礦粉水泥漿體電阻率及約束開裂之間的關(guān)系

彭垣鑫 付磊

摘 要：混凝土工程開裂問題越趨嚴(yán)重，研究混凝土的開裂必要且急需。本文采用偏心水泥開裂試驗(yàn)方法解決了傳統(tǒng)環(huán)狀約束開裂試驗(yàn)的約束度不高，開裂位置不固定等問題。在此基礎(chǔ)上，研究了不同礦粉摻量（分別為0%，20%，30%，40%）的水泥的水化行為，測(cè)量了水泥漿體的電阻率，偏心水泥開裂環(huán)開裂時(shí)間。結(jié)果表明：礦粉的增加會(huì)使得水泥水化前期階段電阻率升高，水泥水化后期階段電阻率先升高再降低，偏心水泥開裂環(huán)開裂時(shí)間先縮短再延長(zhǎng)。72h電阻率與開裂時(shí)間有著很好的線性數(shù)學(xué)關(guān)系，通過水泥72h電阻率可以預(yù)估偏心水泥開裂環(huán)的開裂時(shí)間。

關(guān)鍵詞：水泥漿體；礦粉；電阻率；開裂時(shí)間；偏心水泥開裂環(huán)

中圖分類號(hào)：TU528 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）19-0115-02

1 引言

隨著混凝土的在工程中使用的范圍不斷擴(kuò)大，人們對(duì)混凝土的質(zhì)量控制要求也越來(lái)越高，但混凝土的耐久性問題一直存在，混凝土耐久性的問題主要表現(xiàn)形式是混凝土開裂。20世紀(jì)80年代，在世界范圍內(nèi)的混凝土工程中發(fā)生了廣泛且影響巨大的耐久性問題[1]。

礦粉一般是把高爐冶鐵產(chǎn)生的粒化礦渣進(jìn)一步經(jīng)過研磨加工后而生產(chǎn)的。過去生產(chǎn)礦渣和水泥的時(shí)候，通常把水泥與礦渣放在一塊混合研磨的，由于礦渣更難研磨，所以過去生產(chǎn)的礦渣水泥的礦渣的粒徑較大，導(dǎo)致了其活性也比較低，在實(shí)際工程中使用時(shí)，經(jīng)常發(fā)生干燥收縮，開裂現(xiàn)象嚴(yán)重。近些年，研磨水泥與礦渣的工藝有了提高，但有關(guān)的礦粉機(jī)理研究還是不充分的，鑒于此，本文將以水泥以及礦粉作為實(shí)驗(yàn)原材料，采用偏心水泥開裂環(huán)試驗(yàn)裝置，來(lái)研究礦粉對(duì)偏心水泥開裂環(huán)的開裂時(shí)間的影響，采用無(wú)電極電阻率測(cè)試儀研究礦粉對(duì)水泥漿體電阻率曲線的影響。分析水泥漿體72h電阻率與偏心水泥開裂環(huán)的開裂時(shí)間的關(guān)系，提出一種預(yù)測(cè)偏心水泥開裂環(huán)開裂時(shí)間的方法——電阻率法。

2 試驗(yàn)

2.1 原材料和配合比

實(shí)驗(yàn)所用的水泥原材料是42.5普通硅酸鹽水泥。實(shí)驗(yàn)所用的礦粉粒徑45μm，方孔篩篩余7.6%，需水量比90%，強(qiáng)度活性指數(shù)80.2%。水泥以及礦粉的化學(xué)組成如表1所示。

在水泥漿體的水灰比為0.4的情況下，共進(jìn)行了四組礦粉摻量不同水泥漿體的試驗(yàn)，礦粉摻量占總質(zhì)量的比例分別為0%，20%，30%，40%。對(duì)應(yīng)的水泥漿體編號(hào)分別記為：0.4s0，0.4s20，0.4s30，0.4s40。

試驗(yàn)用水為武漢市自來(lái)水。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 電阻率實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)儀器采用的是無(wú)電極電阻率測(cè)定儀。無(wú)電極電阻率測(cè)試儀是用來(lái)測(cè)量水泥及混凝土在水化過程中電阻率的儀器。

