低活性礦渣內(nèi)養(yǎng)護水泥砂漿自收縮與電阻率的關(guān)系

杜玉會 李雙喜

摘要：以預(yù)吸水低活性礦渣替代細集料作為內(nèi)養(yǎng)護材料，研究低活性礦渣內(nèi)養(yǎng)護砂漿自收縮與電阻率的變化規(guī)律，揭示兩者的關(guān)系。結(jié)果表明：隨著低活性礦渣摻量的增加，砂漿早期強度降低幅度大，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為細集料質(zhì)量的15%～25%；低活性礦渣內(nèi)養(yǎng)護對砂漿電阻率發(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??；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，同時，36 h齡期后電阻率與自收縮有很好的對應(yīng)關(guān)系，可通過電阻率發(fā)展趨勢預(yù)測自收縮的變化情況。

關(guān)鍵詞：水泥砂漿；內(nèi)養(yǎng)護；自收縮；電阻率；低活性礦渣

中圖分類號：TU525.9???? 文獻標志碼：A???? 文章編號：2096-6717（2023）06-0173-07

Relationship between autogenous shrinkage and resistivity of cement mortar internal cured with low active slag

DU Yuhui， LI Shuangxi

（School of Water Resources and Civil Engineering； Key Laboratory of Water Conservancy Project Safety and Water Disaster Prevention， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， P. R. China）

Abstract： Using pre-absorbent low active slag as internal curing material instead of fine aggregate， the autogenous shrinkage and resistivity variation of low active slag internal curing mortar were studied， and the relationship between them was revealed. The results show that with increase of low active slag content， the early strength of mortar decreases greatly， with the extension of age， the strength reduction in the middle and late stages of mortar is smaller than that in the early stage. It is suggested that the appropriate content of low-activity slag is 15%-25% of the fine aggregate quality. The internal curing of low active slag has obvious influence on the resistivity development of mortar. Before setting hardening， the resistivity of mortar increases with the increase of low active slag content. After it， the slurry resistivity decreases with the increase of low active slag content. The internal curing of low active slag can effectively inhibit the autogenous shrinkage at various stages of the slurry， especially in the rapid shrinkage stage and transient expansion stage. At the same time， the resistivity after 36 h has a good correlation with autogenous shrinkage， and the change of autogenous shrinkage can be predicted by the development trend of resistivity.

Keywords： cement mortar； internal curing； autogenous shrinkage； resistivity； low active slag

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(dǎo)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(dǎo)致過度或不均勻膨脹，進而導(dǎo)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(yīng)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(yù)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(xué)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(xué)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(yīng)并討論自收縮與電阻率相互關(guān)系鮮有報道。筆者以預(yù)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(guān)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(xué)成分及礦物組成指標見表1，物理性能指標見表2。

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。

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(yù)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(yù)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。

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(yīng)始終保持固定不變。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 低活性礦渣對砂漿力學(xué)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(yīng)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突钚缘V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(yù)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(dǎo)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(xué)活性，后期化學(xué)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。

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。總體而言，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(xué)者也發(fā)現(xiàn)了此現(xiàn)象[22-24]。

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(dǎo)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(yù)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(yù)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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)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(yù)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(dǎo)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。

2.4 電阻率與自收縮相關(guān)性分析

目前自收縮測試方法復(fù)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(xué)關(guān)系，進而探討二者之間的關(guān)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(guān)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(guān)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(guān)，歸納得出擬合關(guān)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(guān)系數(shù)R2 如表5所示。

εas = kas ?ρ + bas （1）

綜上所述，電阻率與自收縮呈良好的線性關(guān)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(dǎo)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(guān)性，可通過電阻率發(fā)展趨勢預(yù)測自收縮的變化情況。

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