混凝土外养护剂的应用与研究进展

周予启，杨峻，何伟

（1. 中建一局集团建设发展有限公司，北京 100102；2. 清华大学土木工程系，北京 100084）

混凝土外养护剂的应用与研究进展

周予启1，杨峻2，何伟2

（1. 中建一局集团建设发展有限公司，北京 100102；2. 清华大学土木工程系，北京 100084）

混凝土的力学性能和耐久性能与养护方式紧密相关，传统养护方式已经很难满足现代的各种施工要求，因此使用外养护剂进行混凝土养护的方法已经越来越多地被采用。目前外养护剂主要包括无机类、有机高分子乳液类、石蜡乳液类和有机无机复合类。本文着重讨论这些外养护剂的作用机理、特性、效果和缺陷，并结合工程应用实例加以说明。

外养护剂；作用机理；无机类养护剂；有机类养护剂；复合养护剂；工程应用

1 综述

混凝土强度除了与水胶比、龄期、胶材用量等因素紧密相关之外，还与混凝土的养护方式相关，良好的养护方式可以保证水泥的充分水化，促进强度增长[1-2]。混凝土的干缩裂缝和结构疏松会因为缺乏水分而加剧，进而造成混凝土的耐久性等一系列性能的下降，因此混凝土的养护至关重要，必须加以重视[3]。

传统混凝土可以按照养护温度的不同分为高温蒸汽养和常温养护，按养护湿度的不同分为普通养护和湿养护，按养护机制的不同分为填埋养护和薄膜养护。但是对于高层建筑或是处于干旱地区，正常的养护施工方法无法满足养护要求[2]。

除了传统养护方式外，现代混凝土的养护方式主要是根据加入时间和方式的不同分为外养护和内养护[4]。外养护是指在混凝土浇筑完成后，涂抹或者喷洒一层具有一定渗透性的物质，可以迅速地在混凝土表面形成致密的薄膜，或是自身添加的物质发生反应生成连续的薄膜，或者是与混凝土内部的水泥发生反应，生成胶凝产物或无机盐等，不仅能够形成一层覆盖物，而且还能使得反应产物堵塞毛细孔，阻碍水分蒸发[5]。外养护剂的普遍作用机理便是如上述的作用过程，但根据不同的原材料和反应过程，机理也有所不同，下文会进行区分和详述。内养护则是在混凝土的制备过程中加入养护剂，当水分逐渐消耗或者环境较为干燥，无法从外界获取充分的水分时，内养护剂会因为温度或压强等因素的变化自身引起反应，产生多余的水分，改善养护条件，促进水化[6]。使用养护剂有许多优点，不但能够更好地使混凝土的性能得到发展，而且能够在恶劣的环境下保证混凝土性能增加，如缺水地域或者雨季等，更能显示出其优越性。本文主要介绍外养护剂的发展历程、研究成果和一些典型的工程应用实例。

外养护剂于 1940 年开始进行研究，30 多年后经过西方国家的探究，逐渐开发出一种较为稳定的外养护剂——有机高分子乳液养护剂，该养护剂的制作还较为粗糙，且有毒性，不利于推广。在 1980 年，石蜡乳液类外养护剂首次被研发出来，无毒且易制备，对混凝土养护效果较好。21 世纪以来，复合型养护剂逐渐被开发出来。目前外养护剂主要包括无机类、有机高分子乳液类、石蜡乳液类、有机无机复合类[2,4]。一般来说，外养护剂需要在混凝土初凝且表面无明水时立即进行涂抹，如果喷洒或涂抹过早，容易造成膜不连续，如果过晚，则混凝土水分损失太大，容易产生裂缝，不过对于不同种类的外养护剂的具体喷洒或涂抹时间还是有所区别的。

2 无机类外养护剂的作用机理和研究进展

目前研究中最主要的无机类外养护剂是以硅酸盐和硫酸盐为基的改性研究，常使用的硅酸盐便是Na2O·nSiO2和 K2O·nSiO2，可以加入另外的有机物或无机物，或者调整模数，进行更加深入而广泛的研究。其作用机理是，外养护剂中硅酸盐能够与 Ca(OH)2、C-AS-H 反应生成胶凝材料和针棒状的钙矾石，堵塞毛细孔，并且生成连续的一层薄膜，促进水化持续进行，并且抑制水分蒸发，其反应方程式如下所示[4]：

