养护环境及粉煤灰对水工混凝土导电性能影响研究

张 磊 田 斌 卢晓春 焦雨起 郭志杰

(三峡大学 水利与环境学院,湖北 宜昌 443002)

混凝土养护的良好与否决定了其后期性能能否达到要求[1].混凝土养护的目的是防止其在早期内部水分散失从而使水化反应不完全,而良好的养护可保持混凝土内部具有较好的湿度[2].混凝土养护的良好与否,目前尚没有明确的评价标准[3].一些研究[4]通过混凝土表层吸水率进行养护效果的判断,但由于表层吸水率受混凝土水胶比、添加剂等众多因素影响,基于表层吸水率的评判方式缺少可靠性.

养护条件变化导致混凝土水分散失程度有所差异,进而使内部湿度发生改变,从而影响养护效果[5].混凝土的电阻率作为电学参数,可以反映其导电的能力.混凝土内部湿度对其电阻率有着极为敏感的影响[6],电阻率的不同反映了混凝土内部湿度的差异,间接体现出混凝土的养护情况[7].对于水利工程而言,由于水工混凝土施工过程中具有施工连续且浇筑体积巨大的特点,成型后的混凝土需要养护2～3周甚至更长的时间,养护环境不能得到保障.如何在施工期间方便快捷的确定混凝土的养护效果,对确定养护时间和缩短施工间隔都是极为重要的.本文通过测量在不同养护环境下水工混凝土内部电阻率值,对比电阻率的变化情况,寻找一种合理判断养护效果的方法,有望在工程实际中得到应用.

1 试验方法

1.1 试验材料及混凝土配合比

试验采用华新P·O42.5普通硅酸盐水泥;掺合料采用Ⅰ级粉煤灰;细骨料采用具有良好级配的中砂,其含水率为4.7%,细度模数2.8;粗骨料采用宜昌市南津关的人工碎石,其中小石、中石、大石粒径分别为5～20 mm、20～40 mm、40～80 mm;外加剂采用JM-Ⅱ型减水剂;水为自来水.试验混凝土配合比设计方案见表1.

表1 每立方米混凝土配合比

1.2 试件成型及养护

浇筑混凝土试件参照《水工混凝土配合比设计规范》[8],将所有材料在搅拌机中拌匀后,通过30 mm孔径的筛网对其进行筛分,取过筛料浇筑在100 mm×100 mm×400 mm的长方体塑料模具内.试件共浇筑5组,每组3个,浇筑完成后静置48 h后脱模,成型后的试件如图1所示,其分组养护情况见表2.

图1 测量电阻率混凝土试件

表2 分组养护

1组无粉煤灰试件和2组不同粉煤灰掺量试件放置于标准养护室(温度20±5℃,相对湿度≥95%)进行养护,其余2组无粉煤灰试件,一组浸泡在25±3℃的水中,另一组置于室外自然环境中.所有试件均养护至90 d龄期.

1.3 电极埋设方式

电阻值的测量采用二电极法,电极采用片状,材料为0.3 mm厚的铜片,铜片经打磨和擦除表面污垢后,通过锡焊的方式与导线相连,两根作为一组.将一组电极片相隔200 mm埋入混凝土试件中心线位置,埋入浇筑面下40 mm深度,电极片与混凝土接触面积为1 cm2.电极埋设如图2所示(单位:mm).

图2 电极片布置示意图

1.4 数据采集及处理方式

数据采集使用万用电表欧姆档直接连接电极导线的方式进行测量.为提高数据的准确性,依照试验标准规定对同一试件进行多次测量,将其中与整体数据的平均值偏差在±15%之外的离散数据视为无效数据将其舍去,将剩余结果的均值作为测量值.对于3个同组试件的测量结果,分析中采用其测量值的平均值.

2 试验结果及讨论

2.1 养护环境对混凝土电阻率的影响

图3表明水工混凝土在养护环境不同的情况下电阻率随龄期(28 d)的变化.从图3能够看出3种养护环境下水工混凝土在早期(7 d龄期)电阻率值及变化趋势类似,均处于较为快速的增长区.7 d龄期后,水中养护下混凝土电阻率的增长趋于平缓,仅有小幅上升,而其他两种养护环境下,混凝土电阻率依旧保持增长.21 d龄期后,标准养护环境下混凝土电阻率增长趋势放缓,自然养护环境下增长趋势上升.

图3 不同养护环境下水工混凝土电阻率随龄期(28 d)变化

对比3种养护结果,水中养护对电阻率的增长影响最小,阻值变化程度最小.由此可见初期混凝土进行水化反应使内部自由水减少,致使电阻率快速增长.但混凝土在水环境条件下使得混凝土早期剧烈水化反应结束后内部仍有一定程度的自由水,内部湿度依然能够保持在一个较为恒定的程度,从而减缓电阻率的增长.尽管混凝土在标准养护条件下外界湿度相对较高,但对在早期剧烈水化反应后内部自由水含量的影响不明显,混凝土电阻率的增长速率未能减缓.21 d龄期后,混凝土水化反应减缓,内部湿度变化情况决定了后续电阻率的变化情况.

对比图4中3种养护环境下90 d龄期水工混凝土电阻率变化,21 d龄期后较差的自然养护环境致使混凝土内部湿度下降,从而电阻率增长加快,而其他2种养护环境下后期混凝土内部湿度相对稳定,电阻率增长缓慢.在90 d龄期时,自然养护下混凝土电阻率已是水养和标养的9倍和4.7倍,并有持续增大的趋势.

