水泥基材料早期养护方法 【技术领域】
本发明涉及一种水泥基材料早期养护方法，适用于施工现场暴露于自然条件下水泥基灌浆材料、高性能混凝土、自密实混凝土，以及暴露于严酷干燥环境下的混凝土，属于混凝土施工技术领域。
背景技术
“养护”是水泥基材料施工过程中的非常重要的程序，通常被描述为能够提供水泥持续水化所需的足够的水和热，并使水泥在一定时间内实现硬化的过程。以水泥作为主要胶凝材料的水泥基材料，其主要性能的产生均依赖于水泥主要矿物的水化，而这种水化过程必须满足一定的温度和湿度条件。这种条件在施工现场必须通过特殊的措施来完成，即养护。养护对硬化水泥基材料内部和表面性能，如强度、渗透性、耐磨性、体积稳定性以及抵抗冻融破坏及除冰盐侵蚀的能力，均会产生显著的影响，
养护的周期定义为从最初的浇筑、摊铺、振捣和精整直至得到要求的水泥基材料性能的这一周期。在水泥基材料施工过程中，传统的养护只是一个单一的过程，通常在水泥基材料浇筑或精整后实施，对于普通环境下普通水泥基材料而言，由于其水分蒸发速率相对较慢，这种养护程序比较合理，且易于施行。然而，对于最近二十年以来蓬勃发展的高性能水泥基材料，如泵送混凝土、自密实混凝土、高强混凝土等等，这些水泥基材料的普遍特点是掺加了高效减水剂和活性细掺料，水泥基材料流动度大，水分容易从表面蒸发；而水泥基材料的泌水率又较低，蒸发的水分难以得到及时的补充，因此水泥基材料非常容易在浇筑以后，终凝以前发生起皮、开裂，严重时会影响服役环境下水泥基材料的使用耐久性和使用寿命。传统的单一养护程序尤其是对于我国的西北地区，浇筑以后的水泥基材料多处于大风、光照等严酷干旱环境，就算是采用传统的普通水泥基材料浇筑，也普遍存在早期开裂的问题。
美国混凝土协会提出的混凝土养护指南指出，大多数新浇筑的混凝土的养护说明都推荐在一种或数种组合的方法，且在特定时期必须采取养护，并定义了早期养护、中期养护和后期养护三个阶段。然而，该指南并未给出特定时期的科学判据。仅仅依靠施工现场人为肉眼观察，依赖于工人的经验。例如泌水现象可以直接用眼睛观察。然而当蒸发速率大于泌水速率时，水泥基材料表面的状态则容易造成误解，如表面看起来已经初凝，但内部水泥基材料还处于塑性状态。这种误解会使得人们采取错误的养护手段，对水泥基材料的最终性能造成不利影响。
【发明内容】
本发明提供了一种水泥基材料的早期养护方法，在水泥基材料从浇筑开始到终凝以前的时期，根据水泥基材料的发展状态，科学地对水泥基材料进行分阶段的养护方式，以达到最佳的养护效果，适用于施工现场暴露于自然条件下水泥基灌浆材料、高性能混凝土、自密实混凝土，以及暴露于严酷干燥环境下的混凝土，可以减少甚至避免早期开裂。
所述水泥基材料早期养护方法为：水泥基材料毛细管负压为2～10kPa时，在水泥基材料表面覆盖薄膜，并在薄膜的表面洒水养护；当水泥基材料毛细管负压大于10kPa时，在水泥基材料表面覆盖潮湿的麻袋、蓄水或喷洒养护剂。
作为本发明的改进，水泥基材料毛细管负压小于2kPa时，在水泥基材料表面喷洒雾状的水或减蒸剂溶液。
本发明的原理如下：
如图1所示，由水泥、砂、石等固相材料和水拌合均匀的水泥基材料浇筑以后直到终凝以前，可以将之称为早期养护阶段，在这一阶段的水泥基材料暴露于自然环境中，主要发生以下几个热力学变化：
水泥基材料由塑性阶段I(流体)向弹塑性阶段II(固体)转变；
水泥基材料内部的水分蒸发由平面水I(自由水)向弯液面水II(毛细水)转变。
处于塑性阶段的水泥基材料可以视为多尺度的水泥颗粒、集料颗粒(固相粒子)分散于水(液相)的悬浮体系。这样的体系由于结构还未形成，因此表层很容易受到覆盖物(如薄膜、湿麻袋养护等)的扰动，外部补充的水分(如通过洒水、蓄水的的方式)对于表层水泥基材料的水胶比将会有显著影响，从而影响表层水泥基材料的外观，严重者影响表层水泥基材料的力学性能和耐久性。因此，这一阶段的水泥基材料还不能经受水的直接作用，或者由于覆盖织物或塑料所造成的力学损伤，只能采用喷洒雾状的水或减蒸剂溶液等方式进行养护。