試驗(yàn)過程如下：水泥加水后，在水泥攪拌機(jī)上先慢攪60s，快攪30s，暫停60s，再快速攪拌30s，整個(gè)過程持續(xù)3min；然后將攪拌好的水泥裝入已安裝好的環(huán)狀電阻率模具中，微微振動(dòng)去除水泥漿體中的一些氣泡；加蓋密封后開啟儀器，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)每60s會(huì)采集一次數(shù)據(jù)，測(cè)試時(shí)間為3天。在3天時(shí)間到后對(duì)樣品拆模，用游標(biāo)卡尺測(cè)量取出的水泥漿體樣品的高度。用測(cè)得的樣品高度校正實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最后得到所需要的電阻率數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)室溫度用空調(diào)調(diào)控，溫度20±1℃，濕度不小于60%。

2.2.2 偏心水泥開裂實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)裝置名為偏心水泥開裂環(huán)，組成包括鋼制內(nèi)環(huán)，鋼制外環(huán)，鋼制定位底板，以及約束裝置，鋼制內(nèi)環(huán)與鋼制外環(huán)的圓心并不重合，有一定的偏心距。

試驗(yàn)過程如下：水泥加水后，在水泥攪拌機(jī)上先慢攪60s，快攪30s，暫停60s，再快速攪拌30s，整個(gè)過程持續(xù)3min；然后將攪拌好的水泥裝入已安裝好的模具內(nèi)。輕微振蕩以排除氣泡；在養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)24h后，拆除鋼制約束裝置以及鋼制外環(huán)。放入溫度為20±1℃，濕度為50%的周圍環(huán)境中，用相機(jī)拍攝樣品厚度較小的一側(cè)，記錄時(shí)間，當(dāng)觀察到裂縫的時(shí)候，查看并記錄水泥裂縫開裂的時(shí)間。溫度用空調(diào)調(diào)節(jié)，濕度用濕度測(cè)試儀測(cè)量。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 礦粉對(duì)水泥漿體電阻率的影響

在水灰比為0.4的條件下，采用無(wú)電極電阻率測(cè)試儀，研究了四種不同礦粉摻量的水泥水化過程，礦粉摻量分別為0%，20%，30%，40%。編號(hào)分別為0.4s0，0.4s20，0.4s30，0.4s40。實(shí)驗(yàn)得出72h時(shí)間內(nèi)的電阻率發(fā)展情況，如圖1所示。

從圖1中，可以觀察到，水泥漿體的電阻率曲線有下面三個(gè)特點(diǎn)：第一，不同礦粉摻量的電阻率曲線發(fā)展基本一致，在水化反應(yīng)初期，電阻率曲線經(jīng)歷了一個(gè)下降階段，進(jìn)去一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)期，接下來(lái)電阻率曲線開始迅速增長(zhǎng)，最終進(jìn)入一個(gè)漫長(zhǎng)的平穩(wěn)時(shí)期。第二，在水化反應(yīng)早期（0-12h左右），也就是在水泥漿體凝結(jié)前，隨著礦粉摻量的增多（0%-40%），電阻率漸漸升高。第三，在水化反應(yīng)后期，也就是電阻率發(fā)展進(jìn)入后期平穩(wěn)階段時(shí)，礦粉摻量的增多使得電阻率先升高后降低。

水泥漿體的電阻率的大小在水化反應(yīng)中，主要受到液相離子濃度以及漿體的孔隙率的影響[2]。電阻率隨著與液相離子濃度的增大而增大，隨著孔隙率的增大而減小。在早期水化階段，在加水之后，水泥中的水泥微粒和礦粉微粒會(huì)溶解析出大量離子[3]，使得漿體液相、水泥電阻率降低，曲線顯現(xiàn)下降趨勢(shì)。由于同等體積條件下，礦粉溶解水中析出的離子濃度小于水泥溶解析出的離子濃度，所以，在水化早期階段，礦粉摻量越多，析出的離子越少，液相電阻率越高。又因水灰比都為0.4，初始孔隙率視為一樣[4]。所以，在早期水化階段，礦粉摻量的增多使得電阻率升高。在后期水化階段，摻入少量礦粉時(shí)（少于等于20%），使得漿體內(nèi)部的空隙得到有效填補(bǔ)，內(nèi)部孔隙率降低，電阻率隨之快速升高，所以當(dāng)?shù)V粉摻量為20%時(shí)，電阻率曲線上升到最上方。當(dāng)?shù)V粉的摻量過多時(shí)，礦粉摻量的增多會(huì)使水泥相對(duì)含量減少，作為堿性激發(fā)劑的水化生成也減少，最后導(dǎo)致漿體內(nèi)部孔隙率增高，電阻率減小，所以當(dāng)?shù)V粉摻量為40%時(shí)，后期電阻率曲線最低。

