一种内外协同自养护水泥混凝土及其制备方法

本发明涉及一种水泥混凝土及其制备方法，尤其涉及一种内外协同自养护水泥混凝土及其制备方法。

背景技术：

1、水泥混凝土，是由胶凝材料、粗细骨料按适当比例混合，加水搅拌制备得到的可塑性流体，经养护后成型为一定强度的工程材料。水泥混凝土在浇筑后需进行养护作业，以保证水化过程中温度和湿度满足相应要求，促进胶凝材料水化充分反应，提高水泥混凝土的力学强度，降低水泥混凝土的收缩开裂行为和程度。

2、水泥混凝土浇筑后，受到复杂多变的环境温度和湿度的影响，导致在浇筑早期水分蒸发散失严重，表面极易产生大量自收缩和干缩裂缝。对于桥梁混凝土面板、桥墩等大尺寸的结构中，这一现象更加显著，这将进一步导致桥梁存在质量降低风险，严重影响服役期桥梁的适用性、安全性和耐久性。目前，及时高效的养护是防止水泥混凝土施工开裂的主要措施之一。

3、传统的外部养护方式诸如洒水、覆盖薄膜保湿、连续喷雾等方法仅能够实现对水泥混凝土表层进行养护，难以保证水分浸润混凝土内部，而且在干旱或者大风地区，水分蒸发迅速，传统养护效率低下。另一方面，高架桥梁混凝土开展洒水养护操作困难，且只能在浇筑早期开展，受空间和时间的限制。

4、为了缓解水泥混凝土的早期收缩开裂问题，早期加湿养护、化学养护、升降温养护、等方式也被提出，但这些方法不能从根本上解决早期缩裂，仍存在养护不彻底、减缩不及时、耗材大等弊端。另一方面，低水胶比的混凝土结构致密、渗透性差，外部养护水分不能通过渗透进入其内部，不能补充混凝土内部水分。

5、内养护技术是目前水泥混凝土的研究热点之一，其中，超吸水性聚合物(简称sap)作为一种高效减缩新材料被广泛用于水泥混凝土中。但是，额外引水量会显著影响水泥混凝土的干燥收缩，且目前额外引水量对干燥收缩的影响没有统一的结论。另一方面，内养护并不能降低混凝土早期的水分蒸发，通常需要外部洒水养护，而洒水等常规养护在高架桥等桥梁混凝土工程中难以实施。并且，采用常规的外养护技术也并不能有效降低因额外引水量带来的干燥收缩的不良影响。

技术实现思路

1、发明目的：本发明旨在提供一种保水性能好，减缩抗裂性能显著提升的内外协同自养护水泥混凝土；本发明的另一目的在于提供一种所述内外协同自养护水泥混凝土的制备方法。

2、技术方案：本发明所述的内外协同自养护水泥混凝土，在其内部掺加超吸水性树脂sap材料作为内养护材料，在其表层喷涂环氧树脂涂层wec材料作为外养护材料；以每立方米混凝土计，sap材料用量为0.63kg～2.09kg，以每平方米混凝土计，wec喷涂量为180g～300g。

3、进一步地，所述内外协同自养护水泥混凝土组分还包括胶凝材料、粗细骨料、减水剂和水。所述水包括拌和用水和sap额外引水；以每立方米混凝土计，所述胶凝材料用量为420～500kg，粗细骨料用量分别为988～1123kg和730～749kg，减水剂用量为2.8～6.3kg，拌和水用量与胶凝材料之比为(0.31～0.37)：1，sap额外引水量为16.74～27.9kg，粉煤灰用量与胶凝材料之别为(0.1～0.2)：1。

4、进一步地，sap材料的粒径为250～500μm、149～250μm、125～149μm或83～125μm，4种粒径sap的吸水泥浆液倍率分别为22.72、19.96、25.67和18.32(g/g)。作为优选，所述内养护材料sap的粒径为125～149μm。

5、进一步地，所述胶凝材料包括水泥和粉煤灰；所述水泥为硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥中的任意一种，强度等级为42.5，且水泥的比表面积不小于200m2/kg；所述粉煤灰为f类ⅱ级以上，烧失量不大于3wt.％，45μm筛筛余不大于20wt.％。

6、进一步地，所述粗细骨料由砂子和碎石混合而成，砂子作为细骨料，起到填充作用，碎石作为粗骨料，起到骨架作用；具体来说，砂子为ⅱ区中砂，细度模数为2.8；碎石最大公称粒径31.5mm，分为4.75～9.5mm、9.5～19.5mm和19.5～31.5mm三档，三档集料的质量比为219：766：109。

7、进一步地，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水剂含气量为3.1％，减水率约26％；所述减水剂用量为胶凝材料质量的1.5％。

