摘 要

高强与超高性能化是混凝土建筑材料发展的重要方向，但较低的水胶比导致其存在早期自干燥程度高、易收缩开裂等工程问题。内养护技术可以解决低水胶比混凝土的早期开 裂问题，因此可以显著提高耐久性。这引起了研究者的重视，他们改变原有的研究思路，将研究的尺度进一步细化，从微观层面审视混凝土。采用高吸水树脂(SAP)内养护技术可以从混凝土内部独立提供水源，改善混凝士内部的湿度场，提高混凝土内部的含湿量，从而有效地拧制混凝士收缩裂缝的产生，为解决混凝土收缩及开裂提供了非常好的思路与工程解决手段。但是由于复杂、多变的情况，内养护材料在混凝土中吸释水过程吸释水机理的研究至今没有明确，在应用中缺乏理论指导，难以稳定控制，造成实际使用效果并不理想，从而阻碍了内养护混凝土技术的发展及工程应用。

本文介绍了内养护技术在国内外的研究历史与现今发展状态，针对内养护材料弹性模量计算与预测的难题，基于最大密实理论和有机-无机复合材料理论，建立微细观有限元模型，计算机模拟加载并预测其弹性模量，通过实验测试结果对比分析，提出预测SAP内养护轻质混凝土弹性模量的单核简易模型，进一步完成关键微细观参数的敏感性分析。

关键词：高吸水树脂(SAP)，最大密实理论，界面过渡区，内养护

Abstract

The high strength and super-high performance are the important development direction of the concrete material, but the lower water-glue ratio results in the problems of high early self-drying degree, easy shrinkage cracking and other engineering problems. This has prompted the researchers to change the original research thinking, to refine the scale of the study and to examine the concrete from the micro level. the water source can be independently provided from the interior of the concrete by adopting the curing technology in the super absorbent resin (SAP), the humidity field inside the concrete is improved, the moisture content inside the concrete can be improved, and provides a very good thinking and engineering solution for solving the shrinkage and cracking of the concrete. but internal curing The process of absorbing and releasing water in concrete is complex and changeable. Due to the unclear mechanism of water absorption and release, the lack of theoretical guidance in application, it is difficult to control stably, resulting in the actual application effect is not ideal. This hinders the development and engineering application of internal curing concrete technology.

In this paper, the history and present situation of the domestic and foreign curing technology are described, and the problem of the calculation and prediction of the elastic modulus of the internal curing material is discussed. Based on the theory of the maximum density and the theory of the organic-inorganic composite material, the finite element model of the micro-view is set up, the load calculation is simulated and the elastic modulus is predicted. A simple model for predicting the elastic modulus of light concrete in SAP was put forward by comparison and analysis of the experimental results. The sensitivity analysis of the key micro-parameters was further completed.

Key Words：Super-absorbent polymers (SAP)，Maximum dense theory, interface transition zone, internal maintenance

