養(yǎng)護(hù)環(huán)境及粉煤灰對水工混凝土導(dǎo)電性能影響研究

張 磊 田 斌 盧曉春 焦雨起 郭志杰

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院,湖北 宜昌 443002)

混凝土養(yǎng)護(hù)的良好與否決定了其后期性能能否達(dá)到要求[1].混凝土養(yǎng)護(hù)的目的是防止其在早期內(nèi)部水分散失從而使水化反應(yīng)不完全,而良好的養(yǎng)護(hù)可保持混凝土內(nèi)部具有較好的濕度[2].混凝土養(yǎng)護(hù)的良好與否,目前尚沒有明確的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[3].一些研究[4]通過混凝土表層吸水率進(jìn)行養(yǎng)護(hù)效果的判斷,但由于表層吸水率受混凝土水膠比、添加劑等眾多因素影響,基于表層吸水率的評判方式缺少可靠性.

養(yǎng)護(hù)條件變化導(dǎo)致混凝土水分散失程度有所差異,進(jìn)而使內(nèi)部濕度發(fā)生改變,從而影響?zhàn)B護(hù)效果[5].混凝土的電阻率作為電學(xué)參數(shù),可以反映其導(dǎo)電的能力.混凝土內(nèi)部濕度對其電阻率有著極為敏感的影響[6],電阻率的不同反映了混凝土內(nèi)部濕度的差異,間接體現(xiàn)出混凝土的養(yǎng)護(hù)情況[7].對于水利工程而言,由于水工混凝土施工過程中具有施工連續(xù)且澆筑體積巨大的特點(diǎn),成型后的混凝土需要養(yǎng)護(hù)2～3周甚至更長的時(shí)間,養(yǎng)護(hù)環(huán)境不能得到保障.如何在施工期間方便快捷的確定混凝土的養(yǎng)護(hù)效果,對確定養(yǎng)護(hù)時(shí)間和縮短施工間隔都是極為重要的.本文通過測量在不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下水工混凝土內(nèi)部電阻率值,對比電阻率的變化情況,尋找一種合理判斷養(yǎng)護(hù)效果的方法,有望在工程實(shí)際中得到應(yīng)用.

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料及混凝土配合比

試驗(yàn)采用華新P·O42.5普通硅酸鹽水泥;摻合料采用Ⅰ級粉煤灰;細(xì)骨料采用具有良好級配的中砂,其含水率為4.7%,細(xì)度模數(shù)2.8;粗骨料采用宜昌市南津關(guān)的人工碎石,其中小石、中石、大石粒徑分別為5～20 mm、20～40 mm、40～80 mm;外加劑采用JM-Ⅱ型減水劑;水為自來水.試驗(yàn)混凝土配合比設(shè)計(jì)方案見表1.

表1 每立方米混凝土配合比

1.2 試件成型及養(yǎng)護(hù)

澆筑混凝土試件參照《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)范》[8],將所有材料在攪拌機(jī)中拌勻后,通過30 mm孔徑的篩網(wǎng)對其進(jìn)行篩分,取過篩料澆筑在100 mm×100 mm×400 mm的長方體塑料模具內(nèi).試件共澆筑5組,每組3個,澆筑完成后靜置48 h后脫模,成型后的試件如圖1所示,其分組養(yǎng)護(hù)情況見表2.

圖1 測量電阻率混凝土試件

表2 分組養(yǎng)護(hù)

1組無粉煤灰試件和2組不同粉煤灰摻量試件放置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(溫度20±5℃,相對濕度≥95%)進(jìn)行養(yǎng)護(hù),其余2組無粉煤灰試件,一組浸泡在25±3℃的水中,另一組置于室外自然環(huán)境中.所有試件均養(yǎng)護(hù)至90 d齡期.

1.3 電極埋設(shè)方式

電阻值的測量采用二電極法,電極采用片狀,材料為0.3 mm厚的銅片,銅片經(jīng)打磨和擦除表面污垢后,通過錫焊的方式與導(dǎo)線相連,兩根作為一組.將一組電極片相隔200 mm埋入混凝土試件中心線位置,埋入澆筑面下40 mm深度,電極片與混凝土接觸面積為1 cm2.電極埋設(shè)如圖2所示(單位:mm).

