我想指出的另一件事是，这并不能捕捉到钢筋的粘结有多少。当裂缝开始形成时，系统中发生了多大的开口。

正如提到的，我们将在系统中监测腐蚀，我们将使用传感器，我们将使用半电池电位，然后我们进行额外的氯化物测试。我之前提到，在这个两周期后，我们实际上在样本的中心部分上进行了积水。这个水池略大，但基本想法是我们供应了除冰盐。有趣的是，内部养护混凝土在 2.5 到 3 年后仍然没有发生腐蚀，主要原因是它们有相当厚的覆盖层，氯离子正在向钢筋渗透，但那个系统中没有裂缝。然而，普通系统有那个裂缝，我们可以看到传感器几乎立即进入腐蚀状态。真正引人注目的是，这不仅仅是裂缝处的腐蚀，我们发现腐蚀发生在离裂缝表面相当远的距离，主要是因为我们在这些裂缝点发生了脱粘。所以裂缝不是到钢筋就停止，裂缝到钢筋后我们开始沿着钢筋长度发生脱粘，这是其中的一个相当重要的组成部分。

现在，为了将这个联系回我们之前提到的一些实地情况，我们真正试图理解受约束收缩、应力发展和开裂以及腐蚀之间的相互关系。这里有一些关于氯化物渗透的信息，基本上只是看渗透深度。正如我提到的，今天下午会有几场演讲，详细讨论各种传输属性。我们看到的一个原因是由于增加了水化反应，由于界面过渡区的断开，我们在内部养护的系统中得到了更少的氯化物传输。这为这个特定系统提供了一些信息。

现在，这如何与我们在实践中看到的一些东西联系起来呢？这里有两个桥梁的例子，这些桥梁是同时浇筑的，相隔一天，同一个承包商，同样的原材料，同一个施工队，一个是普通桥面，一个是内部养护桥面。普通系统的强度再次高出大约 10% 到 15%，内部养护系统的传输属性略低，大约低 10%，但真正推动我们认为这有潜力改变使用寿命的证据是，我们回到桥面观察，随着时间推移，普通桥面有三条裂缝，我会说裂缝宽度相当大，而内部养护桥面没有裂缝。这是否意味着你应该期望每个内部养护桥面都没有裂缝？我想说不是，那是相当不现实的，但我们在这里绝对可以看到裂缝数量的显著减少，这些特定案例是同一个承包商，同一个工厂，同一个地点，我们唯一做的是用轻质骨料替换了大约 25% 的沙子。

总之，整个内容真正集中在低水灰比高性能混合料可能更容易开裂的想法上，这是由于自干燥和热收缩引起的。通过使用内部养护，它允许我们减少自生收缩，通过减少自生收缩，我们增加了系统中的应力容量，这意味着我们在热开裂和加载方面有更多的鲁棒性，可能让我们更好地度过最初的 2 到 3 周。内部养护减少了传输，我们开始了一个项目，在这里研究这些大型平板，同时调查开裂和传输，将这两者结合起来。带传感器的钢筋帮助了我们，因为它不仅确定了腐蚀开始的年龄或系统中发生腐蚀的事实，我们还能看到沿界面分布的情况，这可能比最初想象的离裂缝更远。关键是，普通系统在几个位置迅速进入腐蚀状态，内部养护的下一个没有裂缝，目前仍在监测中。有了这些，我将把发言权交还给安东。

