礦粉水泥漿體電阻率及約束開裂之間的關系

彭垣鑫 付磊

摘 要：混凝土工程開裂問題越趨嚴重，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方法解決了傳統環狀約束開裂試驗的約束度不高，開裂位置不固定等問題。在此基礎上，研究了不同礦粉摻量（分別為0%，20%，30%，40%）的水泥的水化行為，測量了水泥漿體的電阻率，偏心水泥開裂環開裂時間。結果表明：礦粉的增加會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，偏心水泥開裂環開裂時間先縮短再延長。72h電阻率與開裂時間有著很好的線性數學關系，通過水泥72h電阻率可以預估偏心水泥開裂環的開裂時間。

關鍵詞：水泥漿體；礦粉；電阻率；開裂時間；偏心水泥開裂環

中圖分類號：TU528 文獻標識碼：A 文章編號：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大，人們對混凝土的質量控制要求也越來越高，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形式是混凝土開裂。20世紀80年代，在世界范圍內的混凝土工程中發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生的粒化礦渣進一步經過研磨加工后而生產的。過去生產礦渣和水泥的時候，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，所以過去生產的礦渣水泥的礦渣的粒徑較大，導致了其活性也比較低，在實際工程中使用時，經常發生干燥收縮，開裂現象嚴重。近些年，研磨水泥與礦渣的工藝有了提高，但有關的礦粉機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驗原材料，采用偏心水泥開裂環試驗裝置，來研究礦粉對偏心水泥開裂環的開裂時間的影響，采用無電極電阻率測試儀研究礦粉對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的開裂時間的關系，提出一種預測偏心水泥開裂環開裂時間的方法——電阻率法。

2 試驗

2.1 原材料和配合比

實驗所用的水泥原材料是42.5普通硅酸鹽水泥。實驗所用的礦粉粒徑45μm，方孔篩篩余7.6%，需水量比90%，強度活性指數80.2%。水泥以及礦粉的化學組成如表1所示。

在水泥漿體的水灰比為0.4的情況下，共進行了四組礦粉摻量不同水泥漿體的試驗，礦粉摻量占總質量的比例分別為0%，20%，30%，40%。對應的水泥漿體編號分別記為：0.4s0，0.4s20，0.4s30，0.4s40。

試驗用水為武漢市自來水。

2.2 實驗方法

2.2.1 電阻率實驗

實驗儀器采用的是無電極電阻率測定儀。無電極電阻率測試儀是用來測量水泥及混凝土在水化過程中電阻率的儀器。

試驗過程如下：水泥加水后，在水泥攪拌機上先慢攪60s，快攪30s，暫停60s，再快速攪拌30s，整個過程持續3min；然后將攪拌好的水泥裝入已安裝好的環狀電阻率模具中，微微振動去除水泥漿體中的一些氣泡；加蓋密封后開啟儀器，進行實驗。實驗每60s會采集一次數據，測試時間為3天。在3天時間到后對樣品拆模，用游標卡尺測量取出的水泥漿體樣品的高度。用測得的樣品高度校正實驗數據，最后得到所需要的電阻率數據。實驗室溫度用空調調控，溫度20±1℃，濕度不小于60%。

2.2.2 偏心水泥開裂實驗

本實驗試驗裝置名為偏心水泥開裂環，組成包括鋼制內環，鋼制外環，鋼制定位底板，以及約束裝置，鋼制內環與鋼制外環的圓心并不重合，有一定的偏心距。

試驗過程如下：水泥加水后，在水泥攪拌機上先慢攪60s，快攪30s，暫停60s，再快速攪拌30s，整個過程持續3min；然后將攪拌好的水泥裝入已安裝好的模具內。輕微振蕩以排除氣泡；在養護箱內養護24h后，拆除鋼制約束裝置以及鋼制外環。放入溫度為20±1℃，濕度為50%的周圍環境中，用相機拍攝樣品厚度較小的一側，記錄時間，當觀察到裂縫的時候，查看并記錄水泥裂縫開裂的時間。溫度用空調調節，濕度用濕度測試儀測量。

3 實驗結果與討論

3.1 礦粉對水泥漿體電阻率的影響

在水灰比為0.4的條件下，采用無電極電阻率測試儀，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%。編號分別為0.4s0，0.4s20，0.4s30，0.4s40。實驗得出72h時間內的電阻率發展情況，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特點：第一，不同礦粉摻量的電阻率曲線發展基本一致，在水化反應初期，電阻率曲線經歷了一個下降階段，進去一個相對平穩期，接下來電阻率曲線開始迅速增長，最終進入一個漫長的平穩時期。第二，在水化反應早期（0-12h左右），也就是在水泥漿體凝結前，隨著礦粉摻量的增多（0%-40%），電阻率漸漸升高。第三，在水化反應后期，也就是電阻率發展進入后期平穩階段時，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，曲線顯現下降趨勢。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（少于等于20%），使得漿體內部的空隙得到有效填補，內部孔隙率降低，電阻率隨之快速升高，所以當礦粉摻量為20%時，電阻率曲線上升到最上方。當礦粉的摻量過多時，礦粉摻量的增多會使水泥相對含量減少，作為堿性激發劑的水化生成也減少，最后導致漿體內部孔隙率增高，電阻率減小，所以當礦粉摻量為40%時，后期電阻率曲線最低。

3.2 礦粉對偏心水泥開裂環開裂時間的影響

在水灰比為0.4的情況下，采用偏心水泥開裂環，做了四種不同的礦粉摻量的實驗，礦粉摻量分別為0%，20%，30%，40%。編號分別為0.4s0，0.4s20，0.4s30，0.4s40。實驗得出偏心水泥開裂環的開裂時間，如圖2。

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

摻入少量礦粉時（少于等于20%），礦粉中的活性成分能與水化生成物發生二次反應，生成硅酸鈣等水化生成物，使得水泥漿體內部的孔隙得到有效填補，也就使得漿體內部中的孔結構變的更細，根據毛細管理論，毛細管力增大，水泥漿體的收縮增大，導致偏心水泥開裂環的開裂時間提前。當礦粉摻量的增多會使水泥相對含量減少，作為堿性激發劑的水化生成也減少，最后導致了二次水化反應不能充分填補漿體內部孔隙，使得孔結構變得更粗，毛細管力下降，水泥漿體收縮降低，從而延長偏心水泥開裂環的開裂時間。

3.3 水泥漿體的電阻率與開裂時間線性關系

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間一起進行線性擬合，得到72h電阻率與開裂時間的線性關系。如圖3所示。

水泥漿體72h齡期電阻率和偏心水泥開裂環開裂時間的之間的數學公式如下：

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的開裂時間，單位h。相關性系數R2=0.8623。

4 結語

本文研究了礦粉對水泥漿體的電阻率和開裂時間的作用情況，分析72h電阻率和開裂時間之間的關系。研究結論如下：

（1）不同礦粉摻量對水泥電阻率有著一定的影響。水灰比一定時，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）不同礦粉摻量對偏心水泥開裂環的開裂時間有著一定的影響。水灰比相同時，礦粉摻量的增多使得開裂時間先縮短再延長。

（3）水泥漿體72h電阻率和開裂時間之間呈現很好的線性相關關系，兩者之間的數學關系是：t=-0.9664ρ（72）+60.845。

參考文獻

[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].硅酸鹽學報，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.