圖2 電極片布置示意圖

1.4 數(shù)據(jù)采集及處理方式

數(shù)據(jù)采集使用萬用電表歐姆檔直接連接電極導(dǎo)線的方式進(jìn)行測量.為提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,依照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對同一試件進(jìn)行多次測量,將其中與整體數(shù)據(jù)的平均值偏差在±15%之外的離散數(shù)據(jù)視為無效數(shù)據(jù)將其舍去,將剩余結(jié)果的均值作為測量值.對于3個同組試件的測量結(jié)果,分析中采用其測量值的平均值.

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 養(yǎng)護(hù)環(huán)境對混凝土電阻率的影響

圖3表明水工混凝土在養(yǎng)護(hù)環(huán)境不同的情況下電阻率隨齡期(28 d)的變化.從圖3能夠看出3種養(yǎng)護(hù)環(huán)境下水工混凝土在早期(7 d齡期)電阻率值及變化趨勢類似,均處于較為快速的增長區(qū).7 d齡期后,水中養(yǎng)護(hù)下混凝土電阻率的增長趨于平緩,僅有小幅上升,而其他兩種養(yǎng)護(hù)環(huán)境下,混凝土電阻率依舊保持增長.21 d齡期后,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境下混凝土電阻率增長趨勢放緩,自然養(yǎng)護(hù)環(huán)境下增長趨勢上升.

圖3 不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下水工混凝土電阻率隨齡期(28 d)變化

對比3種養(yǎng)護(hù)結(jié)果,水中養(yǎng)護(hù)對電阻率的增長影響最小,阻值變化程度最小.由此可見初期混凝土進(jìn)行水化反應(yīng)使內(nèi)部自由水減少,致使電阻率快速增長.但混凝土在水環(huán)境條件下使得混凝土早期劇烈水化反應(yīng)結(jié)束后內(nèi)部仍有一定程度的自由水,內(nèi)部濕度依然能夠保持在一個較為恒定的程度,從而減緩電阻率的增長.盡管混凝土在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下外界濕度相對較高,但對在早期劇烈水化反應(yīng)后內(nèi)部自由水含量的影響不明顯,混凝土電阻率的增長速率未能減緩.21 d齡期后,混凝土水化反應(yīng)減緩,內(nèi)部濕度變化情況決定了后續(xù)電阻率的變化情況.

對比圖4中3種養(yǎng)護(hù)環(huán)境下90 d齡期水工混凝土電阻率變化,21 d齡期后較差的自然養(yǎng)護(hù)環(huán)境致使混凝土內(nèi)部濕度下降,從而電阻率增長加快,而其他2種養(yǎng)護(hù)環(huán)境下后期混凝土內(nèi)部濕度相對穩(wěn)定,電阻率增長緩慢.在90 d齡期時(shí),自然養(yǎng)護(hù)下混凝土電阻率已是水養(yǎng)和標(biāo)養(yǎng)的9倍和4.7倍,并有持續(xù)增大的趨勢.

圖4 不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下水工混凝土電阻率隨齡期(90 d)變化

2.2 粉煤灰摻量對混凝土電阻率的影響

圖5 表明不同粉煤灰摻量的水工混凝土在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下電阻率隨齡期(28 d)的變化,無粉煤灰(即0%摻量)混凝土可視為標(biāo)準(zhǔn)參照情況.從圖中看出在水膠比相同情況下,早期無粉煤灰混凝土電阻率增長較快,而摻粉煤灰混凝土電阻率增長速率與其摻量相關(guān),且相對穩(wěn)定.

圖5 不同粉煤灰摻量的水工混凝土電阻率隨齡期(28 d)的變化

對比圖6中90 d齡期下電阻率的變化,無粉煤灰混凝土在早期水化反應(yīng)后電阻率增長速率放緩,在28 d齡期后阻值已低于40%摻量的混凝土,由此也顯現(xiàn)出粉煤灰具有的火山灰活性.對于混凝土而言,水泥灰在前期進(jìn)行水化反應(yīng),從而密實(shí)混凝土土體并減少內(nèi)部自由水.而摻入一定量粉煤灰后,其早期進(jìn)行水化反應(yīng)的水泥量減少,土體密實(shí)程度降低,自由水含量較高,使得其電阻率變化速率較低.在后期由于粉煤灰的火山灰活性,混凝土進(jìn)行二次水化,填充了混凝土內(nèi)部空隙,混凝土體更為密實(shí),自由水通道減少,從而電阻率的變化并不會趨于平緩而是持續(xù)增加.從圖6中整個養(yǎng)護(hù)期來看,粉煤灰混凝土電阻率變化更趨近線性增加,未出現(xiàn)無粉煤灰情況下增長速率先升后減的情況.

