李 闖, 范穎芳, 李秋超
(大連海事大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院, 遼寧 大連 116026)
20世紀(jì)以來(lái),惡劣環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)工程耐久性問(wèn)題凸現(xiàn)并日益加劇,如何提高混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命成為困擾土木工程界的一大難題.進(jìn)入21世紀(jì),結(jié)合港珠澳大橋、杭州灣跨海大橋等大型實(shí)際工程的設(shè)計(jì)和建設(shè),基于全壽命周期的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究成為土木工程界的研究熱點(diǎn).混凝土結(jié)構(gòu)破壞源于材料的破壞,提高混凝土材料自身耐久性必然對(duì)改善混凝土結(jié)構(gòu)耐久性起到至關(guān)重要的作用.另外,著名的“五倍定律”形象地表明,在全壽命周期對(duì)結(jié)構(gòu)實(shí)施監(jiān)測(cè)、及時(shí)對(duì)損傷部位采取措施是維護(hù)結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營(yíng),延長(zhǎng)服役壽命的重要保障.
為了提高混凝土自身性能,近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了偏高嶺土(MK)對(duì)水泥基材料物理力學(xué)性能[1]及耐久性[2-3](氯離子滲透性、硫酸鹽侵蝕、堿骨料反應(yīng)等)的影響規(guī)律,獲得了較好的效果.眾所周知,惡劣環(huán)境下混凝土內(nèi)部鋼筋的銹蝕過(guò)程是一個(gè)電化學(xué)過(guò)程,這一過(guò)程與混凝土自身導(dǎo)電性能密切相關(guān).另一方面,水泥水化產(chǎn)物、粗細(xì)骨料電阻率較大,混凝土內(nèi)部電流傳導(dǎo)主要以孔隙離子溶液為媒介,因此其導(dǎo)電性同時(shí)反映出內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)和離子濃度等特性.然而,受到服役環(huán)境下復(fù)雜因素的影響,混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電性能不斷變化,直接影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性.迄今為止,有關(guān)全壽命周期偏高嶺土水泥基材料導(dǎo)電性能及其耐久性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的研究尚未見報(bào)道,相關(guān)研究十分重要,亟待開展.
電化學(xué)阻抗譜(EIS)是一種利用低幅值、變頻率交流電來(lái)研究材料性能的無(wú)損檢測(cè)方法,目前已被廣泛應(yīng)用于水泥基材料氯離子滲透性[4-5]以及水泥基材料內(nèi)部埋置鋼筋腐蝕行為[6-7]等方面的研究,并取得了一定的成果.在研究水泥基材料的導(dǎo)電性能方面,與常規(guī)直流電流法相比,EIS能夠減小孔隙溶液中離子定向移動(dòng)產(chǎn)生的極化現(xiàn)象[8],提高阻抗測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性,由EIS得到的電化學(xué)參數(shù)還能在一定程度上反映水泥基材料內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的變化規(guī)律[9-10].
為研究偏高嶺土對(duì)水泥基材料導(dǎo)電性能的影響規(guī)律,本文采用電化學(xué)阻抗譜,揭示MK對(duì)水泥水化、凝結(jié)、硬化全過(guò)程導(dǎo)電性能的影響規(guī)律,探討電化學(xué)參數(shù)與材料物理力學(xué)性能指標(biāo)之間的關(guān)系,以期實(shí)現(xiàn)全壽命周期MK水泥基材料物理力學(xué)性能的無(wú)損監(jiān)測(cè).
水泥選用P·Ⅰ 42.5基準(zhǔn)水泥;偏高嶺土(MK)為內(nèi)蒙古超牌偏高嶺土有限公司生產(chǎn),由高嶺石原礦經(jīng)煅燒后研磨而成,其化學(xué)組成見表1,其XRD圖譜如圖1所示,MK和水泥的粒徑分布如圖2所示;拌和水為蒸餾水.
