水泥細度對水泥砂漿抗凍性能的影響研究

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)濟技術研究院，甘肅蘭州730050；2.三峽大學水利與環(huán)境學院，湖北宜昌443002)

0 引 言

水泥的粉磨細度、品質(zhì)對混凝土性能影響很大。水泥粉磨的越細，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)構中水分子所占的體積分數(shù)就越大，導致水泥石內(nèi)部結(jié)構空隙和孔隙增加，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，會對建筑物產(chǎn)生不可忽視的負面影響。凍融破壞是影響混凝土結(jié)構長效安全的主要耐久性破壞因素之一，研究水泥細度對水泥砂漿抗凍性的影響具有顯著意義。

水泥細度對水泥基材料的性能具有顯著影響，楊文科[1]認為當水泥的細度達到420 m2/kg以上時，如果進一步提高水泥的細度，強度不但不會進一步提高，反而有下降的趨勢。曲艷召[2]認為水泥比表面積越大，混凝土早期強度越高，后期強度發(fā)展相對較慢，比表面積較小的水泥，混凝土強度后期發(fā)展快，能夠趕上甚至超過大比表面積的水泥。周立霞等[3]認為適當降低水泥顆粒細度，粉煤灰混凝土的抗壓和抗折強度得到提高。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)部應力，早期的低徐變無法緩解這種應力，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，研究不同水泥細度的水泥砂漿試件在凍融作用下抗壓強度和電阻率的演化規(guī)律，并基于試驗結(jié)果建立了考慮水泥細度的凍融損傷模型，以期加深對水泥基材料凍融損傷的認識，為實際工程的長效安全設計提供參考。

1 試驗設計

1.1 原材料及配合比

試驗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。細骨料采用宜昌夜明珠砂場細度模量為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。試驗原材料物理性能、化學組分及試驗混凝土配合比分別見表1～表3。為探究不同細度的水泥對砂漿抗凍性能的影響，將水泥在球磨機中粉磨0、10、30 min得到3種不同細度的水泥，比表面積分別為333、373、413 m2/kg，試件以M1、M2、M3表示。

表2 水泥化學成分 %

表3 單位體積混凝土配合比

1.2 試件設計

為開展水工三級配混凝土對應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)移到標準養(yǎng)護室，2 h后抹面，24 h之后拆模，編組排號后在標準養(yǎng)護室養(yǎng)護到90 d。

1.3 試驗方法

1.3.1凍融循環(huán)試驗

混凝土的凍融循環(huán)試驗嚴格按照SL 352—2006《水工混凝土試驗規(guī)程》中的“快凍法”進行，這種方法不僅可以加快試驗周期，而且也能較為合理的評價砂漿的抗凍性。試驗儀器采用江蘇東華試驗儀器有限公司生產(chǎn)的HDK-9型凍融機，將90 d齡期時處于飽水狀態(tài)的試件按照規(guī)范規(guī)定的標準方法進行0、15、30、50、75、100、125、150次凍融循環(huán)試驗。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，達到理想的凍融效果；設定中心最低凍結(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抗壓強度測定

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

根據(jù)砂漿試件的最大荷載值及受壓面積計算混凝土單軸抗壓強度，即

(1)

式中，fn為凍融n次后的砂漿抗壓強度，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，砂漿力學性能的損傷程度宜用強度損失率反映，即

(2)

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

1.3.3電阻率的測定

電阻率是一個電學物理量，主要反映的是電流在單位長度通電導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。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)部存在許多毛細孔和孔隙，這些孔中含有大量水及一些可以導電的離子溶液，主要以Ca(OH)2溶液居多，具有較強的導電性，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，混凝土的導電性將急劇增強，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)也比較準確，可以滿足試驗要求。本次試驗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所示的方式埋設電極片。

圖1 電極片設置位置示意(單位：mm)

2 試驗結(jié)果分析

2.1 凍融作用下水泥細度對強度演化特性的影響

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

圖2 凍融作用下M1、M2、M3 fn與 n的關系曲線

凍融前，M1、M2、M3的混凝土試件抗壓強度滿足M3>M2>M1，說明水泥細度越大，細顆粒占比大，初期凝結(jié)硬化速率快，大大提高了早期強度；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，致使反應速率大大降低，較細的水泥顆粒黏度相應比常規(guī)水泥較大，具有良好的黏聚性，致密性較好，后期強度增長緩慢，初始抗壓強度偏高。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的抗壓強度fn從57.1 MPa降至30.4 MPa，pn為46.8%，不同細度的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的關系曲線如表4所示。

表4 pn與n的關系曲線

為了建立抗壓強度fn與水泥粉磨時間t和凍融次數(shù)n之間的函數(shù)關系，可設函數(shù)為

fn=kteb1n

(3)

kt=b2t+b3

(4)

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

綜合試驗數(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)，可以計算出上式中的系數(shù)。故所求抗壓強度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，相關性R=0.942 7。式(5)表明不同細度下砂漿凍融后的抗壓強度與水泥粉磨時間及凍融次數(shù)間具有良好的指數(shù)關系，這為預測不同細度的砂漿凍融后的力學損傷提供了依據(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 凍融作用下水泥細度對電導特性的影響

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，導電性能相對較差，電阻率較大，隨著凍融作用的增強，砂漿受到損傷，從表面逐漸深入到內(nèi)部，孔隙增多，裂縫擴展延伸，內(nèi)部濕度大幅增加，導電性增強，從而導致電阻率下降。因此電阻率與砂漿凍融后的致密性密切相關。

試驗利用數(shù)字萬用表采用二電極法測試了3種不同水泥細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，說明適當提高細度，電阻率將減小，由于細度適當?shù)奶岣撸嘀屑氼w粒占比增大，可以增強內(nèi)部的致密性，孔隙減少，含水量偏少，導致電阻率增大。

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

不同水泥細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。適當提高水泥細度可增強試件致密性，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)學擬合，可得M1、M2、M3的電阻率ρn與n的關系曲線如表5所示。

表5 不同深度處電阻率與的對應關系

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)關系，設函數(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為與水灰比及相關的系數(shù)。

計算得到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，相關性系數(shù)R=0.917 2。說明不同細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，這一關系式為預測凍融后不同水泥細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種不同水泥細度(水泥粉磨時間分別為0、10、30 min)砂漿試件的抗凍性試驗，分析了不同凍融次數(shù)后砂漿的抗壓強度、電阻率的變化規(guī)律，建立了凍融次數(shù)與抗壓強度及電阻率的擬合模型，得出以下結(jié)論：

(1)不同細度的水泥影響砂漿的抗凍性，適當增加水泥細度可以對砂漿的抗凍耐久性有所提高，但是過度提高細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，細小的微裂紋逐漸發(fā)展擴大并相互連通，造成內(nèi)部結(jié)構疏松，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，不同水泥細度的砂漿抗壓強度大致呈指數(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。