低活性礦渣內(nèi)養(yǎng)護水泥砂漿自收縮與電阻率的關系

杜玉會,李雙喜

（新疆農(nóng)業(yè)大學 水利與土木工程學院；新疆水利工程安全與水災害防治重點實驗室，烏魯木齊 830052）

因滲透性差，外部養(yǎng)護水分難以進入高性能混凝土內(nèi)部，由此產(chǎn)生的自收縮會導致其開裂敏感性提高[1-2]。目前，常用于降低混凝土收縮開裂的方式有內(nèi)養(yǎng)護、添加減縮劑或膨脹劑等[3-5]。研究發(fā)現(xiàn)，減縮劑僅對干燥環(huán)境下的干燥收縮抑制效果較好，并且由于其成本較高，推廣使用受限[6]。膨脹劑發(fā)揮其膨脹效能需水量大，若膨脹劑摻量不合理，將導致過度或不均勻膨脹，進而導致混凝土開裂[7]。而內(nèi)養(yǎng)護是利用高吸水材料在混凝土硬化過程中釋放水分，起到“蓄水池”的作用，維持混凝土體系內(nèi)部的濕度，以減小自干燥收縮，達到傳統(tǒng)養(yǎng)護方式達不到的養(yǎng)護效果[8]。其中，有機類SAP 高吸水性樹脂[9-12]的研究及應用較為廣泛，其吸水倍率較高但SAP 吸水后易黏結(jié)，在漿體內(nèi)分布不均勻，與混凝土的界面結(jié)合能力較弱[13]。而在無機內(nèi)養(yǎng)護材料中，有研究發(fā)現(xiàn)，輕骨料[14]、浮石[2]、沸石[15]和珊瑚砂[16]等具有一定內(nèi)養(yǎng)護作用，但存在骨料上浮的問題。筆者選取低活性礦渣替代細集料作為內(nèi)養(yǎng)護材料，其原狀礦渣的粒度、物理性能與沙子相近，多孔性使其可以預吸大量的自由水。相較其他內(nèi)養(yǎng)護材料具有一定的化學活性，不存在分布不均與骨料上浮的問題。低活性礦渣作為內(nèi)養(yǎng)護劑既能解決混凝土收縮開裂等問題，又能有效緩解天然砂的資源消耗，還能進一步提高低活性礦渣的利用率。但現(xiàn)有研究主要利用其磨細粉體制備水泥[17-18]，或利用其顆粒料部分替代砂[19-20]來研究其對混凝土力學性能的影響，而將低活性礦渣顆粒作為內(nèi)養(yǎng)護材料研究其內(nèi)養(yǎng)護效應并討論自收縮與電阻率相互關系鮮有報道。筆者以預吸水低活性礦渣作為內(nèi)養(yǎng)護材料，通過非接觸式自收縮試驗和非接觸式電阻率試驗，探究在內(nèi)養(yǎng)護的作用下水泥砂漿自收縮與電阻率之間的關系。

1 試驗

1.1 試驗材料

水泥：山東魯城P·I 42.5 硅酸鹽水泥，其化學成分及礦物組成指標見表1，物理性能指標見表2。

表1 P·I 42.5 硅酸鹽水泥化學成分及礦渣組成Table 1 Chemical composition and mineral composition of Portland cement P·I 42.5%

表2 P·I 42.5 硅酸鹽水泥物理性能Table 2 Physical properties of Portland cement P·I 42.5

低活性礦渣：新疆寶新盛源板結(jié)高爐礦渣，破碎、篩除粒徑大于4.75 mm 的顆粒，細度模數(shù)為2.6，顆粒級配區(qū)間為Ⅱ區(qū)，玻璃體含量為50%，如圖1 所示。微觀形貌如圖2 所示，各項質(zhì)量指標見表3。