3.2 礦粉對(duì)偏心水泥開裂環(huán)開裂時(shí)間的影響

在水灰比為0.4的情況下，采用偏心水泥開裂環(huán)，做了四種不同的礦粉摻量的實(shí)驗(yàn)，礦粉摻量分別為0%，20%，30%，40%。編號(hào)分別為0.4s0，0.4s20，0.4s30，0.4s40。實(shí)驗(yàn)得出偏心水泥開裂環(huán)的開裂時(shí)間，如圖2。

從圖2中觀察到，在水灰比相同的條件下，礦粉摻量的增多會(huì)使偏心水泥開裂環(huán)的開裂時(shí)間先縮短再延長(zhǎng)。摻入礦粉20%時(shí)，偏心水泥開裂環(huán)的開裂時(shí)間最短。摻入礦粉20%的開裂時(shí)間比摻入礦粉0%的開裂時(shí)間縮短了4%，摻入礦粉40%的開裂時(shí)間比摻入礦粉0%的開裂時(shí)間增長(zhǎng)了2.5%。

摻入少量礦粉時(shí)（少于等于20%），礦粉中的活性成分能與水化生成物發(fā)生二次反應(yīng)，生成硅酸鈣等水化生成物，使得水泥漿體內(nèi)部的孔隙得到有效填補(bǔ)，也就使得漿體內(nèi)部中的孔結(jié)構(gòu)變的更細(xì)，根據(jù)毛細(xì)管理論，毛細(xì)管力增大，水泥漿體的收縮增大，導(dǎo)致偏心水泥開裂環(huán)的開裂時(shí)間提前。當(dāng)?shù)V粉摻量的增多會(huì)使水泥相對(duì)含量減少，作為堿性激發(fā)劑的水化生成也減少，最后導(dǎo)致了二次水化反應(yīng)不能充分填補(bǔ)漿體內(nèi)部孔隙，使得孔結(jié)構(gòu)變得更粗，毛細(xì)管力下降，水泥漿體收縮降低，從而延長(zhǎng)偏心水泥開裂環(huán)的開裂時(shí)間。

3.3 水泥漿體的電阻率與開裂時(shí)間線性關(guān)系

下面，將不同水灰比以及不同礦粉摻量水泥漿體的電阻率與開裂時(shí)間一起進(jìn)行線性擬合，得到72h電阻率與開裂時(shí)間的線性關(guān)系。如圖3所示。

水泥漿體72h齡期電阻率和偏心水泥開裂環(huán)開裂時(shí)間的之間的數(shù)學(xué)公式如下：

t=-0.9664ρ（72）+60.845 （1-1）

公式1-1中，ρ（72）代表72h電阻率，單位Ω·m。t代表偏心水泥開裂環(huán)的開裂時(shí)間，單位h。相關(guān)性系數(shù)R2=0.8623。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究了礦粉對(duì)水泥漿體的電阻率和開裂時(shí)間的作用情況，分析72h電阻率和開裂時(shí)間之間的關(guān)系。研究結(jié)論如下：

（1）不同礦粉摻量對(duì)水泥電阻率有著一定的影響。水灰比一定時(shí)，礦粉摻量增加，早期水化階段電阻率越大，后期水化階段電阻率先增加再降低。

（2）不同礦粉摻量對(duì)偏心水泥開裂環(huán)的開裂時(shí)間有著一定的影響。水灰比相同時(shí)，礦粉摻量的增多使得開裂時(shí)間先縮短再延長(zhǎng)。

（3）水泥漿體72h電阻率和開裂時(shí)間之間呈現(xiàn)很好的線性相關(guān)關(guān)系，兩者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系是：t=-0.9664ρ（72）+60.845。

參考文獻(xiàn)

[1]Mehta P K. Durability-critical issues for the future. Concrete International，1997，（7）：29-33.

[2]魏小勝，肖蓮珍，李宗津.采用電阻率法研究水泥水化過程[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2004，（01）：34-38.

[3]Wei Xiaosheng. Interpretation of hydration process of cement-based materials using electrical resistivity measurement [D]. Hong Kong： Hong Kong University of Science and Technology，2004.

[4]Xiao Lianzhen and Li Zongjin Li. New understanding of cement hydration mechanism through electrical resistivity measurement and microstructure investigation[J]. Journal of materials in civil engineering，2009，21（8）：368-373.