1、第 45 卷第 6 期2023 年 12 月Vol.45 No.6Dec.2023土 木 与 环 境 工 程 学 报（中 英 文）Journal of Civil and Environmental Engineering低活性矿渣内养护水泥砂浆自收缩与电阻率的关系杜玉会,李双喜（新疆农业大学 水利与土木工程学院；新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室，乌鲁木齐 830052）摘要：以预吸水低活性矿渣替代细集料作为内养护材料，研究低活性矿渣内养护砂浆自收缩与电阻率的变化规律，揭示两者的关系。结果表明：随着低活性矿渣掺量的增加，砂浆早期强度降低幅度大，随着龄期的延长，砂浆中后期强度降低幅度小于早
2、期，建议低活性矿渣的合适掺量取为细集料质量的 15%25%；低活性矿渣内养护对砂浆电阻率发展影响明显，凝结硬化前，浆体电阻率随低活性矿渣掺量的增大而增大；凝结硬化后，浆体电阻率随低活性矿渣掺量的增大而减小；低活性矿渣内养护能有效抑制浆体各阶段的自收缩，尤其在快速收缩阶段和短暂膨胀阶段作用最为明显，同时，36 h龄期后电阻率与自收缩有很好的对应关系，可通过电阻率发展趋势预测自收缩的变化情况。关键词：水泥砂浆；内养护；自收缩；电阻率；低活性矿渣中图分类号：TU525.9 文献标志码：A 文章编号：2096-6717（2023）06-0173-07Relationship between autog
3、enous shrinkage and resistivity of cement mortar internal cured with low active slagDU Yuhui，LI Shuangxi(School of Water Resources and Civil Engineering；Key Laboratory of Water Conservancy Project Safety and Water Disaster Prevention,Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052,P.R.China)Abstract:
4、Using pre-absorbent low active slag as internal curing material instead of fine aggregate,the autogenous shrinkage and resistivity variation of low active slag internal curing mortar were studied,and the relationship between them was revealed.The results show that with increase of low active slag co
5、ntent,the early strength of mortar decreases greatly,with the extension of age,the strength reduction in the middle and late stages of mortar is smaller than that in the early stage.It is suggested that the appropriate content of low-activity slag is 15%-25%of the fine aggregate quality.The internal
6、 curing of low active slag has obvious influence on the resistivity development of mortar.Before setting hardening,the resistivity of mortar increases with the increase of low active slag content.After it,the slurry resistivity decreases with the increase of low active slag content.The internal curi
7、ng of low active slag can effectively inhibit the autogenous shrinkage at various stages of the slurry,especially in the rapid shrinkage stage and transient expansion stage.At the same DOI：10.11835/j.issn.2096-6717.2021.238收稿日期：20210707基金项目：新疆自然科学基金（2019D01A46）；2021年自治区研究生科研创新项目（XJ2021G163）作者简介：杜玉会（
8、1996-），女，主要从事高性能混凝土研究，E-mail：。李双喜（通信作者），男，副教授，E-mail：。Received:20210707Foundation items:Natural Science Foundation of Xinjiang(No.2019D01A46);Graduate Research Innovation Project of Autonomous Region of 2021(No.XJ2021G163)Author brief:DU Yuhui(1996-),main research interest:high performance concrete,