圖1 低活性礦渣玻璃體含量Fig.1 Vitreous content of low active slag

圖2 低活性礦渣形貌Fig.2 Morphology of low active slag particles

表3 低活性礦渣技術(shù)指標Table 3 Technology index of low active slag

標準砂：ISO 標準砂。

粉煤灰：新疆烏魯木齊F 類Ⅱ粉煤灰，比表面積為471 m2/kg，需水量比為90%。

減水劑：聚羧酸高性能減水劑，減水率30%以上。

1.2 配合比

試驗配合比見表4，其中低活性礦渣浸泡水中預吸水5 d 達到飽和，最終以飽和面干狀態(tài)摻加，試驗測得低活性礦渣飽和面干吸水率為10%，低活性礦渣摻量以礦渣質(zhì)量占細集料質(zhì)量的百分比計，分別為0%（B0）、15%（B1）、25%（B2）、35%（B3），粉煤灰摻量以粉煤灰占膠凝材料質(zhì)量的35%計；有效水膠比（mw/mB）E指漿體拌和水量與膠凝材料質(zhì)量的比值；內(nèi)養(yǎng)護水量指飽和面干低活性礦渣預吸的自由水量；總水膠比指漿體拌和水和低活性礦渣額外引入的內(nèi)養(yǎng)護水的總量與膠凝材料質(zhì)量之比，通過摻加飽和面干的低活性礦渣引入內(nèi)養(yǎng)護水，增大了總水膠比，但有效水膠比不會發(fā)生變化。

表4 砂漿配合比Table 4 Mix ratio of mortar

1.3 試驗方法

強度試驗：參照《水泥膠砂強度檢測方法（ISO法）》在標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護至規(guī)定齡期，然后進行測試。

電阻率試驗：采用中衡港科（深圳）科技有限公司生產(chǎn)的無電極電阻率測定儀（CCR-3 型），測試溫度為（20±2） ℃，相對濕度為（50±2）%，根據(jù)表4 中配合比拌制砂漿，將新拌砂漿迅速倒入環(huán)形模具中并微微振動模具，排除氣泡，然后加蓋密封，啟動測試。從加水到開始記錄數(shù)據(jù)的時間間隔不超過10 min，記錄頻率為1 次/min，測試齡期為168 h。測試完畢后，用千分尺測量樣品的高度并進行校正，可以得到168 h 內(nèi)電阻率隨時間發(fā)展的曲線。

自收縮試驗：采用NELD-NES730 型號非接觸式混凝土收縮變形測定儀檢測，記錄頻率為1 次/15 min，測試溫度為（20±2） ℃，濕度為（60±5）%，測試齡期為168 h，主要通過兩端的位移傳感器測定無約束狀態(tài)下混凝土發(fā)生的形變，測試裝置如圖3 所示，試模尺寸為100 mm×100 mm×515 mm。具體操作步驟為：1）測試前在試模里涂一層潤滑脂，然后再鋪2 層聚四氟乙烯薄膜，層與層之間涂刷潤滑脂，降低摩擦對試驗結(jié)果的影響；2）將標靶固定在試模兩端，兩個標靶距離大于400 mm，開始澆筑漿體試樣；3）立即密封處理，防止水分蒸發(fā)，調(diào)試試模兩端的位移傳感器，在漿體初凝前開始測試。在整個測試過程中，試樣在變形測定儀上放置的位置、方向均應始終保持固定不變。

圖3 非接觸式混凝土收縮變形測定儀Fig.3 Non-contact measuring instrument for concrete shrinkage deformation

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 低活性礦渣對砂漿力學性能的影響

圖4 為低活性礦渣內(nèi)養(yǎng)護砂漿對其強度的影響。從圖4 可以看出，抗壓強度和抗折強度呈相似的發(fā)展規(guī)律，即摻入低活性礦渣后，在齡期3 d 時砂漿的強度降低幅度較大，但隨著齡期的延長，低活性礦渣的內(nèi)養(yǎng)護效應開始顯現(xiàn)，與基準組相比，低活性礦渣摻量組后期強度發(fā)展相對較快，強度降低幅度明顯變小，養(yǎng)護28 d 時強度與基準組持平或略高于基準組?？傊?，低活性礦渣的引入整體上會抑制砂漿早期強度的發(fā)展，但在齡期7 d 后強度顯著得到補償。主要原因是低活性礦渣本身的物理性能、顆粒強度等劣于標準砂，并且預吸水低活性礦渣以飽和面干狀態(tài)引入，其粗糙表面也將吸收一部分拌和水量，使得漿體拌和水量減少，堿離子濃度下降，從而延緩了早期的水化，導致其早期強度有所降低。但隨著齡期的延長，漿體內(nèi)部相對濕度逐漸降低，這時處于吸水膨潤狀態(tài)的低活性礦渣會由于濕度梯度的作用釋放出水分，供未完全水化的膠凝材料顆粒進一步水化[21]，發(fā)揮其內(nèi)養(yǎng)護作用，使得內(nèi)部濕度顯著增大；并且低活性礦渣具有一定的化學活性，后期化學活性不斷被激發(fā)[19]，使得漿體水化充分，有效改善了漿體的收縮，使得孔結(jié)構(gòu)細化，促進了強度的發(fā)展。

