濕養(yǎng)護(hù)方式對混凝土表面電阻率影響的試驗(yàn)研究

牛維宏，徐 清，黨玉棟，宋進(jìn)平，張 凱，馬 忍

(1.昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650504；2.云南省建筑科學(xué)研究院 云南省建筑結(jié)構(gòu)與新材料企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650223)

0 引 言

濕養(yǎng)護(hù)方法對混凝土的水化反應(yīng)、強(qiáng)度發(fā)展以及耐久性等方面有重要影響，且越接近混凝土表面，影響程度越大[1-2].隨著濕養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長，混凝土微觀結(jié)構(gòu)會不斷地細(xì)化發(fā)展，宏觀性能也會不斷增強(qiáng)[3].若混凝土早期養(yǎng)護(hù)不良，質(zhì)量達(dá)不到要求，會對結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和耐久性造成很大的危害[4].有研究表明[5]，混凝土強(qiáng)度隨著濕養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長而增大，若濕養(yǎng)護(hù)不足，后期強(qiáng)度會停止發(fā)展甚至倒縮.Beushausen[6]研究了養(yǎng)護(hù)時(shí)間對混凝土收縮性能的影響，結(jié)果表明，延長養(yǎng)護(hù)時(shí)間可以減緩混凝土收縮，且降低收縮率.葉青等[7]針對混凝土濕養(yǎng)護(hù)時(shí)間對抗碳化能力的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，隨著混凝土濕養(yǎng)護(hù)時(shí)間的減少，其抗碳化能力會明顯降低.混凝土中鋼筋腐蝕速度受多種因素影響，其中主要的影響因素為混凝土保護(hù)層的電阻率[8].混凝土保護(hù)層密實(shí)度越高，其電阻率越大，使得鋼筋腐蝕得不到充足的氧氣，銹蝕速度減小[9].有研究表明[10]，混凝土早期濕養(yǎng)護(hù)不足，水泥的水化產(chǎn)物未完整形成，使得混凝土的孔隙率增加，耐久性變差，進(jìn)而使得鋼筋腐蝕速度加快，降低鋼筋混凝土耐久性.

在施工現(xiàn)場中，混凝土的濕養(yǎng)護(hù)一直被忽視，有研究表明[11]，混凝土表面電阻率是一個(gè)電學(xué)參數(shù)，其反映了每單位長度混凝土阻擋電流的能力，屬于混凝土表層性能.表面電阻率對表層混凝土濕度變化極為敏感，李美利等[12]研究了混凝土電阻率在不同濕度條件下隨深度的變化情況，結(jié)果表明，環(huán)境相對濕度越低，混凝土表面電阻率越高.而濕養(yǎng)護(hù)對表層混凝土濕度有直接影響，在不同濕養(yǎng)護(hù)方式下混凝土表層水分耗散程度不同，導(dǎo)致其表層濕度不同.

本文對C30無筋混凝土及C30鋼筋混凝土的表面電阻率在不同濕養(yǎng)護(hù)方式下，隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長進(jìn)行測試，以揭示不同濕養(yǎng)護(hù)方式對混凝土表面電阻率的影響規(guī)律.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)用原材料

水泥選用42.5級普通硅酸鹽水泥，骨料選用云南本地碎石，混合砂(山砂∶機(jī)制砂=4∶6).其性能指標(biāo)如表 1～表 3 所示.

表 1 泥物理性能

表 2 細(xì)骨料性能指標(biāo)

表 3 天然碎石性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)配合比

試驗(yàn)用混凝土試件強(qiáng)度等級為C30，配比如表 4 所示.

表 4 C30混凝土配比

1.3 試件成型及養(yǎng)護(hù)

根據(jù)表 4，制作成型C30無筋混凝土和鋼筋混凝土試件.其中，無筋混凝土試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm.鋼筋混凝土試件尺寸為450 mm×350 mm×60 mm，混凝土試件的幾何尺寸以及配筋情況如圖 1 所示，鋼筋之間采用綁扎連接.

圖 1 鋼筋混凝土試件的尺寸及配筋圖

混凝土試件成型后，在表面覆蓋一層塑料薄膜，于室溫(20±5)℃環(huán)境下靜置1 d后拆模，拆模后將無筋混凝土試件與鋼筋混凝土試件分別置于表 5 所設(shè)計(jì)的養(yǎng)護(hù)方式下進(jìn)行養(yǎng)護(hù).

