矿粉水泥浆体电阻率及约束开裂之间的关系

彭垣鑫 付磊

摘 要：混凝土工程开裂问题越趋严重，研究混凝土的开裂必要且急需。本文采用偏心水泥开裂试验方法解决了传统环状约束开裂试验的约束度不高，开裂位置不固定等问题。在此基础上，研究了不同矿粉掺量（分别为0%，20%，30%，40%）的水泥的水化行为，测量了水泥浆体的电阻率，偏心水泥开裂环开裂时间。结果表明：矿粉的增加会使得水泥水化前期阶段电阻率升高，水泥水化后期阶段电阻率先升高再降低，偏心水泥开裂环开裂时间先缩短再延长。72h电阻率与开裂时间有着很好的线性数学关系，通过水泥72h电阻率可以预估偏心水泥开裂环的开裂时间。

关键词：水泥浆体；矿粉；电阻率；开裂时间；偏心水泥开裂环

中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）19-0115-02

1 引言

随着混凝土的在工程中使用的范围不断扩大，人们对混凝土的质量控制要求也越来越高，但混凝土的耐久性问题一直存在，混凝土耐久性的问题主要表现形式是混凝土开裂。20世纪80年代，在世界范围内的混凝土工程中发生了广泛且影响巨大的耐久性问题[1]。

矿粉一般是把高炉冶铁产生的粒化矿渣进一步经过研磨加工后而生产的。过去生产矿渣和水泥的时候，通常把水泥与矿渣放在一块混合研磨的，由于矿渣更难研磨，所以过去生产的矿渣水泥的矿渣的粒径较大，导致了其活性也比较低，在实际工程中使用时，经常发生干燥收缩，开裂现象严重。近些年，研磨水泥与矿渣的工艺有了提高，但有关的矿粉机理研究还是不充分的，鉴于此，本文将以水泥以及矿粉作为实验原材料，采用偏心水泥开裂环试验装置，来研究矿粉对偏心水泥开裂环的开裂时间的影响，采用无电极电阻率测试仪研究矿粉对水泥浆体电阻率曲线的影响。分析水泥浆体72h电阻率与偏心水泥开裂环的开裂时间的关系，提出一种预测偏心水泥开裂环开裂时间的方法——电阻率法。

2 试验

2.1 原材料和配合比

实验所用的水泥原材料是42.5普通硅酸盐水泥。实验所用的矿粉粒径45μm，方孔筛筛余7.6%，需水量比90%，强度活性指数80.2%。水泥以及矿粉的化学组成如表1所示。

在水泥浆体的水灰比为0.4的情况下，共进行了四组矿粉掺量不同水泥浆体的试验，矿粉掺量占总质量的比例分别为0%，20%，30%，40%。对应的水泥浆体编号分别记为：0.4s0，0.4s20，0.4s30，0.4s40。

试验用水为武汉市自來水。

2.2 实验方法

2.2.1 电阻率实验

实验仪器采用的是无电极电阻率测定仪。无电极电阻率测试仪是用来测量水泥及混凝土在水化过程中电阻率的仪器。

试验过程如下：水泥加水后，在水泥搅拌机上先慢搅60s，快搅30s，暂停60s，再快速搅拌30s，整个过程持续3min；然后将搅拌好的水泥装入已安装好的环状电阻率模具中，微微振动去除水泥浆体中的一些气泡；加盖密封后开启仪器，进行实验。实验每60s会采集一次数据，测试时间为3天。在3天时间到后对样品拆模，用游标卡尺测量取出的水泥浆体样品的高度。用测得的样品高度校正实验数据，最后得到所需要的电阻率数据。实验室温度用空调调控，温度20±1℃，湿度不小于60%。

2.2.2 偏心水泥开裂实验

本实验试验装置名为偏心水泥开裂环，组成包括钢制内环，钢制外环，钢制定位底板，以及约束装置，钢制内环与钢制外环的圆心并不重合，有一定的偏心距。

试验过程如下：水泥加水后，在水泥搅拌机上先慢搅60s，快搅30s，暂停60s，再快速搅拌30s，整个过程持续3min；然后将搅拌好的水泥装入已安装好的模具内。轻微振荡以排除气泡；在养护箱内养护24h后，拆除钢制约束装置以及钢制外环。放入温度为20±1℃，湿度为50%的周围环境中，用相机拍摄样品厚度较小的一侧，记录时间，当观察到裂缝的时候，查看并记录水泥裂缝开裂的时间。温度用空调调节，湿度用湿度测试仪测量。

3 实验结果与讨论

3.1 矿粉对水泥浆体电阻率的影响

在水灰比为0.4的条件下，采用无电极电阻率测试仪，研究了四种不同矿粉掺量的水泥水化过程，矿粉掺量分别为0%，20%，30%，40%。编号分别为0.4s0，0.4s20，0.4s30，0.4s40。实验得出72h时间内的电阻率发展情况，如图1所示。

