水泥细度对水泥砂浆抗冻性能的影响研究

魏 勇，熊勃勃，卢晓春，薛国斌，韩建锋

(1.国网甘肃省电力公司经济技术研究院，甘肃兰州730050；2.三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌443002)

0 引 言

水泥的粉磨细度、品质对混凝土性能影响很大。水泥粉磨的越细，水泥的比表面积就越大，所需的水量就越多，硬化后水泥石结构中水分子所占的体积分数就越大，导致水泥石内部结构空隙和孔隙增加，从而造成混凝土耐久性降低。目前，水泥生产商在生产水泥时将水泥粉磨过细，会对建筑物产生不可忽视的负面影响。冻融破坏是影响混凝土结构长效安全的主要耐久性破坏因素之一，研究水泥细度对水泥砂浆抗冻性的影响具有显著意义。

水泥细度对水泥基材料的性能具有显著影响，杨文科[1]认为当水泥的细度达到420 m2/kg以上时，如果进一步提高水泥的细度，强度不但不会进一步提高，反而有下降的趋势。曲艳召[2]认为水泥比表面积越大，混凝土早期强度越高，后期强度发展相对较慢，比表面积较小的水泥，混凝土强度后期发展快，能够赶上甚至超过大比表面积的水泥。周立霞等[3]认为适当降低水泥颗粒细度，粉煤灰混凝土的抗压和抗折强度得到提高。廉慧珍等[4]研究表明水泥比表面积变大，造成在约束状态下的混凝土产生较大的内部应力，早期的低徐变无法缓解这种应力，从而产生早期裂缝，内部不可见的微裂缝在混凝土长期服役环境中继续发展，是混凝土提早劣化的主要原因。

表1 水泥物理性能

本文开展对比试验，研究不同水泥细度的水泥砂浆试件在冻融作用下抗压强度和电阻率的演化规律，并基于试验结果建立了考虑水泥细度的冻融损伤模型，以期加深对水泥基材料冻融损伤的认识，为实际工程的长效安全设计提供参考。

1 试验设计

1.1 原材料及配合比

试验采用的水泥为葛洲坝股份有限公司水泥厂生产的P·O42.5“三峡牌”水泥。细骨料采用宜昌夜明珠砂场细度模量为2.63的天然河砂，粗骨料为5～20、20～40、40～80 mm 3种粒径的具有连续级配的石灰石，其质量比是3∶3∶4。减水剂为SBTJM-II型高效减水剂，减水率为15%～20%，掺量为0.8%；引气剂为AIR202型引气剂，掺量为0.01%，均产自江苏苏博特新材料股份有限公司。试验原材料物理性能、化学组分及试验混凝土配合比分别见表1～表3。为探究不同细度的水泥对砂浆抗冻性能的影响，将水泥在球磨机中粉磨0、10、30 min得到3种不同细度的水泥，比表面积分别为333、373、413 m2/kg，试件以M1、M2、M3表示。

表2 水泥化学成分 %

表3 单位体积混凝土配合比

1.2 试件设计

为开展水工三级配混凝土对应的湿筛混凝土砂浆的抗冻性研究，用砂浆试件反映湿筛混凝土的抗冻性能，砂浆试件在浇筑时剔除粗骨料，其他原材料不变，所成型的试件均是砂浆试件。本试验试件采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方体砂浆试件。在成型时，初次振捣15 s后，轻轻将电极片(铜片与砂浆试件接触面积为10 mm×10 mm)插入试件中不同深度(距离试件表面1、2、3 cm)，再次振捣15 s成型。试件浇筑完成后尽快转移到标准养护室，2 h后抹面，24 h之后拆模，编组排号后在标准养护室养护到90 d。

1.3 试验方法

1.3.1冻融循环试验

混凝土的冻融循环试验严格按照SL 352—2006《水工混凝土试验规程》中的“快冻法”进行，这种方法不仅可以加快试验周期，而且也能较为合理的评价砂浆的抗冻性。试验仪器采用江苏东华试验仪器有限公司生产的HDK-9型冻融机，将90 d龄期时处于饱水状态的试件按照规范规定的标准方法进行0、15、30、50、75、100、125、150次冻融循环试验。为使砂浆试件在90 d龄期时处于饱水状态，需要在试件养护到86 d后，将其放入(20±2)℃的水中浸泡4 d；至90 d龄期后将饱水砂浆试块放入底部及四周垫有垫条的冻融盒中，垫垫条主要是为了使试件与水充分接触，达到理想的冻融效果；设定中心最低冻结温度为-17℃，最高融化温度为8℃，在最低、最高温度均维持30 min，每次冻融历时4 h，每50次冻融循环结束后换一次水。