圖4 不同低活性礦渣摻量對砂漿力學性能的影響Fig.4 Effect of different low active slag content on mechanical properties of mortar

2.2 低活性礦渣對砂漿自收縮的影響

圖5 為不同配合比高性能砂漿齡期為7 d 時的自收縮發(fā)展曲線。由圖5 可以看出，不同低活性礦渣摻量組的自收縮發(fā)展變化曲線均呈3 個明顯的階段，即AB段（快速收縮階段）、BC段（短暫膨脹階段）、CD段（緩慢收縮階段）。對比各組在快速收縮階段的自收縮發(fā)展規(guī)律發(fā)現(xiàn)，與基準組相比，低活性礦渣摻量組收縮持續(xù)時間較短，收縮值較小。收縮時間由基準組的0～7 h（B0）縮短為0～5 h、0～4 h、0～4 h（B1、B2、B3），收縮值分別由120 μm/m（B0）縮短為50、26、25 μm/m（B1、B2、B3），隨著低活性礦渣摻量的增加，收縮時間持續(xù)縮短，收縮值持續(xù)下降。在短暫膨脹階段，與基準組相比，低活性礦渣摻量組進入膨脹階段的時間提前，且膨脹時間延長，B0、B1、B2 和B3 的膨脹時間分別為7～9 h、5～10 h、4～12 h、4～13 h，各組膨脹值分別為40、58、73、103 μm/m（B0、B1、B2、B3），由此看出，低活性礦渣內(nèi)養(yǎng)護砂漿的膨脹值隨其摻量的增加而變大?？傮w而言，低活性礦渣對漿體的自收縮具有一定的補償作用，在緩慢收縮階段，低活性礦渣摻量達到35%時完全消除自收縮，體積基本穩(wěn)定，最終表現(xiàn)為自膨脹狀態(tài)，有較多學者也發(fā)現(xiàn)了此現(xiàn)象[22-24]。

圖5 不同低活性礦渣摻量對砂漿自收縮的影響Fig.5 Effect of different low active slag content on autogenous shrinkage of mortar

根據(jù)上述分析，低活性礦渣內(nèi)養(yǎng)護能有效抑制漿體各階段的自收縮，尤其在快速收縮階段和短暫膨脹階段作用最為明顯。主要有兩方面原因：1）水泥水化和環(huán)境干燥都將引發(fā)水泥石毛細孔自由水含量減少、內(nèi)部相對濕度下降，進而在毛細孔內(nèi)形成彎月面，引發(fā)毛細負壓力，導致混凝土收縮[25-26]。自收縮是水泥基體骨架成型后膠凝材料繼續(xù)水化引起內(nèi)部濕度降低而引起的收縮，只要水化不斷進行，自收縮就會持續(xù)產(chǎn)生。在漿體內(nèi)部濕度梯度的作用下，預濕低活性礦渣釋放水分，延緩漿體內(nèi)部自干燥的產(chǎn)生。2）預濕低活性礦渣的摻加增大了漿體的總水膠比，B1、B2、B3 的內(nèi)養(yǎng)護水量分別為20.75、33.75、49.95 g/cm3。除凝膠顆粒外，水泥石中還含有大量的水，水分在混凝土組成材料中的膨脹能力最大，熱膨脹系數(shù)約為210×10-6℃-1，比水泥石的熱膨脹系數(shù)高1 個數(shù)量級[27]，所以低活性礦渣引入的內(nèi)養(yǎng)護水大大提高了混凝土的熱膨脹系數(shù)。漿體產(chǎn)生的熱膨脹變形明顯對自收縮進行補償，自收縮的降低及熱變形的增大進而使?jié){體提前進入短暫膨脹階段，并且增大了此階段的膨脹值，即表現(xiàn)為短暫膨脹階段的特征變化，現(xiàn)有研究[28-30]也證實，內(nèi)養(yǎng)護材料的摻加會引入內(nèi)養(yǎng)護水，使得漿體內(nèi)部的熱膨脹系數(shù)增大，產(chǎn)生膨脹補償自收縮。