因为此类养护剂的工作原理是需要与水泥中的熟料和水化产物反应，不能等混凝土完全成型使得结构致密，因此必须在浇筑完立即喷洒该种外养护剂。

以水玻璃为基制成的混凝土无机类外养护剂是研究的重点和热点问题，掺入的有机物主要有三乙醇胺、尿素和甲基硅醇钠，而加入的无机物主要包括了氟硅酸钠、硅酸锂、偏硅酸、硼酸、甲酸钙和氯化镁[7-8]。其中，加入氟硅酸钠、硼酸钠等一系列酸性物质有利于抑制裂纹的产生，减小混凝土的收缩；加入甲基硅醇钠则能显著提高混凝土的强度、渗透性能和耐磨性；加入氯化镁的工作原理与上述普通无机类外养护剂有所不同，该养护剂能够吸收外界水分，使得混凝土一直保持较高的湿度环境，促进水化。使用硫酸盐为基制成的外养护剂不常见，但有关专利设计出一种硫酸盐外养护剂，在早期能够生成钙矾石，在后期促进胶凝产物的生成，提高了混凝土抗渗性。

总结来说，无机类养护剂制作较为容易，成膜性很强，施工较为简单。但此类外养护剂由于容易受温度影响而不利于混凝土在各种环境中使用，且实用性不强，不能在恶劣条件下大量使用，特别是干旱地区。

3 有机类外养护剂的作用机理和研究进展

目前来说，有机类外养护剂的研究主要围绕高分子乳液和石蜡乳液两种体系开展，下面重点说明这两种外养护剂的机理和相应研究。

（1）高分子乳液类

高分子乳液养护剂的工作机理与无机类有所不同，该养护剂不与水泥或水泥产物反应，只是在混凝土成型后在其表面形成连续的有粘性的薄膜，进而覆盖住混凝土的孔隙，抑制了内部的水分蒸发，从而提高了混凝土的强度。目前所用的高分子乳液以苯丙体系为主。

目前，关于高分子乳液外养护剂的研究主要集中在使用苯丙为乳液基，加入不同的有机基团，比如 -OH基团、有机氟单体和硅单体。已有的研究表明，使用苯丙乳液为基的外养护剂能够显著降低塑性开裂、碳化和收缩，提高了抗冻融循环、抗氯离子渗透性能[9,10]。有研究表明，加入氟和硅后制成的养护剂，能够保证混凝土表面形成水膜的封闭性更好，降低氯离子渗透性[11]。有专利的做法是改变了苯丙的分子结构，从纳米级构造改变了养护剂的性质，大幅提高了养护性能。还有专利以氯乙烯—偏氯乙烯乳液为基，并且加入纳米级粉状材料，获得了更好性能的外养护剂。

总结来说，高分子乳液养护剂的优势在于较好的保水性和成膜性，不会出现开裂和起皮的现象，施工质量能够得到相应的提高。但缺点与无机类外养护剂类似，都易受环境温度影响，不够稳定，不利于运输，影响施工，同时有机溶液易挥发、污染环境。

（2）石蜡乳液类

与上述高分子乳液外养护剂作用机理类似，石蜡乳液外养护剂能够在混凝土表面形成一层连续的憎水油脂膜，与高分子乳液一样对混凝土毛细孔起到很好的封闭作用，这是一种多相的稳定乳液。

目前，石蜡乳液外养护剂的研究趋向于添加新材料进行合成，虽然单独添加石蜡乳液已经能够大幅降低混凝土的水分蒸发率，进而抑制裂缝的生成，但其仍然存在着受环境因素影响的缺点，比如容易被稀释等[12]。有研究加入有机物如三乙醇胺、丙烯酸酯、淀粉等，制成新型的外养护剂[13,14]，提高了混凝土的强度、保水率和抗渗透性。也有相关研究改变了石蜡的形态，如使用晶体和液态，进而改变了其表面活性，获得更高性能的外养护剂，提高混凝土的保水率[13]。

相较于高分子乳液，以石蜡乳液为基的外养护剂综合性能更高，制作工艺更加简单，运输过程受扰动影响较小，同时，石蜡乳液的污染小。但同样的，对于恶劣环境，特别是潮湿环境，该类外养护剂会因为被稀释而造成性能降低。

4 复合养护剂的作用机理和研究进展

复合养护剂结合上述无机类和有机类养护剂的优势：不仅成膜性强、渗透率高，而且成膜速度快、保水性能好。该养护剂主要成分是水玻璃和高分子乳液，并且可以通过加入其它助剂进行改性，研究范围更加广阔，研究难度也更大。其工作机理也是上述无机类和有机类养护剂的综合，水玻璃与水泥及其产物反应，生成凝胶堵塞毛细孔，高分子乳液自身形成连续的一层薄膜，覆盖住混凝土表面，阻碍水分蒸发[15]。目前常见的复合养护剂中的无机组分是水玻璃和硫酸盐，有机成分主要有高分子、石蜡和聚乙烯醇等上述的有机类外养护剂。

目前的复合外养护剂的研究热点和上述无机类和有机类养护剂相对应，主要是以硅酸盐为无机成分，高分子乳液和石蜡乳液为有机成分。其中，以高分子为有机成分的研究表明，不仅混凝土的收缩和龟裂都得到了抑制，而且早期强度也有了较大幅度的提高[16]。以石蜡为有机成分的研究则表明，该养护剂涂抹后的混凝土的保水率和抗磨性都得到了提高，与标准养护基本相同[17]。

