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文献精读 J. Build. Eng. ：改善水泥基材料干燥收缩方法的综述  背景介绍 收缩是水泥基材料的固有特性，发生在塑性和硬化阶段。收缩过程中材料不均匀变形引起的拉伸应力会导致开裂，从而造成有害物质（氯化物、硫酸盐等）的渗入，对结构的耐久性带来负面影响。因此，抑制混凝土收缩变形有利于改善混凝土结构的耐久性，减少修复成本。 混凝土的收缩分为塑性收缩、自收缩、干燥收缩和碳化收缩等。对于水灰比（w/c）超过0.4的传统浇筑混凝土，干燥收缩的大小占主导地位。多孔介质（如胶凝材料）的干燥收缩是多孔结构内部水分损失的结果。因此，混凝土中干燥收缩的大小与养护方式、孔径分布、孔隙水含量以及微观结构中水化产物的形态密切相关。许多学者采用各种方法以减轻干燥收缩。一般来说，控制干燥收缩的主要方法包括减小毛细孔壁上的拉伸应力，保持内部相对湿度使微观结构致密化并提高刚度，以及连接混凝土构件以抑制收缩引起的拉伸应力。 研究出发点 目前，已经开发了各种技术来防止水泥基材料的收缩变形。已经有文章对主要收缩类别进行了综述，包括最近的塑性收缩、高性能混凝土的自收缩、碳化收缩和干燥收缩预测模型等。然而，对于现有各种方法在避免随时间变化变形方面的效率缺乏全面的了解。 全文速览 澳大利亚墨尔本皇家理工大学Nghia P.Tran课题组对干燥收缩的改善方法进行批判性综述，针对每种方法、结果和效率提供系统的评价；根据相对湿度的具体范围，对水分迁移的机理也进行了综述；基于本文讨论的内容，对未来研究问题进行了展望。本文将有助于学者和工程人员理解改善干燥收缩的各种方法的影响程度和潜在应用。相关论文以“A critical review on drying shrinkage mitigation strategies in cement-based materials”为题，于2021年发表在Journal of Building Engineering上。 图文解析 （1）用矿物掺合料或粉末代替水泥 用矿物掺合料部分替代水泥，在补偿混凝土宏观收缩方面提供了一些有益的效果。未反应的火山灰颗粒作为微骨料填充孔隙，阻止内部水分损失。当粉煤灰的含量超过60%时，水分保持时间可长达7天，从而减少干燥收缩。值得注意的是，用低钙粉煤灰（即F级）替换水泥可降低混凝土的水化速率，因此表现出较低的干缩程度。在养护期间，矿物掺合料和氢氧化钙之间的火山灰反应也可以改善混凝土的孔结构，提高混凝土的刚度，从而抵抗干燥收缩变形。对于磨细高炉矿渣的使用，不同的学者观察到了矛盾的结果。 此外，具有球形和光滑表面的粉煤灰和硅灰有助于降低颗粒间摩擦，降低絮凝能量，并与水泥颗粒相互作用。球形粉煤灰有助于减少接触面积，润滑粗糙的水泥颗粒，从而使团聚水泥颗粒之间吸力衰减（图1a）。同时，平均粒径范围为0.1–0.3μm的硅灰，远低于平均水泥粒径，可填充水泥颗粒间的空隙，以增加水泥颗粒的填充和流动性（图1b）。因此，此类矿物掺合料的存在有助于释放滞留的自由水，同时有助于水泥颗粒的良好分散。此外，填充水变为颗粒表面的水膜层，这有助于保持水分。  图1（a）粉煤灰；（b）硅灰的塑化作用 使用小剂量分散良好的纳米二氧化硅在控制干燥收缩方面也显示出一定的效果。由于纳米级SCM的成核效应为水化产物相的沉淀和生长提供了成核位点，从而使微观结构致密化。这有助于抵抗干燥收缩变形。