1.3.2抗压强度测定

抗压强度直接反映构件承受外界压力时的极限强度，关系着整体构件的安全，用抗压强度来评价砂浆抗冻性是最直接、最有效的一个指标。本试验采用WAY-Y100C型万能试验机测试试件在0、15、30、50、75、100、125、150次冻融循环后的抗压强度。

根据砂浆试件的最大荷载值及受压面积计算混凝土单轴抗压强度，即

(1)

式中，fn为冻融n次后的砂浆抗压强度，MPa；Pn为冻融n次后的砂浆最大承压荷载，N；An为冻融n次后的砂浆承压面积，mm2。

在冻融循环作用下，砂浆力学性能的损伤程度宜用强度损失率反映，即

(2)

式中，pn为砂浆强度损失率；fn为冻融n次后砂浆强度，MPa；f0为砂浆初始强度，MPa。

1.3.3电阻率的测定

电阻率是一个电学物理量，主要反映的是电流在单位长度通电导体中传输时所遇到的阻力[5]。混凝土内部的湿度与电阻率有直接的联系，电阻率可以表征混凝土以及砂浆的内部结构。自然环境中的混凝土因内部含水量较低，电阻率约为106～109Ω·m。一般近似认为混凝土是绝缘物，浇铸成型之后的混凝土以及砂浆内部存在许多毛细孔和孔隙，这些孔中含有大量水及一些可以导电的离子溶液，主要以Ca(OH)2溶液居多，具有较强的导电性，如果在混凝土中施加电压，孔中的溶液将会发生定向移动，产生电流，从而使混凝土具有一定的导电性，混凝土在潮湿状态下，特别是在受到损伤，产生裂缝的情况下，电解质溶液在混凝土中含量快速增多，混凝土的导电性将急剧增强，电阻率将减少4～7个数量级，仅为300～600 Ω·m 。

电阻率的测试方法比较多，最实用的主要是二级法。此种测试方法原理简单，操作方便，用万用表即可完成，数据也比较准确，可以满足试验要求。本次试验采用二级法测试试件在0、15、30、50、75、100、125、150次冻融循环后的电阻率，采用如图1所示的方式埋设电极片。

图1 电极片设置位置示意(单位：mm)

2 试验结果分析

2.1 冻融作用下水泥细度对强度演化特性的影响

根据M1、M2、M3的混凝土试件抗压强度fn随冻融次数n的变化规律，得到不同细度下砂浆冻融后fn与n的关系曲线如图2所示。

图2 冻融作用下M1、M2、M3 fn与 n的关系曲线

冻融前，M1、M2、M3的混凝土试件抗压强度满足M3>M2>M1，说明水泥细度越大，细颗粒占比大，初期凝结硬化速率快，大大提高了早期强度；中后期由于水化产物将内部的水分子与水泥颗粒隔离，致使反应速率大大降低，较细的水泥颗粒黏度相应比常规水泥较大，具有良好的黏聚性，致密性较好，后期强度增长缓慢，初始抗压强度偏高。冻融过程中，M1、M2、M3的fn逐渐下降，pn快速增加。M1的fn从54.3 MPa降至30.5 MPa，pn为43.8%；M2的fn从56.7MPa降至37.4 MPa，pn为34%；M3的抗压强度fn从57.1 MPa降至30.4 MPa，pn为46.8%，不同细度的pn下降速率不同，满足M2

在冻融环境下，M1、M2、M3的fn与冻融次数n大致呈指数变化。M2的抗压强度损失率pn平缓增加，M1和M3大致呈线性上升，M2、M3的pn与n的关系曲线如表4所示。

表4 pn与n的关系曲线

为了建立抗压强度fn与水泥粉磨时间t和冻融次数n之间的函数关系，可设函数为

fn=kteb1n

(3)

kt=b2t+b3

(4)

式中，b1、b2、b3均为系数；kt为与粉磨时间相关的系数。

综合试验数据，借助“1stOpt6.0”软件，结合“Levenberg-Marquardt法”(LM)和“通用全局优化算法”(Universal Global Optimization-UGO)，可以计算出上式中的系数。故所求抗压强度fn与水泥粉磨时间t和冻融次数n之间的函数解析式为fn=(0.08t+56.86)e-0.003 3n，相关性R=0.942 7。式(5)表明不同细度下砂浆冻融后的抗压强度与水泥粉磨时间及冻融次数间具有良好的指数关系，这为预测不同细度的砂浆冻融后的力学损伤提供了依据。