图4 不同养护环境下水工混凝土电阻率随龄期(90 d)变化

2.2 粉煤灰掺量对混凝土电阻率的影响

图5 表明不同粉煤灰掺量的水工混凝土在标准养护条件下电阻率随龄期(28 d)的变化,无粉煤灰(即0%掺量)混凝土可视为标准参照情况.从图中看出在水胶比相同情况下,早期无粉煤灰混凝土电阻率增长较快,而掺粉煤灰混凝土电阻率增长速率与其掺量相关,且相对稳定.

图5 不同粉煤灰掺量的水工混凝土电阻率随龄期(28 d)的变化

对比图6中90 d龄期下电阻率的变化,无粉煤灰混凝土在早期水化反应后电阻率增长速率放缓,在28 d龄期后阻值已低于40%掺量的混凝土,由此也显现出粉煤灰具有的火山灰活性.对于混凝土而言,水泥灰在前期进行水化反应,从而密实混凝土土体并减少内部自由水.而掺入一定量粉煤灰后,其早期进行水化反应的水泥量减少,土体密实程度降低,自由水含量较高,使得其电阻率变化速率较低.在后期由于粉煤灰的火山灰活性,混凝土进行二次水化,填充了混凝土内部空隙,混凝土体更为密实,自由水通道减少,从而电阻率的变化并不会趋于平缓而是持续增加.从图6中整个养护期来看,粉煤灰混凝土电阻率变化更趋近线性增加,未出现无粉煤灰情况下增长速率先升后减的情况.

图6 不同粉煤灰掺量的水工混凝土电阻率随龄期(90 d)的变化

2.3 电阻率对混凝土微观性能的反映

混凝土可以认为是粗骨料、水泥砂浆和孔隙的三相组成.孔隙中含有不同离子的自由水是混凝土具有导电能力的基础,粗骨料及水泥砂浆可以看成是非导电部分.随着龄期的增长,水化反应持续的进行,混凝土不断密实,而混凝土内部自由水的含量和孔隙率持续减小,所以导电能力随时间而下降,即电阻率曲线随时间而呈上升趋势.由分析可知,电阻率发展曲线可以动态地反映混凝土孔结构的细化过程,间接为混凝土微观结构的形成提供了参考.

2.4 养护效果评价

对比图3中3种养护环境下电阻率变化情况,养护充分(饱水养护)和标准养护的混凝土分别在在7 d和21 d龄期后电阻率变化明显减缓,而处于自然状态的养护不良混凝土电阻率变化只升不降.因此通过对比混凝土在养护过程中的电阻率变化规律,可以较好的反映混凝土的养护效果.由于硅酸盐水泥混凝土养护时间必须大于7 d的规定,可采用养护龄期7 d之后电阻率的变化程度Δρ来评判混凝土养护情况.

图7为龄期7～28 d内3种养护环境下相邻天数混凝土电阻率的变化值分布情况.试验结果表明在进行饱水养护时,Δρ基本不大于2 kΩ·cm并且分布集中,离散程度较小.在标准养护下,Δρ有一定的离散性,但也基本低于3 kΩ·cm.而在养护不良的自然状态下,Δρ不仅离散程度大而且有逐渐增大的趋势.故以Δρ来评判混凝土养护情况时,认为当Δρ＞3 kΩ·cm时混凝土内部水分缺失过多,需要补充养护环境水分,当Δρ≤3 kΩ·cm时认为混凝土养护良好.该方法能快捷敏感的评价混凝土养护状态,在工程现场有一定的参考价值.

图7 相邻天数水工混凝土电阻率变化值散点图

3 结 论

1)水工混凝土电阻率的增长与养护环境的潮湿程度呈负相关,环境湿度越大,养护结束后阻值也越小,导电性能也越强.

2)养护环境与水胶比恒定情况下,掺合粉煤灰的水工混凝土电阻率值呈线性增长,其增长速率与粉煤灰掺量呈正相关.

3)比较混凝土7d龄期之后时电阻率变化值Δρ,可用于评价水工混凝土养护效果.当Δρ≤3 kΩ·cm时认为混凝土养护良好,当Δρ＞3 kΩ·cm认为混凝土养护不良,需要添加环境水进行养护.

[1] Cather B.Curing;The true story[J].Magazine of Concrete Research,1994,46(168):157-161.

[2] 李美利,钱觉时,王立霞,等.混凝土养护效果电阻率评价法探索[J].建筑材料学报,2011,14(4):473-477.

[3] 钱觉时,陈 伟,汪宏涛,等.电阻率用于混凝土养护状态与效率评价研究[J].功能材料,2013,44(13):1888-1891.

[4] Ryu D W,Ko J W,Noguchi T.Effects of Simulated Envi-ronmental Conditions on the Internal Relative Humidity Andrelative Moisture Content Distribution of Exposed Concrete[J].Cement and Concrete Composites,2011,33(1):152-153.

[5] 董淑慧,葛 勇,张宝生,等.低水灰比混凝上内部相对湿度变化规律研究[J].武汉理工大学学报,2009,31(7):84-87.

[6] 李美利,钱觉时,徐姗姗,等.养护条件对混凝土表面层性能的影响[J].建筑材料学报,2009,12(6):724-728.

[7] 李美利.混凝土潮湿养护效率的电阻率评价方法研究[D].重庆:重庆大学,2011.

[8] DL/T5150-2001,水工混凝土试验规程[S].北京:中国电力出版社,2002.