魏 勇，熊勃勃，盧曉春，薛國斌，韓建鋒

(1.國網(wǎng)甘肅省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，甘肅蘭州730050；2.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌443002)

0 引 言

水泥的粉磨細(xì)度、品質(zhì)對混凝土性能影響很大。水泥粉磨的越細(xì)，水泥的比表面積就越大，所需的水量就越多，硬化后水泥石結(jié)構(gòu)中水分子所占的體積分?jǐn)?shù)就越大，導(dǎo)致水泥石內(nèi)部結(jié)構(gòu)空隙和孔隙增加，從而造成混凝土耐久性降低。目前，水泥生產(chǎn)商在生產(chǎn)水泥時將水泥粉磨過細(xì)，會對建筑物產(chǎn)生不可忽視的負(fù)面影響。凍融破壞是影響混凝土結(jié)構(gòu)長效安全的主要耐久性破壞因素之一，研究水泥細(xì)度對水泥砂漿抗凍性的影響具有顯著意義。

水泥細(xì)度對水泥基材料的性能具有顯著影響，楊文科[1]認(rèn)為當(dāng)水泥的細(xì)度達(dá)到420 m2/kg以上時，如果進(jìn)一步提高水泥的細(xì)度，強(qiáng)度不但不會進(jìn)一步提高，反而有下降的趨勢。曲艷召[2]認(rèn)為水泥比表面積越大，混凝土早期強(qiáng)度越高，后期強(qiáng)度發(fā)展相對較慢，比表面積較小的水泥，混凝土強(qiáng)度后期發(fā)展快，能夠趕上甚至超過大比表面積的水泥。周立霞等[3]認(rèn)為適當(dāng)降低水泥顆粒細(xì)度，粉煤灰混凝土的抗壓和抗折強(qiáng)度得到提高。廉慧珍等[4]研究表明水泥比表面積變大，造成在約束狀態(tài)下的混凝土產(chǎn)生較大的內(nèi)部應(yīng)力，早期的低徐變無法緩解這種應(yīng)力，從而產(chǎn)生早期裂縫，內(nèi)部不可見的微裂縫在混凝土長期服役環(huán)境中繼續(xù)發(fā)展，是混凝土提早劣化的主要原因。

表1 水泥物理性能

本文開展對比試驗(yàn)，研究不同水泥細(xì)度的水泥砂漿試件在凍融作用下抗壓強(qiáng)度和電阻率的演化規(guī)律，并基于試驗(yàn)結(jié)果建立了考慮水泥細(xì)度的凍融損傷模型，以期加深對水泥基材料凍融損傷的認(rèn)識，為實(shí)際工程的長效安全設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料及配合比

試驗(yàn)采用的水泥為葛洲壩股份有限公司水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5“三峽牌”水泥。細(xì)骨料采用宜昌夜明珠砂場細(xì)度模量為2.63的天然河砂，粗骨料為5～20、20～40、40～80 mm 3種粒徑的具有連續(xù)級配的石灰石，其質(zhì)量比是3∶3∶4。減水劑為SBTJM-II型高效減水劑，減水率為15%～20%，摻量為0.8%；引氣劑為AIR202型引氣劑，摻量為0.01%，均產(chǎn)自江蘇蘇博特新材料股份有限公司。試驗(yàn)原材料物理性能、化學(xué)組分及試驗(yàn)混凝土配合比分別見表1～表3。為探究不同細(xì)度的水泥對砂漿抗凍性能的影響，將水泥在球磨機(jī)中粉磨0、10、30 min得到3種不同細(xì)度的水泥，比表面積分別為333、373、413 m2/kg，試件以M1、M2、M3表示。

表2 水泥化學(xué)成分 %

表3 單位體積混凝土配合比

1.2 試件設(shè)計(jì)

