轻集料内养护自密实混凝土的性能与微观结构

《Open Ceramics》：Performance and microstructure of internally cured self-compacting concrete with lightweight aggregate

　　

摘要：本研究探讨了内养护（IC）对自密实混凝土（SCC）硬化性能及微观结构性能的影响。研究人员制备了水灰比（w/c）分别为0.35、0.42和0.48的对照组SCC配合比，同时制备了相应的内养护配合比，其中按体积计15%、20%和30%的普通砂被预湿轻质膨胀黏土集料（LECA）替代。研究人员评估了力学性能（包括7天和28天抗压强度、28天抗折强度）及干燥收缩。结果表明，与对照组相比，IC-SCC配合比的抗压强度和抗折强度均有所降低，其中最大降幅（抗压强度约26%，抗折强度约42%）出现在水灰比0.48且LECA替代率为30%的配合比中。相反，添加LECA后干燥收缩显著减小，水灰比0.35且替代率为30%的配合比干燥收缩降幅高达41%。通过扫描电子显微镜（SEM）进行的微观结构分析表明，LECA周围的界面过渡区（ITZ）得到细化，水化产物使边界不再明显，且额外生成的C-S-H有助于致密化孔结构。

论文解读：轻集料内养护自密实混凝土的性能与微观结构研究

一、研究背景与问题

自密实混凝土（Self-Compacting Concrete, SCC）是一种具有高流动性和良好抗离析能力的混凝土，能够在自重作用下无需振捣即可密实，并填充模板和钢筋间隙，形成较为均匀的混凝土。然而，混凝土收缩是导致开裂的主要原因之一，严重影响结构耐久性。水泥浆体水化过程中会产生化学收缩，形成内部微细孔隙；当毛细孔水被这些孔隙吸收（自干燥）或因表面散失而蒸发时，分别引发自生收缩或干燥收缩。

内养护（Internal Curing, IC）技术通过在混凝土内部引入水分储存库，补偿自干燥或蒸发导致的水分损失，促进水化进程并减少收缩。美国混凝土学会（ACI）2010年报告指出，内养护是维持低水灰比混凝土所需相对湿度（RH）的最有效方法之一。采用预湿轻质集料（Lightweight Aggregate, LWA）作为内养护水源是常见策略，其中细轻集料因其高吸水性和内部水 reservoir 的均匀分散，对降低收缩和开裂潜力效果优于粗集料。然而，已有研究关于轻集料内养护对混凝土力学强度的影响结论不一：抗压强度可能增加、降低或不变，抗折强度通常随轻集料掺量增加而下降。此外，界面过渡区（Interfacial Transition Zone, ITZ）作为水泥浆体与集料之间的区域，其孔结构和渗透性显著影响混凝土强度与耐久性；内养护释放的水分可能促进水化产物在ITZ区域的生成，从而细化微观结构。现有文献对内养护条件下SCC的干燥收缩行为及ITZ微观结构演变机制尚缺乏系统阐释，尤其是内养护水对干燥收缩究竟是降低还是增加仍存在争议。因此，开展本研究以揭示预湿LECA作为内养护剂在SCC中的作用机理。

二、研究内容与结论

研究人员设计并制备了12组SCC配合比，包括水灰比（w/c）0.35、0.42和0.48的三组对照组，以及对应水灰比下分别用预湿LECA替代15%、20%和30%（按体积）砂的内养护组。胶凝材料由80%水泥、10%硅灰和10%石灰石粉组成。研究人员测试了各组的新拌性能（坍落扩展度、T500 mm、V型漏斗时间、J-ring、单位重量）、7天和28天抗压强度、28天抗折强度、45天干燥收缩及质量损失，并选取6组代表性配合比进行SEM微观结构分析。结果表明：内养护导致抗压和抗折强度均下降，最大降幅出现在w/c=0.48且30%替代率的配合比（抗压降低约26%，抗折降低约42%）；而干燥收缩显著降低，w/c=0.35且30%替代率时降幅达41%。SEM分析显示，LECA周围的ITZ得到细化，水化产物使边界不明显，额外C-S-H生成致密化孔结构，改善了ITZ的密实度。