然而，高剂量具有较大比表面积的纳米颗粒对体积变形产生不利影响，尤其是早期收缩，这是由水化作用的加速和细孔隙结构的高毛细张力导致的。  图2 界面过渡区（a）含0%纳米二氧化硅；（b）含6%纳米二氧化硅 如表1所示，其他矿物掺合料在长期收缩改善方面也表现出不错的效果。总的来说，矿物掺合料由于其填充效应、微骨料功能和孔隙细化功能，已被证明为限制干燥收缩的良好方法之一。 表1 采用SCM代替部分水泥降低干燥收缩相关研究  （2）加入惰性碳基纳米材料作为增强添加剂 与其他纳米颗粒火山灰材料（如纳米二氧化硅）相比，碳基纳米材料的一个显著特征是在所有维度上改变形态结构。一维碳纳米管（CNT）可以在纳米尺度上提供桥接效应，以增强C–S–H凝胶抵抗变形应力；20–40 nm的碳基纳米材料还可以为水化产物提供成核效应以增加密度，并作为填料细化50 nm以下的孔隙结构，从而减少毛细应力和干燥收缩。  图3 碳纳米管与水化产物的相互作用 GO的存在改变了水泥水化产物的结晶，改善了干燥收缩。GO纳米片与水泥水化产物反应，可在孔隙和微裂缝中形成花状晶体，有助于形成更致密的结构；此外，在界面处，GOs与水泥基质形成强键；也有报道称，GO的分子结构中，GO表面的富氧官能团（–OH和–COOH）具有较高的水滞留能力，从而产生水传输通道，降低了早期水灰比，且在后期释放水分，从而形成致密的微观结构以减弱干燥收缩。 如表2所示，加入碳基纳米材料对水泥基材料干燥收缩的影响显示出相对良好的效果。 表2 碳基纳米材料改善干燥收缩相关研究  （3）增加内部约束 骨料类型和特性对收缩产生影响。用低弹性模量、高孔隙体积或高吸水率的替代骨料（再生混凝土骨料、塑料或橡胶）替代传统粗骨料，可能会增加干燥收缩变形。纤维的存在可促进基体和纤维之间的应力转移，抵抗水泥基体的尺寸变化。 聚丙烯（PP）纤维的疏水特性以及光滑表面，通过将内部水分排斥到外部环境，加速水分蒸发，从而导致更高的水分损失和收缩变形，而水泥基复合材料中若存在具有高比表面积的微尺度的SCM，会吸收PP纤维表面上排斥的自由水，再结合PP纤维抵抗变形的桥接效应，减少了水分损失和干燥收缩。 聚丙烯腈（PAN）微纤维对干燥收缩有明显的改善作用。如图4所示，这种微纤维的存在不仅提供了内部抑制作用，保持了自由水和吸附水，而且还提供了水化产物的成核点，加强了微观结构，从而有效地减少了干燥收缩变形。 PVA等亲水性纤维，对干燥收缩有不利影响，通过这种亲水性，吸水纤维网络更有可能形成内部通道以迁移水分，尤其是在早期，从而导致更高的收缩变形。  图4微纤维在保水方面的作用：（a-d）无纤维；（e-h）含纤维 （4）降低表面张力 减缩外加剂（SRA）主要由两亲性（即表面活性剂）分子组成。当与极性溶剂（如水）相互作用时，孔隙流体中可能存在分散形式的SRA（图5）。SRA主要通过相邻分子极性端之间的静电斥力（即氢键相互作用）吸附在液-气界面上。吸收的SRA分子可调节表面张力并防止水分损失。吸附在液-固界面（即水化产物、水泥颗粒）上的SRA分子也会导致固体凝胶颗粒的表面自由能降低。由于SRA分子的表面活性剂性质，抑制K+和Na+离子从固体颗粒表面溶解，从而导致孔隙溶液中的离子浓度降低，并延迟水泥水化。应注意的是，高剂量的SRA对混凝土强度产生不利影响。  图5 水泥基材料中SRA与孔隙溶液相互作用时的存在形式 （5）膨胀水化产物的形成 膨胀水化产物来源于膨胀添加剂（EA）和水之间的化学反应，使混凝土的宏观体积膨胀，从而补偿干燥收缩变形。