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 研究目的及意义 3

1.4 课题研究内容 3

第2章 单含单颗树脂集料试块的建模方法 5

2.1 实验思路 5

2.2对样品进行建模 8

第3章 有限元分析单颗树脂集料对试块弹性模量的影响 9

3.1 实地测试试块的力学性能 9

3.2 负中心质效应对弹性模量的影响 11

第4章 运用数值模拟分析集料空间分布对树脂集料混凝土性能的影响 12

第5章 混凝土水平受压应力-应变-弹性模量分析 14

第6章 结论 16

绪论

本文主要从项目研究背景、项目研究目的、项目研究意义、国内外研究现状、课题研究内容及预期目标几个方面进行简单的相关的阐述。

1.1研究背景

混凝土是当前工程建筑行业领域极其关键的土木工程建筑材料之一，而高性能混凝土被广泛应用于各种重要混凝土建筑物上，成为颇具应用前景的新型材料。

一般我们认为，超高强度混凝土材料具有优秀的耐久性能，降低混凝土水胶比以提高混凝土强度是一种常用手段。但在一定的掺量下，添加内养护剂将会降低混凝土强度。问题是，较低的水胶比经常导致其抗裂性能下降。如果引起局部开裂，由此高耐久性便无从保障。所以阻止开裂和控制裂缝是确保HSC有较高耐久性的重要前提和基础。据大致预测，在以后的一个世纪甚至更长的时间内，混凝土将依旧是非常重要的土木工程建筑材料，而高性能混凝土（HPC）将长期占据主要地位^[1]。由于良好的耐久性、高流动性、工作性能及力学性能，高性能混凝土在高层及超高层建筑物、大跨度以及特大跨度桥梁、海岸建筑及军事防御系统工程等特殊大型工程中有特别的优势^[1,2]。虽然高性能混凝土特殊的原材料特点使其许多性能均优于普通混凝土，但是也因此导致了一些固有的问题有待进一步解决，比如高性能混凝土比普通混凝土有更高的胶凝材料用量，更低的水胶比，更高的砂率^[2]。Jin—Keum Kim研究了高性能混凝土早期的内部相对湿度分布，结果表明，低水灰比混凝土的白干燥对混凝土内部湿度分布有着显著影响，而且影响程度随着水灰比的降低而增强^[3]。普通混凝土的水胶比通常来说大于0.38，而高性能混凝土（HPC）的水胶比一般介于0.21和0.37之间，这并不能满足水泥的充分水化需要^[4]。

高性能混凝土较高的胶凝材料用量及较低的水胶比决定了其早期水化快、自干燥程度高、自收缩大的特点^[5]，但是会带来一些难题，比如投入使用早期稳定性较差、容易开裂等。此外，因为HPC较低的水胶比以及结构较为密集的特点，导致外来水分难以进入混凝土的内部，导致了内部环境较低的相对湿度，初期维护不充分时失水开裂的问题将更加的严重。而收缩开裂将引发结构性渗漏、外部侵蚀、强度降低、稳定性不足等系列有待解决的难题，甚至严重阻碍高强度混凝土结构的长期限工作能力。针对上述几个问题我们可以认为，开展高性能混凝土的减缩抗裂研究系列实验具有重要的实践意义。

混凝土的内养护技术是指在混凝土中加入一种或多种具有吸收水、蓄存水、释放水功能的组分作为内养护剂，它能够均匀地分布于混凝土中，从而引入水化反应所需的额外的水分，起到如同内部蓄水池的重要作用。

随着水泥水化的进行，混凝土内会出现不同程度的湿度差，轻集料中的水分首先依靠毛细管吸力被传送至水泥浆体，然后通过水蒸汽扩散作用向四周转移，这使得水化反应能

够连续不间断地进行。若内部湿度持续在高水平状态，就可以起到有效降低自收缩和干燥收缩的作用，新的水化产物则会填充混凝土中的空隙或微裂缝中，使硬化水泥浆体结构更加密实，微裂缝更少。当混凝土水化过程中出现内部相对湿度下降状况，水化反应所需水分供应不能满足需要时，养护剂中的水分便释放出来，可以起到补给反应的效果，使混凝土内部湿度保持在较高水平之上。因此能够有效抑制自收缩和干燥收缩的程度。

除此之外，在不便进行人工养护的干燥室外施工条件下，内养护技术也能够在一定程度上缓解开裂等问题。在混凝土中掺入内养护材料，这种材料通过先吸水再释放水这个过程对混凝土的内养护具有积极的作用。

相关研究表明，内养护对缓解混凝土早期开裂问题具有显著作用^[5,6]。高吸水树脂(SAP)是一类集吸水率高、易失水、加入混凝土后对其强度影响不大等许多特点于一身的一种理想的内养护添加材料。

图一 SAP材料颗粒 图二 SAP混凝土施工

1.2 国内外研究现状

高吸水树脂是一种能吸收水分达自身重量数十倍甚至数百倍，保水能力优秀的新型有机高分子材料，因此被广泛应用于卫生用品制作、工业农业生产、土木工程建设等各个应用领域。高吸水树脂材料与水泥水化胶结骨料而形成的无机人造建筑材料原本属于两个不同领域，却被创新性的结合在一起，构成了混凝土内养护领域一个备受关注的研究方向，即SAP内养护^[7]。