图3 冻融作用下试件的电阻率变化

图4 M1、M2、M3在同一深度处的电阻率变化

2.2 冻融作用下水泥细度对电导特性的影响

在自然状态下，砂浆未受到损伤，内部的湿度以及裂缝相对较少，导电性能相对较差，电阻率较大，随着冻融作用的增强，砂浆受到损伤，从表面逐渐深入到内部，孔隙增多，裂缝扩展延伸，内部湿度大幅增加，导电性增强，从而导致电阻率下降。因此电阻率与砂浆冻融后的致密性密切相关。

试验利用数字万用表采用二电极法测试了3种不同水泥细度砂浆试件冻融后的电阻率，砂浆在冻融作用下表层1.5 cm、中层2.5 cm、深层3.5 cm处的电阻率变化如图3所示。

由图3可知，在冻融前，各试块都被浸泡在水中达到饱水状态，因此每一组别不同深度下的初始电阻率大小基本相同，但是不同组别也即细度不同，电阻率之间还是体现出一定的差值，并且满足M2>M1≈M3，说明适当提高细度，电阻率将减小，由于细度适当的提高，水泥中细颗粒占比增大，可以增强内部的致密性，孔隙减少，含水量偏少，导致电阻率增大。

在整个冻融过程中，任何一种细度砂浆的电阻率均呈下降趋势。对于细度相同的砂浆经冻融后，电阻率满足M1-1.5

不同水泥细度同一深度处的电阻率变化如图4所示。

由图4可知，同一层不同细度砂浆的电阻率变化差别较大，M2-1.5>M1-1.5≈M3-1.5，M2-2.5>M1-2.5≈M3-2.5，M2-3.5>M1-3.5≈M3-3.5。适当提高水泥细度可增强试件致密性，冻融作用下裂缝产生将滞后，孔隙少，含水量小，表面的电阻率越大，下降越缓慢，而细度过高反而对致密性的提高毫无帮助，甚至带来不利影响。

冻融条件下，深层的电阻率大致呈线性变化，而中层呈抛物线下降，在冻融初期必然产生很多裂缝，其表层电阻率急剧下降，大致呈三次函数下降趋势。通过数学拟合，可得M1、M2、M3的电阻率ρn与n的关系曲线如表5所示。

表5 不同深度处电阻率与的对应关系

为建立不同深度处电阻率ρn与水泥粉磨时间t和冻融次数n之间的函数关系，设函数为

ρn=ktheb1n

(6)

kth=(b2t2+b3t+b4h2+b5h+b6)

(7)

式中，h为电极片深度；b1、b2、b3、b4均为系数；kth为与水灰比及相关的系数。

计算得到ρn与粉磨时间t和冻融次数n之间的函数解析式为ρn=(-0.011wt+0.334t+1.43h2-

3.94h+16.29)e-0.007 1n，相关性系数R=0.917 2。说明不同细度的砂浆在冻融后不同深度处的电阻率与粉磨时间t和冻融次数n之间呈指数变化，这一关系式为预测冻融后不同水泥细度下砂浆电阻率变化提供了理论依据。

3 结 论

本文通过对3种不同水泥细度(水泥粉磨时间分别为0、10、30 min)砂浆试件的抗冻性试验，分析了不同冻融次数后砂浆的抗压强度、电阻率的变化规律，建立了冻融次数与抗压强度及电阻率的拟合模型，得出以下结论：

(1)不同细度的水泥影响砂浆的抗冻性，适当增加水泥细度可以对砂浆的抗冻耐久性有所提高，但是过度提高细度反而对抗冻性的提高将没有帮助，甚至可能会降低砂浆的抗冻性。

(2)冻融初期，砂浆内部孔隙微小且尚未连通，致密性相对较好，而到冻融后期，细小的微裂纹逐渐发展扩大并相互连通，造成内部结构疏松，电阻率下降较快，并且砂浆表面电阻率在冻融过程中下降非常明显，深层电阻率下降较为缓慢，说明冻融破坏由表及里裂缝逐渐加大。

(3)冻融后，不同水泥细度的砂浆抗压强度大致呈指数衰减，不同深度的电阻率与冻融次数间的也是呈指数衰减。