圖6 不同粉煤灰摻量的水工混凝土電阻率隨齡期(90 d)的變化

2.3 電阻率對混凝土微觀性能的反映

混凝土可以認(rèn)為是粗骨料、水泥砂漿和孔隙的三相組成.孔隙中含有不同離子的自由水是混凝土具有導(dǎo)電能力的基礎(chǔ),粗骨料及水泥砂漿可以看成是非導(dǎo)電部分.隨著齡期的增長,水化反應(yīng)持續(xù)的進(jìn)行,混凝土不斷密實(shí),而混凝土內(nèi)部自由水的含量和孔隙率持續(xù)減小,所以導(dǎo)電能力隨時(shí)間而下降,即電阻率曲線隨時(shí)間而呈上升趨勢.由分析可知,電阻率發(fā)展曲線可以動態(tài)地反映混凝土孔結(jié)構(gòu)的細(xì)化過程,間接為混凝土微觀結(jié)構(gòu)的形成提供了參考.

2.4 養(yǎng)護(hù)效果評價(jià)

對比圖3中3種養(yǎng)護(hù)環(huán)境下電阻率變化情況,養(yǎng)護(hù)充分(飽水養(yǎng)護(hù))和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的混凝土分別在在7 d和21 d齡期后電阻率變化明顯減緩,而處于自然狀態(tài)的養(yǎng)護(hù)不良混凝土電阻率變化只升不降.因此通過對比混凝土在養(yǎng)護(hù)過程中的電阻率變化規(guī)律,可以較好的反映混凝土的養(yǎng)護(hù)效果.由于硅酸鹽水泥混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間必須大于7 d的規(guī)定,可采用養(yǎng)護(hù)齡期7 d之后電阻率的變化程度Δρ來評判混凝土養(yǎng)護(hù)情況.

圖7為齡期7～28 d內(nèi)3種養(yǎng)護(hù)環(huán)境下相鄰天數(shù)混凝土電阻率的變化值分布情況.試驗(yàn)結(jié)果表明在進(jìn)行飽水養(yǎng)護(hù)時(shí),Δρ基本不大于2 kΩ·cm并且分布集中,離散程度較小.在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下,Δρ有一定的離散性,但也基本低于3 kΩ·cm.而在養(yǎng)護(hù)不良的自然狀態(tài)下,Δρ不僅離散程度大而且有逐漸增大的趨勢.故以Δρ來評判混凝土養(yǎng)護(hù)情況時(shí),認(rèn)為當(dāng)Δρ＞3 kΩ·cm時(shí)混凝土內(nèi)部水分缺失過多,需要補(bǔ)充養(yǎng)護(hù)環(huán)境水分,當(dāng)Δρ≤3 kΩ·cm時(shí)認(rèn)為混凝土養(yǎng)護(hù)良好.該方法能快捷敏感的評價(jià)混凝土養(yǎng)護(hù)狀態(tài),在工程現(xiàn)場有一定的參考價(jià)值.

圖7 相鄰天數(shù)水工混凝土電阻率變化值散點(diǎn)圖

3 結(jié) 論

1)水工混凝土電阻率的增長與養(yǎng)護(hù)環(huán)境的潮濕程度呈負(fù)相關(guān),環(huán)境濕度越大,養(yǎng)護(hù)結(jié)束后阻值也越小,導(dǎo)電性能也越強(qiáng).

2)養(yǎng)護(hù)環(huán)境與水膠比恒定情況下,摻合粉煤灰的水工混凝土電阻率值呈線性增長,其增長速率與粉煤灰摻量呈正相關(guān).

3)比較混凝土7d齡期之后時(shí)電阻率變化值Δρ,可用于評價(jià)水工混凝土養(yǎng)護(hù)效果.當(dāng)Δρ≤3 kΩ·cm時(shí)認(rèn)為混凝土養(yǎng)護(hù)良好,當(dāng)Δρ＞3 kΩ·cm認(rèn)為混凝土養(yǎng)護(hù)不良,需要添加環(huán)境水進(jìn)行養(yǎng)護(hù).

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