表1 偏高嶺土化學(xué)組成
圖1 MK的XRD圖譜Fig.1 XRD spectrum of MK
圖2 MK和水泥的粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of MK and cement
由圖1可以看出,MK的衍射峰呈彌散狀,為結(jié)晶態(tài)較差的過(guò)渡相.由圖2可見,MK和水泥的中位粒徑(D50)分別為1.75、14.26μm.
采用等量替代法,水膠比1)為0.4,MK摻量取0%、5%、10%、15%,對(duì)應(yīng)試件編號(hào)分別為M0、M5、M10、M15.為確保MK均勻分散于水泥中,先將MK加入拌和水中攪拌均勻形成懸濁液,隨后將其加入水泥中攪拌得到水泥凈漿;將水泥凈漿分3次注入ABS塑料模具(尺寸為40mm×40mm×40mm)中插搗密實(shí),模具內(nèi)側(cè)貼有2片相對(duì)布置的鏡面不銹鋼電極.試件成型后即放入(20±1)℃霧室中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期(0、4、8、12、24h和7、14、21、28d).另外,每種MK摻量下制備6個(gè)不帶電極的試件(尺寸為40mm×40mm×40mm),與帶電極的試件在同條件下養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期后(7、14、21、28d)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試,結(jié)果取平均值.
1)文中涉及的水膠比、摻量等除特別指明外均為質(zhì)量比或質(zhì)量分?jǐn)?shù).
利用Bio-Logic SP300電化學(xué)工作站測(cè)試水泥凈漿的電化學(xué)阻抗譜,試驗(yàn)中正弦交流電幅值為10mV,測(cè)試頻率為7MHz~0.01Hz.為了獲得水泥凈漿內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)分布特征,采用AutoPore Ⅳ9500型壓汞儀(MPI)測(cè)試水泥凈漿孔徑.水泥凈漿的抗壓強(qiáng)度測(cè)試?yán)肶AW-2000A型壓力試驗(yàn)機(jī)完成.
2.1.1水化24h內(nèi)普通水泥凈漿阻抗譜
水泥基材料在水化過(guò)程中會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)[9-11].這種電化學(xué)反應(yīng)是發(fā)生在固/液界面上的氧化還原反應(yīng),是一個(gè)法拉利過(guò)程,具體包括傳質(zhì)過(guò)程(反應(yīng)物在溶液中的遷移過(guò)程)和電荷傳遞過(guò)程(反應(yīng)物在固體表面的吸附、反應(yīng)、脫附過(guò)程).圖3為水泥基材料電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的典型電化學(xué)阻抗譜Randles型Nyquist圖(Z′為阻抗實(shí)部,Z″為阻抗虛部).由圖3可見該曲線由2部分組成:高頻區(qū)為半圓形圓弧,該圓弧直徑為電荷轉(zhuǎn)移電阻(Rct),反映電荷傳遞過(guò)程;低頻區(qū)為1條傾斜的直線,反映傳質(zhì)過(guò)程.
圖3 典型的Randles型Nyquist圖Fig.3 Typical Nyquist plot(Randles type)
水化24h內(nèi)普通水泥凈漿的Nyquist圖如圖4所示,其中高頻區(qū)與Z″=0Ω水平軸的交點(diǎn)為孔隙溶液電阻R0.由圖4可見:水化不超過(guò) 12h 時(shí),普通水泥凈漿阻抗譜非Randles型,而是在高頻區(qū)出現(xiàn)了負(fù)電容,表明此時(shí)水泥凈漿內(nèi)部未發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),高頻區(qū)出現(xiàn)負(fù)電容是由阻滯效應(yīng)所致[11];隨水化時(shí)間延長(zhǎng),水泥凈漿孔隙溶液電阻R0逐步增大,水化時(shí)間為15min、4h、8h和12h時(shí),水泥凈漿R0值分別為17.5、18.0、24.0、30.0Ω.研究表明,孔隙溶液電阻R0與水泥凈漿離子濃度和孔隙率成反比,然而在水化早期,水泥凈漿內(nèi)部離子濃度變化甚微[8],因此,R0隨齡期增長(zhǎng)主要是由于水化產(chǎn)物占據(jù)水泥凈漿內(nèi)部空間引起孔隙率降低所致.由圖4還可見,水化達(dá)到24h時(shí),水泥凈漿阻抗譜由非Randles型轉(zhuǎn)變?yōu)镽andles型.究其原因,主要是由于水泥水化過(guò)程中電化學(xué)反應(yīng)只能在水化硅酸鈣凝膠(C-S -H)表面發(fā)生,只有當(dāng)水泥凈漿內(nèi)C-S -H凝膠量足夠時(shí)電化學(xué)反應(yīng)才能正常進(jìn)行[12].水泥水化24h后,水泥凈漿內(nèi)已經(jīng)積累了足夠量的C-S-H凝膠,使水泥凈漿內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)得以正常進(jìn)行;同時(shí),出現(xiàn)Randles型阻抗譜也說(shuō)明水泥凈漿內(nèi)部不連通的孔道結(jié)構(gòu)開始形成[9].