為開展水工三級配混凝土對應(yīng)的濕篩混凝土砂漿的抗凍性研究，用砂漿試件反映濕篩混凝土的抗凍性能，砂漿試件在澆筑時剔除粗骨料，其他原材料不變，所成型的試件均是砂漿試件。本試驗(yàn)試件采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體砂漿試件。在成型時，初次振搗15 s后，輕輕將電極片(銅片與砂漿試件接觸面積為10 mm×10 mm)插入試件中不同深度(距離試件表面1、2、3 cm)，再次振搗15 s成型。試件澆筑完成后盡快轉(zhuǎn)移到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，2 h后抹面，24 h之后拆模，編組排號后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)到90 d。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1凍融循環(huán)試驗(yàn)

混凝土的凍融循環(huán)試驗(yàn)嚴(yán)格按照SL 352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中的“快凍法”進(jìn)行，這種方法不僅可以加快試驗(yàn)周期，而且也能較為合理的評價砂漿的抗凍性。試驗(yàn)儀器采用江蘇東華試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的HDK-9型凍融機(jī)，將90 d齡期時處于飽水狀態(tài)的試件按照規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行0、15、30、50、75、100、125、150次凍融循環(huán)試驗(yàn)。為使砂漿試件在90 d齡期時處于飽水狀態(tài)，需要在試件養(yǎng)護(hù)到86 d后，將其放入(20±2)℃的水中浸泡4 d；至90 d齡期后將飽水砂漿試塊放入底部及四周墊有墊條的凍融盒中，墊墊條主要是為了使試件與水充分接觸，達(dá)到理想的凍融效果；設(shè)定中心最低凍結(jié)溫度為-17℃，最高融化溫度為8℃，在最低、最高溫度均維持30 min，每次凍融歷時4 h，每50次凍融循環(huán)結(jié)束后換一次水。

1.3.2抗壓強(qiáng)度測定

抗壓強(qiáng)度直接反映構(gòu)件承受外界壓力時的極限強(qiáng)度，關(guān)系著整體構(gòu)件的安全，用抗壓強(qiáng)度來評價砂漿抗凍性是最直接、最有效的一個指標(biāo)。本試驗(yàn)采用WAY-Y100C型萬能試驗(yàn)機(jī)測試試件在0、15、30、50、75、100、125、150次凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度。

根據(jù)砂漿試件的最大荷載值及受壓面積計(jì)算混凝土單軸抗壓強(qiáng)度，即

(1)

式中，fn為凍融n次后的砂漿抗壓強(qiáng)度，MPa；Pn為凍融n次后的砂漿最大承壓荷載，N；An為凍融n次后的砂漿承壓面積，mm2。

在凍融循環(huán)作用下，砂漿力學(xué)性能的損傷程度宜用強(qiáng)度損失率反映，即

(2)

式中，pn為砂漿強(qiáng)度損失率；fn為凍融n次后砂漿強(qiáng)度，MPa；f0為砂漿初始強(qiáng)度，MPa。

1.3.3電阻率的測定

電阻率是一個電學(xué)物理量，主要反映的是電流在單位長度通電導(dǎo)體中傳輸時所遇到的阻力[5]?；炷羶?nèi)部的濕度與電阻率有直接的聯(lián)系，電阻率可以表征混凝土以及砂漿的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。自然環(huán)境中的混凝土因內(nèi)部含水量較低，電阻率約為106～109Ω·m。一般近似認(rèn)為混凝土是絕緣物，澆鑄成型之后的混凝土以及砂漿內(nèi)部存在許多毛細(xì)孔和孔隙，這些孔中含有大量水及一些可以導(dǎo)電的離子溶液，主要以Ca(OH)2溶液居多，具有較強(qiáng)的導(dǎo)電性，如果在混凝土中施加電壓，孔中的溶液將會發(fā)生定向移動，產(chǎn)生電流，從而使混凝土具有一定的導(dǎo)電性，混凝土在潮濕狀態(tài)下，特別是在受到損傷，產(chǎn)生裂縫的情況下，電解質(zhì)溶液在混凝土中含量快速增多，混凝土的導(dǎo)電性將急劇增強(qiáng)，電阻率將減少4～7個數(shù)量級，僅為300～600 Ω·m 。