谢谢你，杰森。我们还有时间回答几个问题。有没有什么问题？

请提问。

你会说最佳混合料是什么？在这种情况下是否建议这样做？

有几种方法可以回答这个问题。当我们谈论什么是最佳时，我想说的是我们可以使用多种内部养护剂来达到我们的目标。我们发现使用多种轻质骨料、膨胀轻质骨料都很成功，正如我提到的，我们测试了所有这些，区别在于根据吸收能力使用略不同的比例。你可能最初认为低吸收骨料在这方面不如其他的好，但事实并非如此，因为你最终会使用更多一点，但它在系统中分布得更好，所以它迫使你得到一个分布更均匀的系统。我不会争辩说 12% 的骨料比 14% 的骨料好很多，我不认为有这样的差别。我会让卖 12% 和 14% 骨料的销售人员自己去争论这个。我认为所有这些都有效。我认为真正的甜点在于，你可以选择这些高性能混合料，因为你有内部养护的好处，所以现在你可以方便、安全地推出像含硅灰的 0.36 水灰比的东西，你可以真正减少你的传输属性，你不必那么担心热开裂或自生开裂，因为你基本上已经消除了这个问题。你能减少厚度吗？我认为可以开始减少厚度，但这取决于你的限制是什么。如果你的厚度限制真的是由覆盖深度驱动的，那么你需要做计算来弄清楚，如果我有一个更密的混凝土，这与 0.45 水灰比有什么关系，你可以从中获得一些东西，但这不是我们真正关注的方向。我们一直在说，我能不能把一个 25 年需要更换或翻新的桥面变成一个解决方案。这很有趣。谢谢。还有其他问题吗？

请提问。我认为你提到了一些让我感兴趣的东西，当你谈到传输属性时，无论是通过裂缝的传输还是通过界面的传输，这不是通过其他方法发现的，我认为这是一个很棒的发现，能否请你多谈谈这个？

实际上，我们开始关注这个问题时，我们已经监测裂缝宽度相当长一段时间了。我们真正开始做的是与丹麦技术大学合作，我们实际上能够开始成像钢筋沿线发生的事情。有趣的是，我们很多时候关注裂缝的宽度，但真正有趣的地方是，当你得到裂缝宽度时，它开始稳定，但你开始发生脱粘，这就是我们真正开始开发沿钢筋使用传感器的想法的地方，因为这开始解释了很多我们仅通过观察裂缝宽度无法解释的事情。所以，你可以有两个裂缝宽度，不同的覆盖层，裂缝宽度相同，但行为完全不同。我相信其中一个原因可能是这种脱粘，我认为这种脱粘真的很重要，因为它允许氯离子沿着钢筋迁移相当大的距离。最初两三次我们看到数据时，它是一个相当大的距离。我的第二个问题是，这与直径有什么关系？在这个案例中，这有点像我们在看的一个小样本，你可能没有意识到，钻出这些钢筋并放置这些传感器，不是我们会在很多桥面上做的事情，因为这需要一点时间，但几乎每次我们看到至少 4 到 6 英寸，甚至更远，但这也取决于加载。如果加载保持低，应力保持低，裂缝可能只是到钢筋，轻微脱粘，但在我们研究的案例中，脱粘远不止这些，我们现在有一个研究，观察应力水平和裂缝宽度之间的关系。我不会说它们会继续发展，但我知道它们不会倒退，所以只会变得更糟。

还有其他问题吗？

最后一个问题。我在试图理解早期阶段的蠕变模量，在什么年龄高强度混合料与普通混合料的模量实际上会有显著差异？

差异是内置在系统中的。如果你比较一个 30 MPa 的混合料和一个 100 MPa 的混合料，从很早就开始模量就不同，因为你有一个更密的系统，更多的是水化，所以早期的模量差别很大。我认为在这个案例中很重要的一点是，我知道在我的本科阶段，总是被灌输低蠕变、低蠕变、低蠕变，因为你通常在看柱子缩短之类的东西。在这个特定案例中，蠕变不一定是坏事，我们利用它放松系统中应力的能力。所以，当我们使用更高强度的混凝土时，我们使它更硬，所以它更不柔顺，我们必须在系统中加入更多应力来维持零位移，然后我们得不到太多的松弛，但高模量从一开始就存在。一些改变这些属性的其他方法是使用反应不那么快的材料，所以如果你开始替换一些你的水泥渣，你可以减缓这种发展并利用其中的一些，但这是一个替代方法，但这是一个非常好的方法。非常感谢。

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