圖4 水化24h內(nèi)普通水泥凈漿的Nyquist圖Fig.4 Nyquist plots of plain cement paste hydrated in 24h
2.1.2養(yǎng)護(hù)1~28d時(shí)普通水泥凈漿阻抗譜
Bode圖是阻抗譜的另一種表達(dá)方式,可以顯示出阻抗模數(shù)|Z|隨頻率f的變化規(guī)律.養(yǎng)護(hù)1~28d時(shí)普通水泥凈漿Nyquist圖與Bode圖如圖5所示.由圖5可以看出,隨齡期增加,Nyquist圖中阻抗譜整體向右平移,曲線高頻區(qū)半圓半徑隨之增大;Bode圖中高頻區(qū)阻抗模數(shù)|Z|1逐步增加.
圖5 養(yǎng)護(hù)1~28d時(shí)普通水泥凈漿的Nyquist圖與Bode圖Fig.5 Nyquist and Bode plots of plain cement pastes at 1-28d
養(yǎng)護(hù)1~28d時(shí)普通水泥凈漿電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct1與高頻區(qū)阻抗模數(shù)|Z|1值見表2(Rct1的具體計(jì)算方法見2.3.2節(jié)).由表2可以看出:隨著齡期的增加,普通水泥凈漿的Rct1增大,Rct1在早齡期(1~14d)增長(zhǎng)較快,之后(21~28d)增長(zhǎng)放緩;與養(yǎng)護(hù)1d 時(shí)相比,養(yǎng)護(hù)14、28d時(shí)的Rct1值分別增大了9.4倍和12.3倍;普通水泥凈漿的|Z|1隨著齡期的增加而增大,增長(zhǎng)趨勢(shì)與Rct1一致.這是因?yàn)?隨齡期增加,普通水泥凈漿中C-S-H凝膠不斷積累,材料密實(shí)度提高,對(duì)電流阻礙作用逐漸增強(qiáng).在早齡期(1~14d)普通水泥凈漿內(nèi)C-S-H凝膠生長(zhǎng)較快,密實(shí)度提高較大,Rct1與|Z|1增速較快;之后(21~28d)水泥凈漿內(nèi)C-S-H凝膠生長(zhǎng)較慢,密實(shí)度提高較小,Rct1與|Z|1增速緩慢.