電阻率的測試方法比較多，最實(shí)用的主要是二級法。此種測試方法原理簡單，操作方便，用萬用表即可完成，數(shù)據(jù)也比較準(zhǔn)確，可以滿足試驗(yàn)要求。本次試驗(yàn)采用二級法測試試件在0、15、30、50、75、100、125、150次凍融循環(huán)后的電阻率，采用如圖1所示的方式埋設(shè)電極片。

圖1 電極片設(shè)置位置示意(單位：mm)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 凍融作用下水泥細(xì)度對強(qiáng)度演化特性的影響

根據(jù)M1、M2、M3的混凝土試件抗壓強(qiáng)度fn隨凍融次數(shù)n的變化規(guī)律，得到不同細(xì)度下砂漿凍融后fn與n的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 凍融作用下M1、M2、M3 fn與 n的關(guān)系曲線

凍融前，M1、M2、M3的混凝土試件抗壓強(qiáng)度滿足M3>M2>M1，說明水泥細(xì)度越大，細(xì)顆粒占比大，初期凝結(jié)硬化速率快，大大提高了早期強(qiáng)度；中后期由于水化產(chǎn)物將內(nèi)部的水分子與水泥顆粒隔離，致使反應(yīng)速率大大降低，較細(xì)的水泥顆粒黏度相應(yīng)比常規(guī)水泥較大，具有良好的黏聚性，致密性較好，后期強(qiáng)度增長緩慢，初始抗壓強(qiáng)度偏高。凍融過程中，M1、M2、M3的fn逐漸下降，pn快速增加。M1的fn從54.3 MPa降至30.5 MPa，pn為43.8%；M2的fn從56.7MPa降至37.4 MPa，pn為34%；M3的抗壓強(qiáng)度fn從57.1 MPa降至30.4 MPa，pn為46.8%，不同細(xì)度的pn下降速率不同，滿足M2

在凍融環(huán)境下，M1、M2、M3的fn與凍融次數(shù)n大致呈指數(shù)變化。M2的抗壓強(qiáng)度損失率pn平緩增加，M1和M3大致呈線性上升，M2、M3的pn與n的關(guān)系曲線如表4所示。

表4 pn與n的關(guān)系曲線

為了建立抗壓強(qiáng)度fn與水泥粉磨時間t和凍融次數(shù)n之間的函數(shù)關(guān)系，可設(shè)函數(shù)為

fn=kteb1n

(3)

kt=b2t+b3

(4)

式中，b1、b2、b3均為系數(shù)；kt為與粉磨時間相關(guān)的系數(shù)。

綜合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，借助“1stOpt6.0”軟件，結(jié)合“Levenberg-Marquardt法”(LM)和“通用全局優(yōu)化算法”(Universal Global Optimization-UGO)，可以計(jì)算出上式中的系數(shù)。故所求抗壓強(qiáng)度fn與水泥粉磨時間t和凍融次數(shù)n之間的函數(shù)解析式為fn=(0.08t+56.86)e-0.003 3n，相關(guān)性R=0.942 7。式(5)表明不同細(xì)度下砂漿凍融后的抗壓強(qiáng)度與水泥粉磨時間及凍融次數(shù)間具有良好的指數(shù)關(guān)系，這為預(yù)測不同細(xì)度的砂漿凍融后的力學(xué)損傷提供了依據(jù)。

圖3 凍融作用下試件的電阻率變化

圖4 M1、M2、M3在同一深度處的電阻率變化

2.2 凍融作用下水泥細(xì)度對電導(dǎo)特性的影響

在自然狀態(tài)下，砂漿未受到損傷，內(nèi)部的濕度以及裂縫相對較少，導(dǎo)電性能相對較差，電阻率較大，隨著凍融作用的增強(qiáng)，砂漿受到損傷，從表面逐漸深入到內(nèi)部，孔隙增多，裂縫擴(kuò)展延伸，內(nèi)部濕度大幅增加，導(dǎo)電性增強(qiáng)，從而導(dǎo)致電阻率下降。因此電阻率與砂漿凍融后的致密性密切相關(guān)。

試驗(yàn)利用數(shù)字萬用表采用二電極法測試了3種不同水泥細(xì)度砂漿試件凍融后的電阻率，砂漿在凍融作用下表層1.5 cm、中層2.5 cm、深層3.5 cm處的電阻率變化如圖3所示。