1947年,Bentz.D.P指出,轻集料自身材料及表面孔隙特性可以吸附部分自由水，待水泥后期水化使用。1957年，Shidler认为，在水泥混凝土中采用预湿轻质集料，可以有效提高体积稳定性以及减少混凝土自收缩。1991年,Philleo第一次提出混凝土内养护概念^[8]。2001年，美国混凝土学会定义内养护为“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”^[9]。2003年，国际材料与结构研究实验联合会将内养护定义为“向混凝土内引入能够作为养护的水，从而解决水化反应缺水问题，防止混凝土开裂”，研究指出如果粗集料全部使用粒径为4.75~9.5mm的预湿轻集料，约70%的水泥浆体能够进行吸水养护，但轻集料自身强度较低，在集料中比例过大容易造成混凝土力学性能、工作性能等损失。而SAP内养护技术则被认为是更为有效的方法，高吸水树脂中含有强亲水性基团以及三维网络结构，在混凝土内部强碱性环境中可以吸收自身质量十几倍甚至几十倍的自由水。由于内养护材料中孔径大于水泥基材中毛细孔径，因而水将从内养护材料中逐渐向硬化水泥浆体区域发生迁移．这就是内养护技术从施工到固化的整个流程。

目前，SAP作为一种功能型添加剂用于低水胶比水泥基材料中，已发展15年有余，引起了世界各地研究者们的广泛兴趣，其甚至还被用来实现混凝土裂缝自愈合，SAP显著优势在于它远高于其他物质的吸水率，因此其在掺量较小的情况下能引入较多的内养护水，但实际上从总体来看，SAP内养护技术当前依然大部分处于实验室科研论证阶段，在工程领域里的实际应用示例不多，尤特别在中大型工程建设中的采用更少。

截至目前，SAP内养护理论研究中尚有许多机理没有明确的研究成果和结论，甚至还有研究空白等待进一步实验验证。

1.3 研究目的及意义

高强度与超高性能化是混凝土材料的重要研究与发展方向，然而由于较低的水胶比，其早期自干燥程度较高、容易收缩开裂等工程难题依然无法解决。自收缩和干燥收缩是造成混凝土早期开裂的一类主要原因，二者均由水泥石的水分消耗引起，产生动力都是由毛细孔弯液面造成的毛细孔负压^[10]。

2001年，美国混凝土协会(ACI)将内养护定义为在混凝土中引入一种集水材料组分作为养护剂，均匀地分散在混凝土中，可以起到内部蓄水池的作用^[11]。当混凝土水化反应过程中出现水分不足，反应无法继续的情况时，养护剂中的水分便会被释放出来提供水化所需水分，混凝土的水化反应得以继续进行。由以上可得，SAP储水颗粒在混凝土浆体内的存在状态，尤其是SAP在水泥基体内部水分迁移机制的变化，对内养护混凝土性能的提升有很大的影响。SAP的出现为解决高强度、低水胶比的混凝土早期收缩开裂等相关问题提供了关键的技术解决途径。

图3 高吸水树脂吸水过程示意图^[13]

但是内养护材料在混凝土中吸收和释放水分过程复杂且多变。由于吸释水机理不研究不深入，在实际应用中缺乏理论指导，作用效果难以稳定控制，造成实际使用结果并不理想，从而阻碍了内养护混凝土技术的发展及工程应用。例如养护水的缓慢释放过程、释水诱导机制与内养护效能的综合效果、各类微观成分之间存在的实际联系；内部储存的水分在什么状态下释放会产生更佳的养护效果；SAP在不同阶段的水分释放比例怎么描述，水分在缓慢释放的过程里SAP界面过渡区怎样形成等。