表2 養(yǎng)護(hù)1~28d時(shí)普通水泥凈漿的Rct1與|Z|1
2.2.1水化24h內(nèi)MK水泥凈漿阻抗譜
圖6為水化24h內(nèi)MK水泥凈漿的Nyquist圖.由圖6(a)可見:在水化4h前,MK水泥凈漿與普通水泥凈漿阻抗譜形式相同,均為非Randles型;各MK水泥凈漿孔隙溶液電阻R0均高于同期普通水泥凈漿,且R0隨MK摻量增加而增大.究其原因:(1)MK增加了水泥凈漿稠度,阻礙了離子在孔隙溶液中的遷移;(2)MK替代了部分水泥,從而使水灰比增大,孔隙溶液離子濃度降低;(3)MK促進(jìn)了水泥水化,水化產(chǎn)物生成量增加,水泥凈漿孔隙率降低.由圖6(b)可見,當(dāng)水化8h時(shí),MK水泥凈漿阻抗譜呈Randles型,這說(shuō)明此時(shí)水泥凈漿內(nèi)電化學(xué)反應(yīng)正常進(jìn)行,水泥凈漿內(nèi)部不連通的孔道結(jié)構(gòu)已經(jīng)形成.由圖6(c)可見,水化12h時(shí),MK水泥凈漿阻抗譜形式保持不變,高頻區(qū)半圓半徑較水化8h時(shí)有所增大,且增大程度隨MK摻量增加而增大.由圖6(d)可見,水化24h時(shí),高頻區(qū)半圓半徑隨MK摻量增加而增大的趨勢(shì)更為顯著.綜上所述,MK水泥凈漿內(nèi)部發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的時(shí)間早于普通水泥凈漿,且同齡期時(shí)隨MK摻量增加高頻區(qū)半圓半徑增大,說(shuō)明MK明顯加快了水泥凈漿的水化進(jìn)程.這一現(xiàn)象與目前有關(guān)MK能夠促進(jìn)水泥水化的研究成果[13-14]相吻合.
圖6 水化24h內(nèi)MK水泥凈漿的Nyquist圖Fig.6 Nyquist plots of MK cement pastes hydrated in 24h
2.2.2養(yǎng)護(hù)28d時(shí)MK水泥凈漿阻抗譜
圖7為養(yǎng)護(hù)28d時(shí)水泥凈漿的Nyquist圖與Bode圖.由圖7可以看出,隨MK摻量增加,水泥凈漿高頻區(qū)半圓半徑和高頻區(qū)阻抗模數(shù)|Z|1均增大.養(yǎng)護(hù)28d 時(shí)普通水泥凈漿和MK水泥凈漿的電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct1與高頻區(qū)阻抗模數(shù)|Z|1列于表3.
圖7 養(yǎng)護(hù)28d時(shí)水泥凈漿的Nyquist圖與Bode圖Fig.7 Nyquist and Bode plots of cement pastes at 28d
表3 養(yǎng)護(hù)28d時(shí)水泥凈漿的Rct1與|Z|1
由表3可見,隨著MK摻量的增加,水泥凈漿電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct1不斷增加,當(dāng)MK摻量為5%、10%、15%時(shí),MK水泥凈漿的Rct1較普通水泥凈漿分別增長(zhǎng)了1.2、6.2、9.3倍;隨著MK摻量的增加,水泥凈漿的|Z|1大幅提高,以1000kHz時(shí)為例,MK水泥凈漿的|Z|1較普通水泥凈漿分別增長(zhǎng)了0.6、2.3、2.9倍.Rct1與|Z|1的增長(zhǎng)主要是因?yàn)殡S著MK摻量的增加,同齡期水泥凈漿中C-S-H 凝膠生成量增加,內(nèi)部密實(shí)度提高,對(duì)電流傳導(dǎo)的阻礙作用增強(qiáng).
2.3.1等效電路模型的建立
在對(duì)水泥基材料電化學(xué)阻抗譜的解析及應(yīng)用中,等效電路法被普遍采用.該方法通過(guò)由電容、電感、電阻等電化學(xué)元件串、并聯(lián)組成的等效電路模型來(lái)分析電化學(xué)體系的阻抗譜,用所得電化學(xué)元件的參數(shù)值來(lái)表征電化學(xué)體系的特征.Dong等[10]利用了1種考慮水泥凈漿/電極界面擴(kuò)散過(guò)程的等效電路模型,研究了礦渣水泥基材料電化學(xué)阻抗譜特性,取得了理想的結(jié)果.