近年来，有研究将石蜡和高分子复合，作为有机成分，结果表明经过两者混合的有机成分对混凝土的保水作用会更加明显，养护效果更好，强度和抗渗透性都会有较大幅度的提高[18]。随着研究的深入，除了复合石蜡和高分子，有许多研究中添加了更多的有机物，比如主动引入纯丙乳液、三乙醇胺和甲基硅醇钠。试验结果表明，该养护剂能够显著提高混凝土的保水率和强度，并且降低了干燥收缩，抑制了裂缝发展[19,20]。还有研究将聚乙二醇、有机硅烷复合作为有机组分，制得的养护剂也具有良好的效果，特别是对体积收缩有较明显的减弱作用。

5 外养护剂的工程应用

外养护剂在混凝土养护中已经有了实际的工程应用。从 1998 年开始，我国国内许多机场（如首都国际机场）已经在机场道面上使用了无机硅酸盐型养护剂，增强了道面的强度和耐磨性，降低了掉边掉角的可能性，在一定意义上延长了道面的使用寿命[21]。

在黑龙江寒地的施工主要使用了一种无机类养护剂——LNC-7，由当地的建筑科研院生产，以水玻璃为无机组分，加入氟和硅等进行改性。其作用机理是生成了氟硅酸盐等化合物和不同的凝胶，覆盖混凝土表面的同时堵塞了混凝土中的毛细孔，提升了硬度、强度和密实度[22]。该养护剂可以在零下温度下使用，满足冬季施工要求。吉林常春高氮合金研发工中心工程施工中就应用到了这种 LNC-7无机类养护剂，零下施工顺利进行，解决了冬季施工的困难，加速了模板周转。

秦淮新河堤防达标建设工程中应用了一种有机高分子乳液养护剂——YF-6。该养护剂以水为连续相，成膜剂有着很好的附着性，并且加入有机胺，可以提高溶解度和膜的抗裂性。有机胺能够在成膜中保持稳定，形成连续的薄膜覆盖在混凝土表面，且成膜后较为坚固，抑制了水分的蒸发，在喷涂该养护剂后检查效果可以发现，在 7d 和 1 个月后，混凝土的表面裂缝很小，而普通养护的混凝土裂缝却较多[23]。

江苏地区使用了一种新型的复合养护剂——SC-90，这是一种新型的双组分复合外养护剂。其中的一种组分为无机组分，降低表面张力的同时提高渗透性（目的是为了和第二种组分充分反应），在喷洒后会迅速向内渗透，与水泥反应生成凝胶，堵塞毛细孔，并且这种组分中含有强效的催化剂，故反应会加速进行，短时间内形成致密结构，提高了强度和耐磨性。第二种组分是高分子水乳液，具有长链碳氢结构，能够与第一组分以及水泥发生反应，生成憎水薄膜，连续分布在混凝土表面，抑制了水分蒸发。该养护剂应用较为广泛，在南京大校场机场停机坪、国道南京段、南京中山南路扩建工程、多个国道部分路段、烟栖公路、烟威公路、南运机场、舟山机场等工程中都有很大规模的应用，并被烟威一级公路指挥部列为“使用效果显著”的“推广项目”[24]。

甘肃地区较为干旱，且昼夜温差较大，因此使用的外养护剂进行养护时很注重成膜速度和成膜质量，JD复合养护剂便应运而生，并在甘肃省景电二期延伸向民勤调水工程、疏勒河大型水利工程和宁夏自治区扬黄扶贫“1236”工程中广泛使用，均取得了良好的效果。该养护剂成膜时间较短，成膜质量很好，透气率低，虽然抗拉强度和伸长率不高，但仍可以满足施工要求[25]。这是沙漠地区成功使用混凝土外养护剂的例子，具有普遍性且节省资金。

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Application and research progress of concrete curing agent

Zhou Yuqi1, Yang Jun2; He Wei2
(1. China Construction First Group Construction & Development Co., Ltd., Beijing 100102, China;2. Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Mechanical properties and durability of the concrete are closely related with curing method. The traditional curing method are becoming very difficult to meet the construction requirements, so external curing agent has been increasingly used nowadays. The external curing agent mainly includes inorganic class, organic polymer emulsion, paraffin emulsion and organic inorganic compound. In this paper, the mechanism, properties, effects and defects of these external curing agents are discussed in this paper, and the engineering applicationsare also illustrated.

external curing agent; action mechanism; inorganic curing agent; organic curing agent; compound curing agent;engineering application

周予启（1971—），男，高级工程师，中建一局集团建设发展有限公司总工程师，主要研究方向为现代深基坑技术和混凝土技术。

［通讯地址］北京市朝阳区望花路西里 17 号 中建一局建设发展有限公司（100102）