表 5 C30混凝土試件的養(yǎng)護(hù)方式

1.4 表面電阻率試驗(yàn)

試驗(yàn)采用電阻測試儀Resitest-400M對混凝土表層電阻率進(jìn)行測試，表面電阻儀測試原理如圖 2 所示，Resitest-400M通過使外面兩個(gè)電極通過電流來測量兩個(gè)內(nèi)部電極上產(chǎn)生的電壓，并將表層電阻率顯示在主機(jī)上.

圖 2 表面電阻儀原理圖

測試時(shí)，將電阻測試儀wenner探頭沿混凝土4個(gè)側(cè)表面(除了澆筑面及澆筑面對立面)的對角線進(jìn)行測量，試件表面電阻率測試如圖 3 所示，每個(gè)面量取兩個(gè)電阻率數(shù)據(jù)，將平均偏差超過±15% 的數(shù)據(jù)舍棄，取剩余測試值的平均值為測量值.

圖 3 混凝土試件表面電阻率測試圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 無筋混凝土試驗(yàn)結(jié)果及分析

用表面電阻測試儀對表 5 中不同濕養(yǎng)護(hù)方式下無筋混凝土不同齡期的表面電阻率進(jìn)行測試，所得試驗(yàn)結(jié)果如圖 4 所示.

圖 4 不同濕養(yǎng)護(hù)方式下無筋混凝土表面電阻率隨齡期的變化

從圖 4 可以看出：

1)自然干燥養(yǎng)護(hù)下的無筋混凝土表面電阻率隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，變化幅度最大；而標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)與28 d灑水蓋膜養(yǎng)護(hù)下的無筋混凝土表面電阻率隨養(yǎng)護(hù)齡期增長，變化幅度較小且趨于平緩.

2)在持續(xù)灑水3 d，持續(xù)灑水7 d、持續(xù)灑水14 d的養(yǎng)護(hù)方式下，處于灑水期間時(shí)，無筋混凝土表面電阻率隨養(yǎng)護(hù)齡期增長的變化情況比較接近，介于自然干燥養(yǎng)護(hù)和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)及28 d灑水蓋膜養(yǎng)護(hù)之間；當(dāng)停止灑水后，無筋混凝土表面電阻率增長幅度顯著加大.

其原因是，在水化初期，液相離子的導(dǎo)電作用占主導(dǎo)地位，電阻率較??；在水化后期，隨著混凝土表層水的消耗，液相離子的導(dǎo)電作用逐漸轉(zhuǎn)化為液相離子與固相電子傳導(dǎo)的共同作用，結(jié)構(gòu)逐漸密實(shí)，混凝土表層電阻率逐漸變大[12].由于混凝土表面含水率是決定其表面電阻率的主要因素，在混凝土凝結(jié)硬化過程中，表層水分變化的最主要原因是蒸發(fā)和水化[13-14].凝結(jié)硬化初期，新制試樣表層混凝土水分含量較多，表面水分的蒸發(fā)保持類似恒定速率，一段時(shí)間后表層水分含量較低，從而逐步限制蒸發(fā)速率，使得蒸發(fā)速率隨著齡期增長而減小，混凝土表層蒸發(fā)失水導(dǎo)致水分的相對含量變??；同時(shí)因水泥水化作用，部分水作為反應(yīng)物被消耗，進(jìn)而混凝土表層水分含量降低，表面電阻率隨著齡期的增長而增加.