根据膨胀的来源，膨胀添加剂可分为铁粉、氧化铝粉、氧化镁（MgO）、氧化钙（CaO）和硫铝酸盐钙（CaO–Al3O2–SO3）。 （6）塑性/粘度改性 高效减水剂（SP）通过静电排斥和空间位阻作用，释放絮凝水泥颗粒中滞留的水，可以细化孔隙结构，延缓水泥水化，提高抗干缩性。然而，高SP剂量带来更细的孔隙分布，早期干燥收缩率较高。尽管如此，含有聚羧酸减水剂的混凝土表现出更好的性能，具有较低的孔隙率、较低的大孔连通性、毛细管壁表面张力的降低以及水分迁移的抑制。应该强调的是，高效减水剂的缓凝作用可抑制纳米SCM的水化，从而有助于抑制对干燥收缩的负面影响。 （7）湿度控制和养护制度 湿度控制在水化产物、微裂纹和孔隙网络的形成中起着重要作用，这些都会影响混凝土的干燥收缩程度。早期干燥容易导致微裂纹的产生，此类微裂纹可作为水分迁移的通道，导致水含量不足。换言之，在强度发展期间，控制蒸发和充足供水可加速水化产物的形成和生长，并进一步细化毛细孔隙，从而减少长期失水，并增强刚度以抵抗干燥收缩变形。各种湿度控制技术已被用于最小化混凝土结构中的干燥收缩。湿养护技术包括内养护、常规加水养护和密封养护。 为了避免水分损失，快速碳化养护也被认为是一种创新的方法。通常，CO2的引入加速了孔隙溶液中CO32-的存在，与Ca2+离子反应形成方解石晶体。方解石的形成可能会封闭连通的孔隙并降低孔隙率，从而阻碍干燥过程中的水分损失。此外，钙离子在碳酸钙表面的吸收有助于与C–S–H凝胶建立牢固的键，从而增强韧性和抗拉强度。 对于内养护，添加预湿高吸水性聚合物（SAP）作为储水剂，有利于降低干燥收缩。然而，目前对SAP的收缩机制存在一些争议，且其对混凝土强度具有不良影响，限制了其应用和发展。 总结 （1）矿物掺合料的存在有助于控制早期的水化和水分损失，以及在后期通过火山灰反应产生额外的C–S–H凝胶。矿物掺合料添加量高达35%时，干燥收缩幅度降低5%–42%。使用60%的粉煤灰替代水泥，可减少干燥收缩50.9%。然而，由于粉煤灰的大量替代，早期强度较低。加入少量硅灰（<15%）可使干燥收缩率降低29–35%。 （2）添加惰性碳纳米管可提供增强效果，以增强C–S–H凝胶基质，一年后将干燥收缩率降低15–21%。 （3）引入变形纤维可提供优越的锚固效果，在颗粒之间形成联锁网络，与相同纤维含量的光滑直纤维相比，可抵抗7–14%的干燥收缩变形。 （4）骨料粒径和体积对最终干燥收缩率具有关键作用，大粒径骨料对减少干燥收缩具有更好的抑制作用。用塑料填料代替粗骨料会增加干燥收缩，然而，在混凝土中使用塑料颗粒作为细骨料可以将干燥收缩降低72%。 （5）使用减缩外加剂可通过减少毛细孔中弯月面的形成，进而抑制干燥收缩。将减缩外加剂的用量限制在3%以下能减少干燥收缩20–50%，同时限制对强度的负面影响。加入膨胀剂可利用膨胀产物（钙矾石、水镁石、硼镁石）补偿收缩。当膨胀剂与减缩外加剂结合时，提供了一种协同效应，可将干燥收缩降低高达80%。 （6）CO2-水耦合养护或混凝土表面涂层可防止水分损失，并在早期显著减少50–70%的干燥收缩。CO2-水耦合养护制度可减少联通孔隙，从而减少水分迁移和干燥收缩。 文献链接： https:///10.1016/j.jobe.2021.102210 |
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