水泥凈漿內(nèi)部的固/液界面實(shí)為水化產(chǎn)物與孔溶液間的界面,電荷傳遞過(guò)程在粗糙的水化產(chǎn)物表面進(jìn)行,粗糙的固體表面使得固/液界面雙電層電容隨頻率變化,導(dǎo)致實(shí)測(cè)水泥凈漿阻抗譜發(fā)生“偏轉(zhuǎn)”,產(chǎn)生彌散效應(yīng)[15-16].考慮到這種“彌散效應(yīng)”的影響,為了從MK水泥凈漿的阻抗譜中準(zhǔn)確地獲得電化學(xué)參數(shù),本文建立了1種同時(shí)考慮彌散效應(yīng)以及水泥凈漿/電極界面擴(kuò)散過(guò)程的等效電路模型,該模型用等效電路代碼可表示為R0(CPE1(Rct1W1))(CPE2(Rct2W2)),其中,R0為水泥凈漿孔隙溶液電阻,Rct2為水泥凈漿/電極間電荷傳遞過(guò)程的電阻,W1為水泥凈漿內(nèi)發(fā)生擴(kuò)散過(guò)程的Warburg阻抗,W2為水泥凈漿/電極界面擴(kuò)散過(guò)程的Warburg阻抗,CPE1為反映水泥凈漿內(nèi)部固/液界面雙電層性質(zhì)的常相角元件,CPE2為反映水泥凈漿/電極界面雙電層性質(zhì)的常相角元件,CPE是一種特殊電化學(xué)元件,其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:
(1)
式中:Z為CPE的阻抗;Y為導(dǎo)納;ω為角頻率;n為常相角指數(shù),當(dāng)n分別等于0、1、-1時(shí),CPE即電阻R、電容C和電感L;j為虛數(shù)單位.
常相角指數(shù)n與阻抗譜的偏轉(zhuǎn)角度α有關(guān),n與α的關(guān)系如式(2)所示.
α=(1-nπ)/2
(2)
本文建立的等效電路模型的阻抗數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:
(3)
式中:YCPE1、YCPE2分別為常相角元件CPE1、CPE2的導(dǎo)納;σ1、σ2分別為W1、W2的擴(kuò)散阻抗系數(shù).
2.3.2等效電路模型的驗(yàn)證
為了驗(yàn)證本文等效電路模型的有效性,基于試件M15在28d時(shí)的Nyquist圖,分別利用以下3種等效電路模型進(jìn)行分析:(1)考慮彌散效應(yīng),忽略水泥凈漿/電極界面擴(kuò)散過(guò)程的等效電路模型R0(CPE1(Rct1W1)),該模型為驗(yàn)證本文試驗(yàn)結(jié)果建立的基本模型;(2)忽略彌散效應(yīng),考慮水泥凈漿/電極界面擴(kuò)散過(guò)程的等效電路模型R0(Q1(Rct1W1))(Q2(Rct2W2)),即Dong模型[10],其中Q1為水泥凈漿內(nèi)部固/液界面的雙電層電容、Q2為水泥凈漿/電極界面的雙電層電容;(3)本文提出的同時(shí)考慮彌散效應(yīng)、水泥凈漿/電極界面擴(kuò)散過(guò)程的等效電路模型R0(CPE1(Rct1W1))(CPE2(Rct2W2)).3種等效電路模型的分析結(jié)果見圖8.
圖8 3種等效電路模型的分析結(jié)果Fig.8 Analytical results by the three equivalent circuit models
由圖8可見:模型R0(CPE1(Rct1W1))的低頻區(qū)阻抗譜與實(shí)測(cè)曲線偏差較大;模型R0(Q1(Rct1W1))(Q2(Rct2W2))的高頻區(qū)阻抗譜更接近半圓,與實(shí)際已發(fā)生“偏轉(zhuǎn)”的實(shí)測(cè)曲線偏差較大;本文提出的等效電路模型對(duì)高、低頻區(qū)阻抗譜的分析結(jié)果都較為理想.
