低活性矿渣内养护水泥砂浆自收缩与电阻率的关系

2023-11-22杜玉会李双喜

土木与环境工程学报 2023年6期

杜玉会,李双喜

（新疆农业大学水利与土木工程学院；新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室，乌鲁木齐 830052）

因渗透性差，外部养护水分难以进入高性能混凝土内部，由此产生的自收缩会导致其开裂敏感性提高[1-2]。目前，常用于降低混凝土收缩开裂的方式有内养护、添加减缩剂或膨胀剂等[3-5]。研究发现，减缩剂仅对干燥环境下的干燥收缩抑制效果较好，并且由于其成本较高，推广使用受限[6]。膨胀剂发挥其膨胀效能需水量大，若膨胀剂掺量不合理，将导致过度或不均匀膨胀，进而导致混凝土开裂[7]。而内养护是利用高吸水材料在混凝土硬化过程中释放水分，起到“蓄水池”的作用，维持混凝土体系内部的湿度，以减小自干燥收缩，达到传统养护方式达不到的养护效果[8]。其中，有机类SAP 高吸水性树脂[9-12]的研究及应用较为广泛，其吸水倍率较高但SAP 吸水后易黏结，在浆体内分布不均匀，与混凝土的界面结合能力较弱[13]。而在无机内养护材料中，有研究发现，轻骨料[14]、浮石[2]、沸石[15]和珊瑚砂[16]等具有一定内养护作用，但存在骨料上浮的问题。笔者选取低活性矿渣替代细集料作为内养护材料，其原状矿渣的粒度、物理性能与沙子相近，多孔性使其可以预吸大量的自由水。相较其他内养护材料具有一定的化学活性，不存在分布不均与骨料上浮的问题。低活性矿渣作为内养护剂既能解决混凝土收缩开裂等问题，又能有效缓解天然砂的资源消耗，还能进一步提高低活性矿渣的利用率。但现有研究主要利用其磨细粉体制备水泥[17-18]，或利用其颗粒料部分替代砂[19-20]来研究其对混凝土力学性能的影响，而将低活性矿渣颗粒作为内养护材料研究其内养护效应并讨论自收缩与电阻率相互关系鲜有报道。笔者以预吸水低活性矿渣作为内养护材料，通过非接触式自收缩试验和非接触式电阻率试验，探究在内养护的作用下水泥砂浆自收缩与电阻率之间的关系。

1 试验

1.1 试验材料

水泥：山东鲁城P·I 42.5 硅酸盐水泥，其化学成分及矿物组成指标见表1，物理性能指标见表2。

表1 P·I 42.5 硅酸盐水泥化学成分及矿渣组成Table 1 Chemical composition and mineral composition of Portland cement P·I 42.5%

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

低活性矿渣：新疆宝新盛源板结高炉矿渣，破碎、筛除粒径大于4.75 mm 的颗粒，细度模数为2.6，颗粒级配区间为Ⅱ区，玻璃体含量为50%，如图1 所示。微观形貌如图2 所示，各项质量指标见表3。

图1 低活性矿渣玻璃体含量Fig.1 Vitreous content of low active slag

图2 低活性矿渣形貌Fig.2 Morphology of low active slag particles

表3 低活性矿渣技术指标Table 3 Technology index of low active slag

标准砂：ISO 标准砂。

粉煤灰：新疆乌鲁木齐F 类Ⅱ粉煤灰，比表面积为471 m2/kg，需水量比为90%。

减水剂：聚羧酸高性能减水剂，减水率30%以上。

1.2 配合比

试验配合比见表4，其中低活性矿渣浸泡水中预吸水5 d 达到饱和，最终以饱和面干状态掺加，试验测得低活性矿渣饱和面干吸水率为10%，低活性矿渣掺量以矿渣质量占细集料质量的百分比计，分别为0%（B0）、15%（B1）、25%（B2）、35%（B3），粉煤灰掺量以粉煤灰占胶凝材料质量的35%计；有效水胶比（mw/mB）E指浆体拌和水量与胶凝材料质量的比值；内养护水量指饱和面干低活性矿渣预吸的自由水量；总水胶比指浆体拌和水和低活性矿渣额外引入的内养护水的总量与胶凝材料质量之比，通过掺加饱和面干的低活性矿渣引入内养护水，增大了总水胶比，但有效水胶比不会发生变化。