2.3 低活性礦渣對砂漿電阻率的影響

圖6 為不同低活性礦渣摻量下砂漿的電阻率發(fā)展規(guī)律。從圖6（a）可以看出，砂漿電阻率發(fā)展存在3個明顯特征：1）在凝結(jié)硬化前，曲線先下降到最低點M，隨著時間的延長，曲線迅速上升后進入緩慢上升階段。2）對比水化齡期為24 h 時的各組電阻率發(fā)展曲線，其中低活性礦渣組的電阻率曲線始終位于空白組的上方，且電阻率隨其摻量的增加而變大。分析其原因為，低活性礦渣以飽和面干狀態(tài)摻入，粗糙表面會吸收一部分的拌和水，從而導致參與溶解的自由水減少，使水泥顆粒的溶解速度變緩，液相離子濃度減小，并使得液相體積變小，因此導電相較弱，電阻率較大。3）隨著齡期的延長，摻低活性礦渣組的電阻率曲線明顯位于空白組的下方，且電阻率隨其摻量的增加而減小。主要原因是，隨著齡期的延長和水化反應的進行，孔隙中的水分被消耗，由于濕度梯度的作用，處于吸水膨潤狀態(tài)的低活性礦渣開始釋放預吸收的自由水，發(fā)揮其內(nèi)養(yǎng)護作用。漿體內(nèi)部自由水增多，液相體積增大，使得導電空間變大，電阻率變小，因此低活性礦渣摻量組電阻率曲線位于基準組下方。

圖6 不同低活性礦渣摻量砂漿電阻率發(fā)展曲線Fig.6 Resistivity development curve of mortar with different low activity slag content

2.4 電阻率與自收縮相關性分析

目前自收縮測試方法復雜多樣，但電阻率的測試方法精確且統(tǒng)一，并且由于漿體的自收縮和電阻率發(fā)展都是由水泥水化引起，自收縮受到水泥水化的直接影響，而電阻率則是水泥水化過程的直觀表達[31]。若可以通過測試漿體的電阻率建立其與相同條件下自收縮之間的數(shù)學關系，進而探討二者之間的關系，將能更好地表征漿體自收縮的變化規(guī)律。圖7 比較了不同低活性礦渣摻量對砂漿自收縮與電阻率的相關性。由圖7 可知，不同低活性礦渣摻量的漿體電阻率與自收縮皆在36 h 后存在很好的線性相關性，即漿體的電阻率越大，則自收縮也越大，自收縮與電阻率發(fā)展呈線性相關，歸納得出擬合關系式，如式（1）所示。其中，在36～168 h 齡期內(nèi)，樣品線性擬合方程的kas值、bas值和相關系數(shù)R2如表5所示。

圖7 36 h 后樣品自收縮與電阻率的關系Fig.7 Relationship between autogenous shrinkage and resistivity of samples after 36 h

表5 36～168 h 內(nèi)樣品擬合方程的系數(shù)Table 5 Coefficients of fitting equation of samples in 36-168 h

綜上所述，電阻率與自收縮呈良好的線性關系。主要原因在于，樣品內(nèi)部的孔隙被離子濃度隨時間變化的水溶液所充滿，這些孔相數(shù)目的改變通過電阻率的變化反映出來，則電阻率表征漿體內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)及孔隙率的變化，同時孔相數(shù)目和毛細孔變化又是造成自收縮的決定性原因，故自收縮隨電阻率的變化而變化，其為水泥水化的宏觀表現(xiàn)，電阻率為水化的直觀表達。

3 結(jié)論

1）低活性礦渣摻量增加時，砂漿早期強度下降，但隨著齡期的延長，砂漿中后期強度降低幅度小于早期，建議低活性礦渣的合適摻量取細集料質(zhì)量的15%～25%。

2）低活性礦渣內(nèi)養(yǎng)護對砂漿電阻率的發(fā)展影響明顯，凝結(jié)硬化前，漿體電阻率隨低活性礦渣摻量的增大而增大；凝結(jié)硬化后，漿體電阻率隨低活性礦渣摻量的增大而減小，其中，砂漿水化進程的溶解結(jié)晶期延后，誘導凝結(jié)期、硬化加速期和硬化減速期均有所提前。

3）低活性礦渣內(nèi)養(yǎng)護能有效抑制漿體各階段的自收縮，尤其在快速收縮階段和短暫膨脹階段作用最為明顯。

4）在齡期36 h 后，低活性礦渣內(nèi)養(yǎng)護砂漿的電阻率與自收縮有很好的線性相關性，可通過電阻率發(fā)展趨勢預測自收縮的變化情況。