三、主要技术方法

研究人员采用若干关键技术方法开展实验研究。新拌性能测试依据EFNARC规范进行，包括坍落扩展度、T500 mm时间、V型漏斗时间和J-ring测试；单位重量依据ASTM C138测定。抗压强度依据EN 12390标准对150 mm立方体试件进行7天和28天测试；抗折强度依据ASTM C78对100 mm×100 mm×500 mm棱柱体试件进行四点弯曲测试。干燥收缩依据ASTM C157对75 mm×75 mm×285 mm棱柱体试件测量45天，同时记录质量以计算蒸发速率。微观结构分析使用VEGA3 TESCAN扫描电子显微镜（SEM）对1 cm3抛光并镀金样品进行观察，放大倍率1000倍，工作电压15 kV。样本来源为12组配合比中选取的6组（SCC35、SCC42、SCC35-L20、SCC42-L20、SCC35-L30、SCC42-L30）。

四、研究结果

4.1 新拌混凝土特性

坍落扩展度和T500 mm：所有配合比的坍落扩展度在600-700 mm之间。增加w/c比时，为保持该范围而减少了高效减水剂用量，导致坍落扩展度增大、T500 mm减小。提高LECA替代率会因轻集料自重推力效应降低坍落扩展度并延长T500 mm，但LECA的预湿状态使其与水泥浆体粘结良好，未发生离析。V型漏斗时间和5分钟后V型漏斗时间：增加w/c比和LECA替代率均使这两个时间值增大，主要原因是轻集料比表面积增大导致吸水增多，以及自重推力效应。J-ring：w/c比增大使J-ring值降低，而LECA替代率增加使J-ring值增大，同样归因于自重推力效应。单位重量：提高w/c比和LECA替代率均使新拌混凝土单位重量降低，但降幅不足以达到自密实轻质混凝土程度，内养护可视为新拌SCC单位重量降低的贡献因素。

4.2 硬化混凝土力学性能

抗压强度：7天和28天抗压强度测试结果（表5和图4）显示，降低w/c比均提高抗压强度，归因于较低自由水含量降低了浆体孔隙率并增强浆体-集料粘结。掺入预湿LECA导致各龄期抗压强度系统性下降，且替代率越高降幅越大。原因包括LECA颗粒自身强度低、孔隙率高形成基体中的薄弱区，以及强天然集料体积减少。虽然饱和LECA理论上可通过内养护提供额外水分促进水化而增强强度，但本研究中LECA自身弱力学性能的不利影响占主导。大多数内养护配合比的7天强度降幅高于28天，表明多孔LECA的负面影响在水化早期最为关键。最大降幅出现在SCC48-L30配合比，7天和28天分别降低25.7%和26.4%。

抗折强度：28天抗折强度测试（图5）表明，w/c比增加使抗折强度下降，原因是自由水增多降低密实度和浆体-集料粘结力。内养护组中，LECA替代率越高，28天抗折强度降低越显著。与对照组相比，SCC35-L15、L20、L30分别下降14.3%、18.4%、28.7%；SCC42系列分别下降17.2%、22.8%、36.8%；SCC48系列分别下降17.3%、24.9%、42%。该结果与Zou等人及Liu等人的研究一致，即轻集料的多孔性和较低松散堆积密度导致力学强度下降。

4.3 干燥收缩与质量损失

干燥收缩：依据ASTM C157的45天测量结果显示，w/c比越高，干燥收缩速率越大；而内养护（增加LECA替代率）释放内部水分，补偿自由水蒸发导致的相对湿度下降，从而降低干燥收缩速率。降低w/c比并提高LECA替代率增加了水泥水化产物数量并降低浆体渗透性，进而减少干燥收缩。大部分干燥收缩发生在第一周，之后速率趋缓。以SCC35系列为例，干燥7、21、28和45天后，SCC35-L15的收缩相比对照组降低23%、10%、7%、6.9%；SCC35-L20降低33%、18%、14%、9.8%；SCC35-L30降低41%、25%、21.5%、16.6%。研究结果与部分文献一致，但以往也有报道显示内养护可能增加干燥收缩。