表4 砂浆配合比Table 4 Mix ratio of mortar

1.3 试验方法

强度试验：参照《水泥胶砂强度检测方法（ISO法）》在标准养护箱中养护至规定龄期，然后进行测试。

电阻率试验：采用中衡港科（深圳）科技有限公司生产的无电极电阻率测定仪（CCR-3 型），测试温度为（20±2） ℃，相对湿度为（50±2）%，根据表4 中配合比拌制砂浆，将新拌砂浆迅速倒入环形模具中并微微振动模具，排除气泡，然后加盖密封，启动测试。从加水到开始记录数据的时间间隔不超过10 min，记录频率为1 次/min，测试龄期为168 h。测试完毕后，用千分尺测量样品的高度并进行校正，可以得到168 h 内电阻率随时间发展的曲线。

自收缩试验：采用NELD-NES730 型号非接触式混凝土收缩变形测定仪检测，记录频率为1 次/15 min，测试温度为（20±2） ℃，湿度为（60±5）%，测试龄期为168 h，主要通过两端的位移传感器测定无约束状态下混凝土发生的形变，测试装置如图3 所示，试模尺寸为100 mm×100 mm×515 mm。具体操作步骤为：1）测试前在试模里涂一层润滑脂，然后再铺2 层聚四氟乙烯薄膜，层与层之间涂刷润滑脂，降低摩擦对试验结果的影响；2）将标靶固定在试模两端，两个标靶距离大于400 mm，开始浇筑浆体试样；3）立即密封处理，防止水分蒸发，调试试模两端的位移传感器，在浆体初凝前开始测试。在整个测试过程中，试样在变形测定仪上放置的位置、方向均应始终保持固定不变。

图3 非接触式混凝土收缩变形测定仪Fig.3 Non-contact measuring instrument for concrete shrinkage deformation

2 试验结果与分析

2.1 低活性矿渣对砂浆力学性能的影响

图4 为低活性矿渣内养护砂浆对其强度的影响。从图4 可以看出，抗压强度和抗折强度呈相似的发展规律，即掺入低活性矿渣后，在龄期3 d 时砂浆的强度降低幅度较大，但随着龄期的延长，低活性矿渣的内养护效应开始显现，与基准组相比，低活性矿渣掺量组后期强度发展相对较快，强度降低幅度明显变小，养护28 d 时强度与基准组持平或略高于基准组。总之，低活性矿渣的引入整体上会抑制砂浆早期强度的发展，但在龄期7 d 后强度显著得到补偿。主要原因是低活性矿渣本身的物理性能、颗粒强度等劣于标准砂，并且预吸水低活性矿渣以饱和面干状态引入，其粗糙表面也将吸收一部分拌和水量，使得浆体拌和水量减少，碱离子浓度下降，从而延缓了早期的水化，导致其早期强度有所降低。但随着龄期的延长，浆体内部相对湿度逐渐降低，这时处于吸水膨润状态的低活性矿渣会由于湿度梯度的作用释放出水分，供未完全水化的胶凝材料颗粒进一步水化[21]，发挥其内养护作用，使得内部湿度显著增大；并且低活性矿渣具有一定的化学活性，后期化学活性不断被激发[19]，使得浆体水化充分，有效改善了浆体的收缩，使得孔结构细化，促进了强度的发展。

图4 不同低活性矿渣掺量对砂浆力学性能的影响Fig.4 Effect of different low active slag content on mechanical properties of mortar

2.2 低活性矿渣对砂浆自收缩的影响

图5 为不同配合比高性能砂浆龄期为7 d 时的自收缩发展曲线。由图5 可以看出，不同低活性矿渣掺量组的自收缩发展变化曲线均呈3 个明显的阶段，即AB段（快速收缩阶段）、BC段（短暂膨胀阶段）、CD段（缓慢收缩阶段）。对比各组在快速收缩阶段的自收缩发展规律发现，与基准组相比，低活性矿渣掺量组收缩持续时间较短，收缩值较小。收缩时间由基准组的0～7 h（B0）缩短为0～5 h、0～4 h、0～4 h（B1、B2、B3），收缩值分别由120 μm/m（B0）缩短为50、26、25 μm/m（B1、B2、B3），随着低活性矿渣掺量的增加，收缩时间持续缩短，收缩值持续下降。在短暂膨胀阶段，与基准组相比，低活性矿渣掺量组进入膨胀阶段的时间提前，且膨胀时间延长，B0、B1、B2 和B3 的膨胀时间分别为7～9 h、5～10 h、4～12 h、4～13 h，各组膨胀值分别为40、58、73、103 μm/m（B0、B1、B2、B3），由此看出，低活性矿渣内养护砂浆的膨胀值随其掺量的增加而变大。总体而言，低活性矿渣对浆体的自收缩具有一定的补偿作用，在缓慢收缩阶段，低活性矿渣掺量达到35%时完全消除自收缩，体积基本稳定，最终表现为自膨胀状态，有较多学者也发现了此现象[22-24]。

图5 不同低活性矿渣掺量对砂浆自收缩的影响Fig.5 Effect of different low active slag content on autogenous shrinkage of mortar