利用本文模型分析得到不同齡期水泥凈漿的電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct1,見表4.由表4可見:相同齡期水泥凈漿Rct1隨MK摻量增加而增大,養(yǎng)護(hù)28d時(shí)試件M15的Rct1較試件M0增加9.3倍;相同MK摻量水泥凈漿早期(7、14、21d)的Rct1增長(zhǎng)速度較快,其中以試件M15的Rct1增幅最多,21d時(shí)比7d時(shí)增大4.8倍,養(yǎng)護(hù)21~28d 時(shí),Rct1增長(zhǎng)較慢.
表4 不同齡期水泥凈漿的Rct1
2.3.3抗壓強(qiáng)度與電化學(xué)參數(shù)
為了探索力學(xué)性能指標(biāo)與電化學(xué)參數(shù)之間的相關(guān)性,對(duì)水泥凈漿抗壓強(qiáng)度f(wàn)c與Rct1之間的關(guān)系進(jìn)行分析,結(jié)果見圖9.由圖9可見:普通水泥凈漿和MK水泥凈漿試件的抗壓強(qiáng)度與Rct1之間均表現(xiàn)出較好的線性關(guān)系;同種MK摻量水泥凈漿試件的抗壓強(qiáng)度隨Rct1的增加而增加;隨著MK摻量的增加,水泥凈漿抗壓強(qiáng)度隨Rct1的增速變緩.
圖9 水泥凈漿抗壓強(qiáng)度與Rct1的關(guān)系Fig.9 Relations between compressive strength and Rct1 of cement pastes
2.3.4孔結(jié)構(gòu)參數(shù)與電化學(xué)參數(shù)
為了驗(yàn)證EIS得到的試驗(yàn)結(jié)果,揭示孔結(jié)構(gòu)參數(shù)與電化學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系,對(duì)養(yǎng)護(hù)28d的水泥凈漿進(jìn)行MIP測(cè)試,得到孔徑分布曲線如圖10所示,孔結(jié)構(gòu)參數(shù)如表5所示,水泥凈漿孔隙率與電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct1、1000kHz時(shí)高頻區(qū)阻抗模數(shù)|Z|1的關(guān)系如圖11所示.
圖10 養(yǎng)護(hù)28d時(shí)水泥凈漿的孔徑分布曲線Fig.10 Pore diameter distribution curves of cement pastes at 28d
表5 養(yǎng)護(hù)28d時(shí)水泥凈漿的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)
圖11 水泥凈漿孔隙率與電化學(xué)參數(shù)的關(guān)系Fig.11 Relationship between porosity of cement pastes and electrochemical parameters
由表5可見,隨著MK摻量的增加,水泥凈漿平均孔徑、中位孔徑和孔隙率減小,比表面積增大,這說(shuō)明MK提高了水泥凈漿的密實(shí)程度,細(xì)化了水泥凈漿的孔結(jié)構(gòu).由圖11可以看出水泥凈漿孔隙率隨Rct1和|Z|1的增加而減小,孔隙率與Rct1、|Z|1呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)量有限,孔隙率與Rct1、|Z|1的具體關(guān)系還有待進(jìn)一步研究.
(1)MK水泥凈漿內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生時(shí)間早于普通水泥凈漿;隨著MK摻量和齡期的增加,MK水泥凈漿的高頻區(qū)阻抗模數(shù)|Z|1和電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct1提高,MK能夠促進(jìn)水泥凈漿的水化進(jìn)程.
(2)提出了1種能夠同時(shí)考慮彌散效應(yīng)和水泥凈漿/電極界面擴(kuò)散過(guò)程的等效電路模型,與文獻(xiàn)模型相比,該模型與試驗(yàn)結(jié)果更為吻合.
(3)MK水泥凈漿電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct1能夠較好地反映MK水泥凈漿的抗壓性能;MK能夠細(xì)化水泥凈漿的孔結(jié)構(gòu);MK水泥凈漿的孔隙率與電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct1、高頻區(qū)阻抗模數(shù)|Z|1呈負(fù)相關(guān)關(guān)系.