混凝土表面電阻率在不同濕養(yǎng)護(hù)方式下的變化幅度不同，當(dāng)試件處于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)或28 d灑水蓋膜養(yǎng)護(hù)的條件時(shí)，表層區(qū)域混凝土所接觸的環(huán)境潮濕度較高，環(huán)境濕度越大，表層混凝土孔隙的飽水率就越高[15]，因此隨齡期增長混凝土表面電阻率變化的幅度小且較為平緩.自然干燥養(yǎng)護(hù)下的試件，受環(huán)境影響表層水分蒸發(fā)速率變大，并且水泥水化消耗部分水，使得水分喪失較多，導(dǎo)致混凝土表面電阻率變化幅度最大.當(dāng)試件處于短期持續(xù)灑水養(yǎng)護(hù)下時(shí)，初期混凝土由于水化反應(yīng)與蒸發(fā)失水使表層自由水減少，但通過灑水對水分進(jìn)行了補(bǔ)充，灑水使得混凝土表面濕度增大，表面電阻率較小.一旦停止灑水，處于自然干燥環(huán)境后，表層水分因水化作用和蒸發(fā)，喪失較快又得不到及時(shí)補(bǔ)充，則混凝土表面電阻率增長幅度顯著加大.

2.2 鋼筋混凝土試驗(yàn)結(jié)果及分析

用表面電阻測試儀對表 5 中不同濕養(yǎng)護(hù)方式下鋼筋混凝土不同齡期的上表面和底面(圖1所示)電阻率分別進(jìn)行測試，所得試驗(yàn)結(jié)果如圖 5 所示.

圖 5 不同濕養(yǎng)護(hù)方式下鋼筋混凝土表面電阻率隨齡期的變化

從圖 5 可以看出：

1)養(yǎng)護(hù)方式和鋼筋保護(hù)層厚度均會對混凝土表面電阻率產(chǎn)生影響.

2)無論何種養(yǎng)護(hù)方式，相同齡期試件上表面所測得表面電阻率比試件底面所測得表面電阻率大.

3)相同齡期鋼筋混凝土試件同一側(cè)面，干燥養(yǎng)護(hù)方式下所測表面電阻率均比蓋膜養(yǎng)護(hù)方式下所測表面電阻率大.

鋼筋混凝土的電阻主要受混凝土保護(hù)層的厚度以及鋼筋與基體間的界面電阻的影響[16]，而試件上表面距鋼筋網(wǎng)的距離大于底面距鋼筋網(wǎng)的距離，即上表面保護(hù)層厚度大于底面保護(hù)層厚度.在鋼筋混凝土中保護(hù)層作為鋼筋的保護(hù)屏障，阻礙了水分與氯離子等腐蝕物質(zhì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部腐蝕鋼筋表面[8]，隨著混凝土保護(hù)層厚度的增加，混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕速度減小，當(dāng)混凝土保護(hù)層較小時(shí)，部分腐蝕物質(zhì)容易進(jìn)入混凝土內(nèi)部造成鋼筋銹蝕，使得保護(hù)層的密實(shí)度減小，進(jìn)而使混凝土保護(hù)層電阻降低，混凝土表面電阻率減小，所以相同養(yǎng)護(hù)方式下，混凝土表面電阻率隨著混凝土保護(hù)層的增大而增加，即相同齡期試件底面電阻率小于上表面電阻率.

保護(hù)層厚度對混凝土表面電阻率會產(chǎn)生影響，但混凝土表層水分是否充足對其表面電阻率的影響作用較大.混凝土表層含水率是決定其表面電阻率的主要因素[12]，當(dāng)混凝土試件處于干燥養(yǎng)護(hù)方式時(shí)，表層混凝土接觸環(huán)境濕度低，混凝土表層水分散失較快，使得表層混凝土含水率低，電阻率變化大；在蓋膜養(yǎng)護(hù)方式下，用塑料膜覆蓋以減少混凝土表面的水分蒸發(fā)，使得表層混凝土所處環(huán)境濕度保持較高，表面電阻率的變化幅度較小.所以，干燥養(yǎng)護(hù)方式下相同齡期鋼筋混凝土試件同一側(cè)面所測表面電阻率均比蓋膜養(yǎng)護(hù)方式下所測表面電阻率大.

3 結(jié) 論

1)濕養(yǎng)護(hù)時(shí)間與無筋混凝土和鋼筋混凝土表面電阻率呈負(fù)相關(guān)，濕養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長，混凝土表面電阻率變化幅度越小.

2)保護(hù)層厚度對混凝土試件表面電阻率有一定影響，但混凝土表層水分是否充足對其表面電阻率的影響較大.

3)混凝土在濕養(yǎng)護(hù)充分的條件下，表面電阻率隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長，其變化幅度較小且變化相對平緩.