具有互穿网络结构的阴-非离子化混凝土内养护材料的设计、合成与性能研究

Early-age-cracking induced by autogenous shrinkage has become an outstanding problem for High Strength Concrete and High-performance Concrete in modern construction. Composition and structure of concrete internal curing agent are scientifically being designed for meeting complex concrete alkaline environment. By controlling anionic/non-ionic groups ratio to regulate the charge density in molecular chain and building Interpenetrating Polymer Network linked by polymer chain and inorganic gel network to improve its water absorbency and water release. Our team is expected to synthesize a new kind of organic-inorganic compound absorbent material of high absorbency and high release in synthetic pore solution. Molecular structure, morphology of material will be characterized and its mechanism of water absorption-water release will be analyzed. Team plan to summarize theory relation of water absorbency with the molecular chain charge density and the cross-linking density. Furthermore, we will also study concrete microscopic characteristics such as internal relative humidity and pore structure, and analyze its mechanisms of autogenous shrinkage and strength closely related to microscopic characteristics. The project will make provision with theoretical guidance and technology recommendations for the prevention of early-age-cracking by low water-cement ratio, doped with mineral admixtures and superplasticizers concrete.

由自收缩过大引起的早期开裂已成为高强、高性能混凝土的突出问题。本课题针对混凝土复杂碱性环境，科学设计内养护材料组成、结构。拟采用通过控制阴离子/非离子基团比例调控分子链电荷密度的组成设计方法，与构建一定交联度SAP凝胶-无机凝胶复合互穿网络的结构设计方法相结合，改善内养护材料在碱性环境下的吸水-释水性能；制备得到吸合成孔溶液150倍以上、释水可控的新型内养护材料；表征内养护材料的结构、组成等基本特征参数，并分析其吸水-释水机理；归纳分子链电荷密度、互穿网络结构交联度与内养护材料吸水能力之间关系；表征非饱和湿度条件下内养护混凝土的内部相对湿度、孔结构等微观特征，并研究微观特征对内养护混凝土的自收缩、强度等宏观性能的影响机理。课题可为预防和解决采用低水胶比设计、掺矿物掺合料和高效减水剂的高强高性能混凝土因自收缩过大引起的早期开裂问题提供理论依据和技术支持。

内养护 (Internal curing)是一种能有效抑制高强/高性能混凝土早期收缩开裂的新兴技术。课题针对现有内养护材料吸水-保水-释水综合性能差，以及劣化工作性、强度等问题，设计、合成了一种新型“高吸水-稳定储水-可控释水”聚合物内养护材料（ICA）。以木薯淀粉、丙烯酰胺（AM）、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）、水玻璃等为主要原料，经水溶液法合成了吸水倍率188~270、保水率85%以上、释水率80%以上的有机-无机复合内养护材料，获得了原料最优配比及工艺参数为。FT-IR、13C NMR和SEM-EDS等证实，淀粉主链上同时成功接枝了单体AM和AMPS，并形成了三维连续的多孔、条带状复合交联网络结构。该结构具有良好伸展能力和足够空间，从而提高了ICA的吸液能力；结构网络上的亲水性基团-SO3H、-CONH2降低了聚合物网络在碱性孔溶液中的同离子效应，从而提高了ICA在碱性溶液中储水稳定性；ICA饱水凝胶中所含81%低结合力水分易在负压和内部相对湿度差作用下而非碱性环境下释放，改善了ICA释水的可控性。提出了微凝胶内养护技术——以微细化凝胶状而非传统粉状将ICA掺入混凝土。研究表明，凝胶状ICA分别可使水灰比0.35的混凝土7d自收缩降低29.8%以上、水灰比0.50的混凝土1d塑性开裂降低90%以上；分别可使高强和中低强混凝土7d内部相对湿度（IRH）保持在80%以上和92％以上。分析认为，ICA有效改善早期收缩开裂：一是微细化ICA凝胶与水分散在混凝土中形成了更均一性和更广泛性的“微型水库”；二是ICA的柔性网络结构使其在受毛细孔负压和挤压力作用使易释水，补充了毛细孔损失水分，维持了内部和表面层水分平衡，从而显著抑制混凝土开裂。研究还发现，ICA也使混凝土抗冻性提高、抗硫酸盐侵蚀性均提高，但用量过多时也存在降低混凝土早期强度和早期抗氯离子渗透性风险。在实验研究基础上，在江西新建了一个200L中试车间和改建了一条年产2万吨ICA生产线，开展了多批次ICA初产品的中试研究和工业化生产，在江西、广西等地多个混凝土工程进行了现场实际应用。微凝胶内养护技术为控制混凝土早期开裂提供了一种新的替代方法，预期在高强混凝土及恶劣气候条件下混凝土工程中具有极大潜在应用前景。