由圖3可知，在凍融前，各試塊都被浸泡在水中達(dá)到飽水狀態(tài)，因此每一組別不同深度下的初始電阻率大小基本相同，但是不同組別也即細(xì)度不同，電阻率之間還是體現(xiàn)出一定的差值，并且滿足M2>M1≈M3，說明適當(dāng)提高細(xì)度，電阻率將減小，由于細(xì)度適當(dāng)?shù)奶岣?，水泥中?xì)顆粒占比增大，可以增強(qiáng)內(nèi)部的致密性，孔隙減少，含水量偏少，導(dǎo)致電阻率增大。

在整個凍融過程中，任何一種細(xì)度砂漿的電阻率均呈下降趨勢。對于細(xì)度相同的砂漿經(jīng)凍融后，電阻率滿足M1-1.5

不同水泥細(xì)度同一深度處的電阻率變化如圖4所示。

由圖4可知，同一層不同細(xì)度砂漿的電阻率變化差別較大，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。適當(dāng)提高水泥細(xì)度可增強(qiáng)試件致密性，凍融作用下裂縫產(chǎn)生將滯后，孔隙少，含水量小，表面的電阻率越大，下降越緩慢，而細(xì)度過高反而對致密性的提高毫無幫助，甚至帶來不利影響。

凍融條件下，深層的電阻率大致呈線性變化，而中層呈拋物線下降，在凍融初期必然產(chǎn)生很多裂縫，其表層電阻率急劇下降，大致呈三次函數(shù)下降趨勢。通過數(shù)學(xué)擬合，可得M1、M2、M3的電阻率ρn與n的關(guān)系曲線如表5所示。

表5 不同深度處電阻率與的對應(yīng)關(guān)系

為建立不同深度處電阻率ρn與水泥粉磨時間t和凍融次數(shù)n之間的函數(shù)關(guān)系，設(shè)函數(shù)為

ρn=ktheb1n

(6)

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

(7)

式中，h為電極片深度；b1、b2、b3、b4均為系數(shù)；kth為與水灰比及相關(guān)的系數(shù)。

計(jì)算得到ρn與粉磨時間t和凍融次數(shù)n之間的函數(shù)解析式為ρn=(-0.011wt+0.334t+1.43h2-

3.94h+16.29)e-0.007 1n，相關(guān)性系數(shù)R=0.917 2。說明不同細(xì)度的砂漿在凍融后不同深度處的電阻率與粉磨時間t和凍融次數(shù)n之間呈指數(shù)變化，這一關(guān)系式為預(yù)測凍融后不同水泥細(xì)度下砂漿電阻率變化提供了理論依據(jù)。

3 結(jié) 論

本文通過對3種不同水泥細(xì)度(水泥粉磨時間分別為0、10、30 min)砂漿試件的抗凍性試驗(yàn)，分析了不同凍融次數(shù)后砂漿的抗壓強(qiáng)度、電阻率的變化規(guī)律，建立了凍融次數(shù)與抗壓強(qiáng)度及電阻率的擬合模型，得出以下結(jié)論：

(1)不同細(xì)度的水泥影響砂漿的抗凍性，適當(dāng)增加水泥細(xì)度可以對砂漿的抗凍耐久性有所提高，但是過度提高細(xì)度反而對抗凍性的提高將沒有幫助，甚至可能會降低砂漿的抗凍性。

(2)凍融初期，砂漿內(nèi)部孔隙微小且尚未連通，致密性相對較好，而到凍融后期，細(xì)小的微裂紋逐漸發(fā)展擴(kuò)大并相互連通，造成內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，電阻率下降較快，并且砂漿表面電阻率在凍融過程中下降非常明顯，深層電阻率下降較為緩慢，說明凍融破壞由表及里裂縫逐漸加大。

(3)凍融后，不同水泥細(xì)度的砂漿抗壓強(qiáng)度大致呈指數(shù)衰減，不同深度的電阻率與凍融次數(shù)間的也是呈指數(shù)衰減。