杜玉會(huì),李雙喜

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院；新疆水利工程安全與水災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830052）

因滲透性差，外部養(yǎng)護(hù)水分難以進(jìn)入高性能混凝土內(nèi)部，由此產(chǎn)生的自收縮會(huì)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(hù)、添加減縮劑或膨脹劑等[3-5]。研究發(fā)現(xiàn)，減縮劑僅對(duì)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(guò)度或不均勻膨脹，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土開裂[7]。而內(nèi)養(yǎng)護(hù)是利用高吸水材料在混凝土硬化過(guò)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(dá)到傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)方式達(dá)不到的養(yǎng)護(hù)效果[8]。其中，有機(jī)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(wú)機(jī)內(nèi)養(yǎng)護(hù)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(hù)作用，但存在骨料上浮的問(wèn)題。筆者選取低活性礦渣替代細(xì)集料作為內(nèi)養(yǎng)護(hù)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(hù)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(wèn)題。低活性礦渣作為內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑既能解決混凝土收縮開裂等問(wèn)題，又能有效緩解天然砂的資源消耗，還能進(jìn)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(xì)粉體制備水泥[17-18]，或利用其顆粒料部分替代砂[19-20]來(lái)研究其對(duì)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(hù)材料研究其內(nèi)養(yǎng)護(hù)效應(yīng)并討論自收縮與電阻率相互關(guān)系鮮有報(bào)道。筆者以預(yù)吸水低活性礦渣作為內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料，通過(guò)非接觸式自收縮試驗(yàn)和非接觸式電阻率試驗(yàn)，探究在內(nèi)養(yǎng)護(hù)的作用下水泥砂漿自收縮與電阻率之間的關(guān)系。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)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(biāo)見(jiàn)表1，物理性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 P·I 42.5 硅酸鹽水泥化學(xué)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(xì)度模數(shù)為2.6，顆粒級(jí)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(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)見(jiàn)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(biāo)Table 3 Technology index of low active slag

標(biāo)準(zhǔn)砂：ISO 標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)配合比見(jiàn)表4，其中低活性礦渣浸泡水中預(yù)吸水5 d 達(dá)到飽和，最終以飽和面干狀態(tài)摻加，試驗(yàn)測(cè)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(xì)集料質(zhì)量的百分比計(jì)，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(jì)；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(hù)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(hù)水的總量與膠凝材料質(zhì)量之比，通過(guò)摻加飽和面干的低活性礦渣引入內(nèi)養(yǎng)護(hù)水，增大了總水膠比，但有效水膠比不會(huì)發(fā)生變化。

表4 砂漿配合比Table 4 Mix ratio of mortar

1.3 試驗(yàn)方法

強(qiáng)度試驗(yàn)：參照《水泥膠砂強(qiáng)度檢測(cè)方法（ISO法）》在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，然后進(jìn)行測(cè)試。

電阻率試驗(yàn)：采用中衡港科（深圳）科技有限公司生產(chǎn)的無(wú)電極電阻率測(cè)定儀（CCR-3 型），測(cè)試溫度為（20±2） ℃，相對(duì)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(dòng)模具，排除氣泡，然后加蓋密封，啟動(dòng)測(cè)試。從加水到開始記錄數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔不超過(guò)10 min，記錄頻率為1 次/min，測(cè)試齡期為168 h。測(cè)試完畢后，用千分尺測(cè)量樣品的高度并進(jìn)行校正，可以得到168 h 內(nèi)電阻率隨時(shí)間發(fā)展的曲線。

自收縮試驗(yàn)：采用NELD-NES730 型號(hào)非接觸式混凝土收縮變形測(cè)定儀檢測(cè)，記錄頻率為1 次/15 min，測(cè)試溫度為（20±2） ℃，濕度為（60±5）%，測(cè)試齡期為168 h，主要通過(guò)兩端的位移傳感器測(cè)定無(wú)約束狀態(tài)下混凝土發(fā)生的形變，測(cè)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(cè)試前在試模里涂一層潤(rùn)滑脂，然后再鋪2 層聚四氟乙烯薄膜，層與層之間涂刷潤(rùn)滑脂，降低摩擦對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響；2）將標(biāo)靶固定在試模兩端，兩個(gè)標(biāo)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(cè)試。在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，試樣在變形測(cè)定儀上放置的位置、方向均應(yīng)始終保持固定不變。