从图1中，可以观察到，水泥浆体的电阻率曲线有下面三个特点：第一，不同矿粉掺量的电阻率曲线发展基本一致，在水化反应初期，电阻率曲线经历了一个下降阶段，进去一个相对平稳期，接下来电阻率曲线开始迅速增长，最终进入一个漫长的平稳时期。第二，在水化反应早期（0-12h左右），也就是在水泥浆体凝结前，随着矿粉掺量的增多（0%-40%），电阻率渐渐升高。第三，在水化反应后期，也就是电阻率发展进入后期平稳阶段时，矿粉掺量的增多使得电阻率先升高后降低。

水泥浆体的电阻率的大小在水化反应中，主要受到液相离子浓度以及浆体的孔隙率的影响[2]。电阻率随着与液相离子浓度的增大而增大，随着孔隙率的增大而减小。在早期水化阶段，在加水之后，水泥中的水泥微粒和矿粉微粒会溶解析出大量离子[3]，使得浆体液相、水泥电阻率降低，曲线显现下降趋势。由于同等体积条件下，矿粉溶解水中析出的离子浓度小于水泥溶解析出的离子浓度，所以，在水化早期阶段，矿粉掺量越多，析出的离子越少，液相电阻率越高。又因水灰比都为0.4，初始孔隙率视为一样[4]。所以，在早期水化阶段，矿粉掺量的增多使得电阻率升高。在后期水化阶段，掺入少量矿粉时（少于等于20%），使得浆体内部的空隙得到有效填补，内部孔隙率降低，电阻率随之快速升高，所以当矿粉掺量为20%时，电阻率曲线上升到最上方。当矿粉的掺量过多时，矿粉掺量的增多会使水泥相对含量减少，作为碱性激发剂的水化生成也减少，最后导致浆体内部孔隙率增高，电阻率减小，所以当矿粉掺量为40%时，后期电阻率曲线最低。

3.2 矿粉对偏心水泥开裂环开裂时间的影响

在水灰比为0.4的情况下，采用偏心水泥开裂环，做了四种不同的矿粉掺量的实验，矿粉掺量分别为0%，20%，30%，40%。编号分别为0.4s0，0.4s20，0.4s30，0.4s40。实验得出偏心水泥开裂环的开裂时间，如图2。

从图2中观察到，在水灰比相同的条件下，矿粉掺量的增多会使偏心水泥开裂环的开裂时间先缩短再延长。掺入矿粉20%时，偏心水泥开裂环的开裂时间最短。掺入矿粉20%的开裂时间比掺入矿粉0%的开裂时间缩短了4%，掺入矿粉40%的开裂时间比掺入矿粉0%的开裂时间增长了2.5%。

掺入少量矿粉时（少于等于20%），矿粉中的活性成分能与水化生成物发生二次反应，生成硅酸钙等水化生成物，使得水泥浆体内部的孔隙得到有效填补，也就使得浆体内部中的孔结构变的更细，根据毛细管理论，毛细管力增大，水泥浆体的收缩增大，导致偏心水泥开裂环的开裂时间提前。当矿粉掺量的增多会使水泥相对含量减少，作为碱性激发剂的水化生成也减少，最后导致了二次水化反应不能充分填补浆体内部孔隙，使得孔结构变得更粗，毛细管力下降，水泥浆体收缩降低，从而延长偏心水泥开裂环的开裂时间。

3.3 水泥浆体的电阻率与开裂时间线性关系

下面，将不同水灰比以及不同矿粉掺量水泥浆体的电阻率与开裂时间一起进行线性拟合，得到72h电阻率与开裂时间的线性关系。如图3所示。

水泥浆体72h龄期电阻率和偏心水泥开裂环开裂时间的之间的数学公式如下：

t=-0.9664ρ（72）+60.845 （1-1）

公式1-1中，ρ（72）代表72h電阻率，单位Ω·m。t代表偏心水泥开裂环的开裂时间，单位h。相关性系数R2=0.8623。

4 结语

本文研究了矿粉对水泥浆体的电阻率和开裂时间的作用情况，分析72h电阻率和开裂时间之间的关系。研究结论如下：

（1）不同矿粉掺量对水泥电阻率有着一定的影响。水灰比一定时，矿粉掺量增加，早期水化阶段电阻率越大，后期水化阶段电阻率先增加再降低。

（2）不同矿粉掺量对偏心水泥开裂环的开裂时间有着一定的影响。水灰比相同时，矿粉掺量的增多使得开裂时间先缩短再延长。

（3）水泥浆体72h电阻率和开裂时间之间呈现很好的线性相关关系，两者之间的数学关系是：t=-0.9664ρ（72）+60.845。

参考文献

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

[2]魏小胜，肖莲珍，李宗津.采用电阻率法研究水泥水化过程[J].硅酸盐学报，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.