8、进一步地，所述sap额外引水量与所述内养护材料sap的加入量之比为(8.0g～34.5g)：1g。

9、进一步地，所述wec的喷涂时间为浇筑后3.0～6.0h。

10、所述内外协同自养护水泥混凝土的制备方法，包括以下步骤：

11、(1)按照比例将碎石、砂子、胶凝材料依次放入拌锅中，所有干料先搅拌，加入sap材料再搅拌，得到干拌混合物；

12、(2)按照比例称量水，包括拌和用水和额外引水，将称量的减水剂倒入水中，得到外加水溶液；

13、(3)在步骤(1)获得的干拌混合物中缓慢加入步骤(2)制得的外加水溶液，持续搅拌，即得到内养护水泥混凝土；

14、(4)将步骤(3)制备得到的水泥混凝土装于试模中，振动，补平水泥混凝土表面因振动导致的高度降低，再次振动，之后覆盖一层塑料膜防止早期水分散失；

15、(5)达到设计时间后按照设计用量喷洒外养护剂，首先喷涂混凝土表面，浇筑后拆膜并喷涂另外五个面，即可得到内外协同自养护水泥混凝土。

16、进一步地，外养护剂的制备方法如下：

17、(1)将设计量的水性环氧树脂乳液倒入烧杯中，将烧杯放入恒温水箱中，加热升温至30～50℃；

18、(2)缓慢滴加水性环氧固化剂，固化剂与水性环氧树脂乳液的质量比为(3～7)：25，边搅拌边滴加，搅拌过程中控制温度为30～50℃，使得水性环氧树脂与固化剂更充分的反应与合成，制备得到性能稳定的外养护材料wec。

19、发明原理：本发明所述内养护材料sap，为含有亲水基团cooh和o-h的聚丙烯酸钠型sap。由于富含亲水基团，sap材料具有较强的吸水能力，一旦与水接触后，在范德华力和化学键的作用下，吸附自身质量8.0g～34.5g倍的水泥浆液。之后由于水泥水化作用，水泥浆液离子浓度增大，在湿度差和离子浓度差作用下，sap发生释水，以降低湿度差和离子浓度差。最终在sap持续释水作用下，提高了水泥颗粒与水发生水化反应的程度，同时有利于提升水泥混凝土的力学性能和耐久性能。

20、所述外养护材料wec，为水性环氧树脂和固化剂两种材料合成制得，其主要成分为无机水玻璃和有机类丙烯酸系材料。其中有机组分在失水过程中会形成薄膜，对水泥混凝土表面起到密封作用，阻碍水分蒸发。同时，无机组分渗入到水泥混凝土表层，与水化产物发生反应形成胶体物质堵塞表层孔隙，从而改善水泥混凝土表层孔隙结构，增强水泥混凝土的密实性。

21、本发明在充分考虑到内养护材料sap和外养护材料wec的作用机理基础上，利用内养护材料sap对水泥混凝土进行内养护，通过外部喷涂养护材料wec抑制水泥混凝土表面水分蒸发，保持水泥混凝土内部相对湿度，给水泥水化提供足够的水分，使得水化反应更加充分；wec材料与水泥混凝土表面水化产物发生反应，生成胶状物质填充孔隙，增强水泥混凝土的密实性。同时，wec涂层裹附在水泥混凝土表面，隔离环境中的有害物质，显著提升了水泥混凝土的耐久性能。综上，在内外协同养护作用下，显著提升了水泥混凝土的力学和耐久性能。

22、进一步地，本发明将内养护材料sap和外养护材料wec共同用于水泥混凝土时，两者的用量等参数将会影响水泥混凝土构造物的微观结构和宏观性能。当内养护材料sap的用量过大时，其释水后形成的孔洞会对水泥混凝土的力学性能造成不利影响；而内养护材料sap用量过小，则释水保湿效果不显著，内养护作用得不到保障。sap的额外预吸水量会影响水泥混凝土的工作性能和收缩等性能，当额外引水量过大时，多的附加水不能完全被sap吸收，导致水泥混凝土实际水灰比增大，坍落度增大，同时收缩应变大幅增加；当额外引水量过小时，则会导致坍落度减小，sap的内养护作用发挥不出来，不利于水泥混凝土的力学性能。外养护材料wec的喷涂用量决定了水泥混凝土的保水性能，wec用量过大，则导致原材料费用显著提高；而wec用量不足时，保水作用得不到保证，影响水泥混凝土的力学性能。wec的喷涂时间决定了外养护材料的保水作用，喷涂时间越早，水泥混凝土表面尚未结束泌水，此时喷涂wec会稀释乳液，不利于形成致密的保护膜，喷涂时间越晚，则水泥混凝土早期蒸发损失越大。

23、由于内养护材料sap和外养护材料wec之间存在相互影响，所以对内外协同自养护水泥混凝土进行材料组成综合设计显得尤其重要。只有在本发明所述自养护参数协同优化设计条件下，两种内外养护作用才能达到最优化的自养护效果，综合提升水泥混凝土的保水性能、力学性能和收缩性能。

24、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：

25、(1)通过在混凝土内部掺加内养护材料sap，外部喷涂外养护材料wec，达到两者之间对于水泥混凝土的协同作用，减少水泥混凝土浇筑后的水分损伤，降低因湿度差异导致的收缩开裂，从而增强水泥混凝土的力学和耐久性能，还能起到不用施加常规养护的效果，即通过自身就可以达到很好的养护效率；经测试，本发明制备得到的自养护水泥混凝土，拆模前后水分损失最小降低到0.361％和0.332％；14d和28d抗压强度最高达到46.14mpa和53.22mpa，28d干燥收缩值最低为0.944×10-4。

26、(2)内养护材料sap通过与碎石、砂子和胶凝材料一起干拌，均匀分散在水泥混凝土中，通过吸收额外引水，在水泥混凝土内部湿度下降时及时释放水分，既不会改变水泥混凝土的有效水灰比，同时还能有效降低水泥混凝土内部湿度下降程度，减少了收缩开裂的风险。

27、(3)外养护材料wec喷涂在泌水结束的水泥混凝土表面，形成一层或多层均匀密实的养护薄膜，能够有效减少水泥混凝土早期的水分蒸发损失，在服役期可以阻隔混凝土结构与外部环境，起到保护作用，显著提升水泥混凝土构造物的耐久性能。