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

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 低活性礦渣對(duì)砂漿力學(xué)性能的影響

圖4 為低活性礦渣內(nèi)養(yǎng)護(hù)砂漿對(duì)其強(qiáng)度的影響。從圖4 可以看出，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)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(shí)砂漿的強(qiáng)度降低幅度較大，但隨著齡期的延長(zhǎng)，低活性礦渣的內(nèi)養(yǎng)護(hù)效應(yīng)開始顯現(xiàn)，與基準(zhǔn)組相比，低活性礦渣摻量組后期強(qiáng)度發(fā)展相對(duì)較快，強(qiáng)度降低幅度明顯變小，養(yǎng)護(hù)28 d 時(shí)強(qiáng)度與基準(zhǔn)組持平或略高于基準(zhǔn)組?？傊突钚缘V渣的引入整體上會(huì)抑制砂漿早期強(qiáng)度的發(fā)展，但在齡期7 d 后強(qiáng)度顯著得到補(bǔ)償。主要原因是低活性礦渣本身的物理性能、顆粒強(qiáng)度等劣于標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度有所降低。但隨著齡期的延長(zhǎng)，漿體內(nèi)部相對(duì)濕度逐漸降低，這時(shí)處于吸水膨潤(rùn)狀態(tài)的低活性礦渣會(huì)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(jìn)一步水化[21]，發(fā)揮其內(nèi)養(yǎng)護(hù)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(xì)化，促進(jìn)了強(qiáng)度的發(fā)展。

圖4 不同低活性礦渣摻量對(duì)砂漿力學(xué)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(duì)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(shí)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(gè)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(duì)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(zhǔn)組相比，低活性礦渣摻量組收縮持續(xù)時(shí)間較短，收縮值較小。收縮時(shí)間由基準(zhǔn)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(shí)間持續(xù)縮短，收縮值持續(xù)下降。在短暫膨脹階段，與基準(zhǔn)組相比，低活性礦渣摻量組進(jìn)入膨脹階段的時(shí)間提前，且膨脹時(shí)間延長(zhǎng)，B0、B1、B2 和B3 的膨脹時(shí)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(hù)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(duì)漿體的自收縮具有一定的補(bǔ)償作用，在緩慢收縮階段，低活性礦渣摻量達(dá)到35%時(shí)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]。

圖5 不同低活性礦渣摻量對(duì)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(hù)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(xì)孔自由水含量減少、內(nèi)部相對(duì)濕度下降，進(jìn)而在毛細(xì)孔內(nèi)形成彎月面，引發(fā)毛細(xì)負(fù)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(jìn)行，自收縮就會(huì)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(hù)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(gè)數(shù)量級(jí)[27]，所以低活性礦渣引入的內(nèi)養(yǎng)護(hù)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(duì)自收縮進(jìn)行補(bǔ)償，自收縮的降低及熱變形的增大進(jìn)而使?jié){體提前進(jìn)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(shí)，內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料的摻加會(huì)引入內(nèi)養(yǎng)護(hù)水，使得漿體內(nèi)部的熱膨脹系數(shù)增大，產(chǎn)生膨脹補(bǔ)償自收縮。

2.3 低活性礦渣對(duì)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(gè)明顯特征：1）在凝結(jié)硬化前，曲線先下降到最低點(diǎn)M，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，曲線迅速上升后進(jìn)入緩慢上升階段。2）對(duì)比水化齡期為24 h 時(shí)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?yàn)?，低活性礦渣以飽和面干狀態(tài)摻入，粗糙表面會(huì)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(zhǎng)，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(zhǎng)和水化反應(yīng)的進(jìn)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(rùn)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(hù)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(zhǔn)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(guān)性分析

目前自收縮測(cè)試方法復(fù)雜多樣，但電阻率的測(cè)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(guò)程的直觀表達(dá)[31]。若可以通過(guò)測(cè)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(jìn)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(duì)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。

圖7 36 h 后樣品自收縮與電阻率的關(guān)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(guān)系。主要原因在于，樣品內(nèi)部的孔隙被離子濃度隨時(shí)間變化的水溶液所充滿，這些孔相數(shù)目的改變通過(guò)電阻率的變化反映出來(lái)，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(shí)孔相數(shù)目和毛細(xì)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(dá)。

3 結(jié)論

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

2）低活性礦渣內(nèi)養(yǎng)護(hù)對(duì)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(jìn)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(hù)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(hù)砂漿的電阻率與自收縮有很好的線性相關(guān)性，可通過(guò)電阻率發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)自收縮的變化情況。