当水泥基材料表层由于各种物理、力学或者化学因素的作用，譬如水分蒸发、水化产物相互搭接等，开始由塑性阶段向弹塑性阶段转变时，在表层水泥基材料内部开始形成毛细管网络结构体系。当水泥基材料内部向表层泌水地速率低于水分从表层蒸发的速率时，内部迁移的水分不足以补充表层水分的散失。因此，水分的进一步蒸发在表层形成了不饱和的孔隙，孔隙内部的水分存在弯液面，跨过弯液面产生压力差，即毛细管负压，这种压力差可以通过埋入水泥基材料内部的毛细管负压测试装置感应出来。由于毛细管负压的产生标志着水泥基材料内部毛细管网络结构体系已经形成；同时毛细管负压也是宏观收缩应力的直接驱动力，是诱导约束条件下发生损伤开裂的微观驱动力。因此，暴露条件下毛细管负压的产生，意味着水泥基材料开始养护的必要性，同时也表明，随着毛细管负压的增长，水泥基材料承受外力作用的能力也逐渐增强，水泥基材料逐渐具有一定的结构来经受水的直接作用，或抵抗由于覆盖织物或塑料所造成的力学损伤。申请人发现，在毛细管负压较小(2～10kPa)时，合理的养护方式为在水泥基材料表面覆盖薄膜，并在薄膜的表面洒水养护；当毛细管负压增加到一定值(大于10kPa)时，合理的养护方式包括在水泥基材料表面覆盖潮湿的麻袋、蓄水或喷洒养护剂。当毛细管负压(绝对数值)小于2kPa时，如果需要确保水泥浆、水泥砂浆或者混凝土等水泥基材料的拌合水不变，或减少拌合水的损失，可以在水泥浆、水泥砂浆或者是混凝土表面采取喷洒雾状的水或减蒸剂溶液，其中减蒸剂溶液是一种可以在水泥基材料的自由水表面成膜的添加剂，为公知公用的产品，可以补偿或减少自由水的蒸发；如果仅仅是避免塑性开裂的产生，则也可以不采取任何养护措施。
所述毛细管负压为距水泥基材料表面深度10mm以内的毛细管负压。因为塑性开裂的原因是表层水分的蒸发速度超过内部水分向表层迁移的速度而引起的表层开裂现象。由于内部水分的蒸发速度远远小于表层水分的蒸发速度，陶瓷头如果埋入深度太深，就不能感知表层的水分蒸发情况，达不到通过表层负压来进行养护、控制塑性开裂的效果。所述毛细管负压可以采用公知的方法进行测试。CN200610038805.0就公开了一种混凝土早期毛细管负压自动测试装置和测试的方法。本发明可以采用上述专利的测试方法和原理，利用同样或相似装置进行毛细管负压的测试。所述毛细管负压自动测试装置包括压力传感器、陶瓷头、集气管、管塞、测筒、针头、数据采集和输送装置，集气管底部安装有陶瓷头，顶部设有管塞，前述陶瓷头表面和内部有微小的孔隙，所述微小孔隙的孔径为0.01-0.035μm，压力传感器安装在测筒内，安装在测筒前端的针头穿过管塞伸入集气管内；压力传感器测得的数据经数据采集和输送装置进行分析和处理，利用所述毛细管负压自动测试装置测试水泥基材料毛细管负压的方法包括下述步骤：
a.在集气管内注满水，使陶瓷头充水饱和后，得到探头内的初始压力P0；
b.把探头底部的陶瓷头插入水泥基材料，通过压力测试装置测试探头内的压力P1，P1与P0之差值即为水泥基材料毛细管负压。
作为优选方案，所述陶瓷头直径不大于5mm，陶瓷头插入水泥基材料时，横向放置于水泥基材料内。这样可以敏感地反映出最表层水泥基材料的水分的能量变化，作为养护阶段划分的科学依据。更优选的，陶瓷头上表面置于水泥基材料1-5mm的深度范围内。
作为另一种优选方案，陶瓷头中微小孔隙的平均孔径为0.02μm。
作为另一种优选方案，所述水泥基材料早期毛细管负压自动测试装置的量程不低于50kPa，精度不低于±1KPa。
所述数据采集和输送装置可以是现有技术中各种装置，比如可以采用无线监测系统，也可以是如CN200610038805.0中所述的有线监测系统，所述数据采集和输送装置包括变送器、A/D转换器及计算机，压力传感器测得的数据由变送器送往A/D转换器，经模/数转换后送往计算机进行分析和处理。
为了使陶瓷头充水饱和，在使用前陶瓷头必须在无气水(可以采用普通的自来水加热至沸腾之后，再继续加热超过20分钟冷却)中预先浸泡超过24小时。集气管必须采用直径为3-5mm左右的软塑料管，以与陶瓷头的直径相对应。陶瓷头与塑料软管直接的粘结必须紧密，不得漏气。埋入陶瓷头前塑料软管需要充满水，并塞紧管塞，不能漏气。由完全充水饱和的微型陶瓷头、集气管、以及集气管中的水共同构成了探头，其作用在于感应在暴露条件下水泥浆、水泥砂浆或者是混凝土表面水分的能量状态，传感器准确测试出探头的压力变化，为接下来的养护方式提供信号依据。