近年来，各国采用较多的混凝土内养护技术有代表性的主要有饱水轻集料和高吸水树脂材料（SAP）两种，而国内所用大多数是聚丙烯酸系。饱水轻集料(LWA)采用较早，但饱水轻集料(LWA)常常出现工作性能变差、集料上浮，强度、弹性模量明显下降等一系列技术困难。且其掺量很小，在解决早期收缩开裂和耐久性问题的同时，强度不会受到很大的影响，甚至在控制SAP粒径和掺量后混凝土的抗压强度还能有所增加^[12]。

超吸收性聚合物（SAP）可以为多孔水泥基材料的设计带来很大的灵活性，由于对聚合物吸收性的基本了解，可以定制孔结构，所得孔的具体形态具有改善低密度水泥基材料的机械性能的高潜力。

随着SAP内养护技术在工程领域的应用越来越广泛，有待解决的问题正在逐渐增多。计算机由于其强大的计算以及模拟能力，在复合材料设计中越来越成为高效的工具，它们允许分析更复杂的形态并模拟非线性成分行为，同时提供更简单的方法来解释局部变形和失效机制。因此开展微机械模型的分析可以补充预测异质材料的最终性质的实验任务，从而减少了有利于材料开发的所需实验工作。该预测的准确性将取决于建模形态的精确度，考虑每种成分的材料模型，边界条件和网格尺寸。

1.4 课题研究内容

高吸水树脂(SAP)内养护技术可以从混凝土内部独立提供水源，为解决混凝土收缩及开裂提供了非常好的思路与工程解决手段。本项目针对其弹性模量计算与预测的难题，基于最大密实理论和有机-无机复合材料理论，建立有限元方法（FEM）微细观有限元模型，模拟加载计算并预测其弹性模量，通过实验测试结果对比分析，提出预测SAP内养护轻质混凝土弹性模量的简易模型，进一步完成关键微细观参数的敏感性分析。

第二章 单颗树脂集料试块的建模方法

在宏观层面对混凝土强度研究一般认为混凝土是一种均质材料，许多经典力学研究成果都是建立在这种假设下获得的。从细观层面来看，普通混凝土是由粗集料、水泥石以及粗集料与水泥石之间的界面构成的。混凝土的强度很大程度上受制于界面过渡区。普通混凝土内部集料-砂浆基体界面过渡区的厚度一般为100mu;m以下，这一区域往往成为富水区而导致水泥浆体内的氢氧化钙在界面过渡区结晶生长，导致界面过渡区的强度低于水泥石基体以及集料，成为混凝土中的薄弱一环。这一论点已被广大研究学者证实，例如观察低强度等级混凝土的断面，集料形状都保持完整，混凝土破坏的裂纹沿着界面过渡区进行扩展^[13]，而树脂集料所形成的界面过渡区与传统混凝土内的界面过渡区存在着本质的区别，树脂集料周边会形成水化程度高、力学性能优于空白基体的“拱壳结构”，在建模时需要注意与传统界面过渡区的差异。

2.1 SAP界面过渡区

本研究中采用将单颗球形吸水树脂集料固定在体心位置的试验方法，研究单颗树脂集料对试块性能的影响，在建模过程可以省去集料的空间分布建模、集料颗粒级配建模以及颗粒形态建模这几个步骤^[14]。内养护混凝土与普通混凝土微观结构的主要差别在于轻细骨料内部孔隙特点以及骨料与浆体的界面过渡区特性。在普通混凝土的建模过程中，上述几个步骤是十分重要的环节，对于界面过渡区性质的建模反而成为次要环节，仅对界面过渡区的力学性能数值进行劣化处理，如图3所示。在本课题的研究中，数值集料周边界面过渡区的性质却是至关重要的：首先，界面过渡区是树脂集料混凝土强度的来源，对界面过渡区的力学性能赋值需要慎重对待；此外，树脂集料形成的界面过渡区范围广，建模过程中同样需要注意界面过渡区的尺寸；最后，界面过渡区的力学参数是由孔洞向空白基体逐渐衰减的，单一的界面过渡区力学性能参数不再合适，怎样在建模中反映这种衰减变化是建模过程中必须注意的问题。

图4 普通集料(左图)与树脂集料(右图)周边的界面过渡区对比示意图