根据上述分析，低活性矿渣内养护能有效抑制浆体各阶段的自收缩，尤其在快速收缩阶段和短暂膨胀阶段作用最为明显。主要有两方面原因：1）水泥水化和环境干燥都将引发水泥石毛细孔自由水含量减少、内部相对湿度下降，进而在毛细孔内形成弯月面，引发毛细负压力，导致混凝土收缩[25-26]。自收缩是水泥基体骨架成型后胶凝材料继续水化引起内部湿度降低而引起的收缩，只要水化不断进行，自收缩就会持续产生。在浆体内部湿度梯度的作用下，预湿低活性矿渣释放水分，延缓浆体内部自干燥的产生。2）预湿低活性矿渣的掺加增大了浆体的总水胶比，B1、B2、B3 的内养护水量分别为20.75、33.75、49.95 g/cm3。除凝胶颗粒外，水泥石中还含有大量的水，水分在混凝土组成材料中的膨胀能力最大，热膨胀系数约为210×10-6℃-1，比水泥石的热膨胀系数高1 个数量级[27]，所以低活性矿渣引入的内养护水大大提高了混凝土的热膨胀系数。浆体产生的热膨胀变形明显对自收缩进行补偿，自收缩的降低及热变形的增大进而使浆体提前进入短暂膨胀阶段，并且增大了此阶段的膨胀值，即表现为短暂膨胀阶段的特征变化，现有研究[28-30]也证实，内养护材料的掺加会引入内养护水，使得浆体内部的热膨胀系数增大，产生膨胀补偿自收缩。

2.3 低活性矿渣对砂浆电阻率的影响

图6 为不同低活性矿渣掺量下砂浆的电阻率发展规律。从图6（a）可以看出，砂浆电阻率发展存在3个明显特征：1）在凝结硬化前，曲线先下降到最低点M，随着时间的延长，曲线迅速上升后进入缓慢上升阶段。2）对比水化龄期为24 h 时的各组电阻率发展曲线，其中低活性矿渣组的电阻率曲线始终位于空白组的上方，且电阻率随其掺量的增加而变大。分析其原因为，低活性矿渣以饱和面干状态掺入，粗糙表面会吸收一部分的拌和水，从而导致参与溶解的自由水减少，使水泥颗粒的溶解速度变缓，液相离子浓度减小，并使得液相体积变小，因此导电相较弱，电阻率较大。3）随着龄期的延长，掺低活性矿渣组的电阻率曲线明显位于空白组的下方，且电阻率随其掺量的增加而减小。主要原因是，随着龄期的延长和水化反应的进行，孔隙中的水分被消耗，由于湿度梯度的作用，处于吸水膨润状态的低活性矿渣开始释放预吸收的自由水，发挥其内养护作用。浆体内部自由水增多，液相体积增大，使得导电空间变大，电阻率变小，因此低活性矿渣掺量组电阻率曲线位于基准组下方。

图6 不同低活性矿渣掺量砂浆电阻率发展曲线Fig.6 Resistivity development curve of mortar with different low activity slag content

2.4 电阻率与自收缩相关性分析

目前自收缩测试方法复杂多样，但电阻率的测试方法精确且统一，并且由于浆体的自收缩和电阻率发展都是由水泥水化引起，自收缩受到水泥水化的直接影响，而电阻率则是水泥水化过程的直观表达[31]。若可以通过测试浆体的电阻率建立其与相同条件下自收缩之间的数学关系，进而探讨二者之间的关系，将能更好地表征浆体自收缩的变化规律。图7 比较了不同低活性矿渣掺量对砂浆自收缩与电阻率的相关性。由图7 可知，不同低活性矿渣掺量的浆体电阻率与自收缩皆在36 h 后存在很好的线性相关性，即浆体的电阻率越大，则自收缩也越大，自收缩与电阻率发展呈线性相关，归纳得出拟合关系式，如式（1）所示。其中，在36～168 h 龄期内，样品线性拟合方程的kas值、bas值和相关系数R2如表5所示。

图7 36 h 后样品自收缩与电阻率的关系Fig.7 Relationship between autogenous shrinkage and resistivity of samples after 36 h

表5 36～168 h 内样品拟合方程的系数Table 5 Coefficients of fitting equation of samples in 36-168 h

综上所述，电阻率与自收缩呈良好的线性关系。主要原因在于，样品内部的孔隙被离子浓度随时间变化的水溶液所充满，这些孔相数目的改变通过电阻率的变化反映出来，则电阻率表征浆体内部孔结构及孔隙率的变化，同时孔相数目和毛细孔变化又是造成自收缩的决定性原因，故自收缩随电阻率的变化而变化，其为水泥水化的宏观表现，电阻率为水化的直观表达。