本发明通过对水泥基材料表层毛细管负压的实时监控和信号采集，根据水泥基材料的发展状况，将水泥基材料的早期养护明确划分为3个阶段，并在不同的阶段给出了合理的养护措施，结合毛细管负压自动测试装置，可以实现养护的智能化。与传统养护措施不同的是，本发明重点针对初凝(初凝时毛细管负压一般大于10kPa)以前的材料，在毛细管负压达到2kPa时就开始进行合理养护，有效避免了暴露于恶劣蒸发条件下的混凝土，或者是掺有超细矿物外掺料，如硅灰、磨细矿粉等，以及采用低水胶比(水胶比低于0.40)且暴露于自然蒸发条件下的水泥基材料的水分蒸发引起的塑性开裂、表层损伤等问题。
本发明分阶段、全过程的水泥基材料早期养护方式，对水泥基材料进行科学的早期智能养护，可以达到最佳的养护效果。
【附图说明】
图1是暴露于自然环境中的水泥基材料早期热力学变化示意图；
图2是毛细管负压自动测试装置；
图3是本发明所用的试验模具的约束装置的剖视图；
【具体实施方式】
参照《混凝土结构耐久性设计与施工指南》和ASTM C 1579-06钢纤维混凝土塑性开裂评估方法，试件尺寸900mm×620mm×80mm，模具边框用63mm×40mm×6.3mm的槽刚制作，模具四边与底板通过螺栓固定在一起，以提高模具的刚度。在模具每个边上同时焊接两排共14个Φ10×100mm螺栓伸向锚具内侧，两排螺栓相互交错，便于浇筑的混凝土能填充密实，当浇筑的混凝土平板发生收缩时，四周将受到螺栓的约束。同时在底板上放置约束装置，所述约束装置为具有三个应力凸起肋的钢板(根据ASTM C1579-06的规定由一块厚度为1.2mm的钢板弯折而成，剖视图见图3，其中所有尺寸均以mm计)，在凸起的地方由于约束装置的刚性约束，混凝土的沉降将在中间的最高的部位诱发裂缝。底板采用不小于20mm的高密度板，底板上铺聚氯乙烯薄膜隔离层。模具作为试验装置的一部分，试验时与试件连在一起。采用如CN200610038805.0具体实施方式部分所用的毛细管负压自动测试装置，所述毛细管负压自动测试装置包括压力传感器1、陶瓷头2、集气管3、管塞4、测筒5、针头6、数据采集和输送装置，集气管3底部粘结固定有陶瓷头2，集气管3内充满水，顶部设有管塞4，前述陶瓷头2直径为4mm，表面和内部有微小的孔隙，所述微小孔隙的平均孔径为0.02μm，集气管3为直径为3mm的软塑料管，管塞4为橡皮塞，压力传感器1安装在测筒5内，安装在测筒5前端的针头6穿过管塞4伸入集气管3内；压力传感器1测得的数据经数据采集和输送装置进行分析和处理。所述数据采集和输送装置包括变送器7、A/D转换器8及计算机9，压力传感器1测得的数据由变送器7送往A/D转换器8，经模/数转换后送往计算机9进行分析和处理。使用前陶瓷头2在无气水中预先浸泡超过24小时，以充水饱和。使用时将陶瓷头2埋入混凝土10中，进行测试。
实施例1
在模具中浇筑水胶比为0.32，胶凝材料用量为480kg/m3，硅灰掺量为10％，砂率为0.40的混凝土。在刚刚浇筑成型完毕的混凝土内横向预埋充水饱和的陶瓷头2，使陶瓷头2的上表面位于混凝土表面以下2mm处。整个试件暴露于自然环境30±2℃，35±5％，试件中心风速3.5m/s实验室试验条件下。
当毛细管负压测试值小于2kPa时，表面不作仍何养护措施；当毛细管负压测试值开始高于2kPa时，采用PVC塑料薄膜且表面洒水；当孔隙负压高于10kPa时，采用潮湿的麻袋养护。经过暴露于该环境24h后的混凝土表面光洁，无仍何裂缝、起皮或皱折现象，达到早期养护避免塑性开裂的目的。
实施例2
在如前所述的模具框中浇筑水胶比为0.28，硅灰掺量为10％，胶砂比为1∶1的水泥砂浆。在刚刚浇筑成型完毕的混凝土内横向预埋充水饱和的陶瓷头2，使陶瓷头2的上表面位于混凝土表面以下2mm处。整个试件暴露于自然环境30±2℃，35±5％，试件中心风速3.5m/s实验室试验条件下。
当孔隙负压测试值小于2kPa时，表面喷雾；当孔隙负压测试值开始高于2kPa时，采用PVC塑料薄膜且表面洒水；当孔隙负压高于10kPa时，表面蓄水5mm深。经过暴露于该环境24h后的混凝土表面光洁，无仍何裂缝、起皮或皱折现象，达到早期养护避免塑性开裂的目的。