质量损失：干燥收缩源于混凝土内部细孔水分向环境散失。相对质量损失曲线（图7）显示，第一周蒸发速率最快，之后减慢。w/c比越高，相对质量损失越大；内养护组的相对质量损失高于对照组，且LECA替代率越高损失越大，原因是饱和LECA吸收额外水分，内养护水与自由水共同蒸发导致质量损失增加。图8显示干燥收缩与相对质量损失的关系：对照组中，w/c比越低，相同的质量损失对应更大的收缩，说明孔隙更细；内养护组曲线斜率降低，表明内养护提高了水泥水化程度并减少了细毛细孔数量。

4.4 SEM分析与内养护水机理

SEM图像（图9）对比了对照组（SCC35、SCC42）和内养护组（SCC35-L20、SCC42-L20、SCC35-L30、SCC42-L30）中水泥浆体与集料之间的ITZ。结果显示，LECA集料与水泥浆体的粘结强度高于普通集料与浆体的粘结。LECA附近ITZ的水化产物比普通集料更致密，孔隙率更低。内养护水从LECA释放后改善了ITZ区域水泥水化，促进C-S-H凝胶和CH的生成，填充外部孔隙并与多孔集料互锁，使ITZ结构致密化，边界不再明显。降低w/c比也使ITZ更致密。尽管饱和LECA因高孔隙率和低强度降低了混凝土力学性能，但ITZ的密实化改善了界面区微观结构，与干燥收缩降低的结果相互印证。

4.5 聚焦干燥收缩的理由

研究人员论述了选择干燥收缩而非自生收缩作为研究重点的依据。自生收缩发生在低水灰比混凝土中，源于水泥水化引起的自干燥和毛细管负压，不受外部湿度影响；干燥收缩则由水分向环境散失引起，受外部相对湿度、试件几何形状和养护条件强烈影响。本研究所用水灰比范围（0.35-0.48）涵盖中等偏高水平，干燥收缩是更具普遍性的工程问题，且与长期服役性能、开裂风险和耐久性直接相关。干燥收缩测试标准化程度高，便于与既有文献比较。此外，饱和LECA对自生收缩的缓解作用已被广泛认可，但其对干燥收缩的影响更为复杂，相关研究相对匮乏。本研究旨在填补这一空白，评估LECA改性SCC在实际环境湿度波动条件下的尺寸稳定性。

五、讨论与结论总结

讨论部分指出，内养护水从LECA释放后维持了混凝土内部湿度，促进水化并细化ITZ微观结构，这是干燥收缩降低的主要原因。虽然LECA导致强度下降，但其带来的收缩缓解和ITZ致密化对提高混凝土耐久性具有积极意义。研究人员总结的研究结论可概括如下：

一、饱和LECA作为流变调节剂加入SCC，其吸水能力增加了内部用水需求，但较低比重有效降低了基体单位重量，同时保持了适于复杂浇筑环境的和易性。

二、LECA的掺入使得集料自身力学性能成为控制因素，集料成为荷载传递路径中的“最薄弱环节”，强度降低在高水灰比配合比中被放大。

三、内养护作为自主水分补偿系统，通过维持内部储水促进持续水化，有效减少干燥收缩，其在低水灰比配合比中缓解效果最为显著。

四、LECA对耐久性的增强源于ITZ的致密化：局部释放的内养护水促进补充水化和二次C-S-H生成，桥接多孔集料与水泥浆体之间的空隙，形成牢固互锁界面，降低了局部孔隙率。

五、采用LECA内养护是一种工程权衡：以牺牲部分极限力学强度换取更优异的体积稳定性和耐久性，特别适用于以适用性极限状态（开裂控制和长期耐久性）而非最大承载能力为设计主控因素的基础设施应用。

该论文发表于《Open Ceramics》。