9、E-mail:.LI Shuangxi（corresponding author）,associate professor,E-mail:.开放科学（资源服务）标识码OSID:第 45 卷土 木 与 环 境 工 程 学 报（中 英 文）time,the resistivity after 36 h has a good correlation with autogenous shrinkage,and the change of autogenous shrinkage can be predicted by the development trend of resistivity.Keywo
10、rds:cement mortar；internal curing；autogenous shrinkage；resistivity；low active slag因渗透性差，外部养护水分难以进入高性能混凝土内部，由此产生的自收缩会导致其开裂敏感性提高1-2。目前，常用于降低混凝土收缩开裂的方式有内养护、添加减缩剂或膨胀剂等3-5。研究发现，减缩剂仅对干燥环境下的干燥收缩抑制效果较好，并且由于其成本较高，推广使用受限6。膨胀剂发挥其膨胀效能需水量大，若膨胀剂掺量不合理，将导致过度或不均匀膨胀，进而导致混凝土开裂7。而内养护是利用高吸水材料在混凝土硬化过程中释放水分，起到“蓄水池”的作用，维持混
11、凝土体系内部的湿度，以减小自干燥收缩，达到传统养护方式达不到的养护效果8。其中，有机类 SAP 高吸水性树脂9-12的研究及应用较为广泛，其吸水倍率较高但 SAP 吸水后易黏结，在浆体内分布不均匀，与混凝土的界面结合能力较弱13。而在无机内养护材料中，有研究发现，轻骨料14、浮石2、沸石15和珊瑚砂16等具有一定内养护作用，但存在骨料上浮的问题。笔者选取低活性矿渣替代细集料作为内养护材料，其原状矿渣的粒度、物理性能与沙子相近，多孔性使其可以预吸大量的自由水。相较其他内养护材料具有一定的化学活性，不存在分布不均与骨料上浮的问题。低活性矿渣作为内养护剂既能解决混凝土收缩开裂等问题，又能有效缓解天然
12、砂的资源消耗，还能进一步提高低活性矿渣的利用率。但现有研究主要利用其磨细粉体制备水泥17-18，或利用其颗粒料部分替代砂19-20来研究其对混凝土力学性能的影响，而将低活性矿渣颗粒作为内养护材料研究其内养护效应并讨论自收缩与电阻率相互关系鲜有报道。笔者以预吸水低活性矿渣作为内养护材料，通过非接触式自收缩试验和非接触式电阻率试验，探究在内养护的作用下水泥砂浆自收缩与电阻率之间的关系。1试验1.1试验材料水泥：山东鲁城 PI 42.5硅酸盐水泥，其化学成分及矿物组成指标见表 1，物理性能指标见表 2。低活性矿渣：新疆宝新盛源板结高炉矿渣，破碎、筛除粒径大于 4.75 mm 的颗粒，细度模数为2.6
13、，颗粒级配区间为区，玻璃体含量为 50%，如图 1 所示。微观形貌如图 2 所示，各项质量指标见表 3。标准砂：ISO标准砂。粉煤灰：新疆乌鲁木齐 F类粉煤灰，比表面积为 471 m2/kg，需水量比为 90%。减水剂：聚羧酸高性能减水剂，减水率 30%以上。表 1P I 42.5硅酸盐水泥化学成分及矿渣组成Table 1Chemical composition and mineral composition of Portland cement PI 42.5%烧失量0.45SiO221.32Al2O34.31CaO61.26MgO2.47SO32.55Fe2O33.54矿物熟料的组成C3S
14、57.22C2S19.29C3A6.34C4AF10.76表 2P I 42.5硅酸盐水泥物理性能Table 2Physical properties of Portland cement PI 42.5细度(0.08 mm)/%0.9密度/(g/cm3)3.14比表面积/(m2/kg)342标准稠度/%25.8凝结时间/min初凝185终凝255抗折强度/MPa3 d5.828 d8.6抗压强度/MPa3 d27.728 d51.2图 1低活性矿渣玻璃体含量Fig.1Vitreous content of low active slag174第 6 期杜玉会，等：低活性矿渣内养护水泥砂浆自收
15、缩与电阻率的关系1.2配合比试验配合比见表 4，其中低活性矿渣浸泡水中预吸水 5 d达到饱和，最终以饱和面干状态掺加，试验测得低活性矿渣饱和面干吸水率为 10%，低活性矿渣掺量以矿渣质量占细集料质量的百分比计，分别为0%（B0）、15%（B1）、25%（B2）、35%（B3），粉煤灰掺量以粉煤灰占胶凝材料质量的 35%计；有效水胶比（mw/mB）E指浆体拌和水量与胶凝材料质量的比值；内养护水量指饱和面干低活性矿渣预吸的自由水量；总水胶比指浆体拌和水和低活性矿渣额外引入的内养护水的总量与胶凝材料质量之比，通过掺加饱和面干的低活性矿渣引入内养护水，增大了总水胶比，但有效水胶比不会发生变化。1.3试
16、验方法强度试验：参照 水泥胶砂强度检测方法（ISO法）在标准养护箱中养护至规定龄期，然后进行测试。电阻率试验：采用中衡港科（深圳）科技有限公司生产的无电极电阻率测定仪（CCR-3型），测试温度为（202），相对湿度为（502）%，根据表 4中配合比拌制砂浆，将新拌砂浆迅速倒入环形模具中并微微振动模具，排除气泡，然后加盖密封，启动测试。从加水到开始记录数据的时间间隔不超过 10 min，记录频率为 1次/min，测试龄期为 168 h。测试完毕后，用千分尺测量样品的高度并进行校正，可以得到 168 h 内电阻率随时间发展的曲线。自收缩试验：采用 NELD-NES730 型号非接触式混凝土收缩变形
17、测定仪检测，记录频率为 1次/15 min，测试温度为（202），湿度为（605）%，测试龄期为 168 h，主要通过两端的位移传感器测定无约束状态下混凝土发生的形变，测试装置如图 3 所示，试模尺寸为 100 mm100 mm515 mm。具体操作步骤为：1）测试前在试模里涂一层润滑脂，然后再铺 2 层聚四氟乙烯薄膜，层与层之间涂刷润滑脂，降低摩擦对试验结果的影响；2）将标靶固定在（a）低活性矿渣颗粒形貌（b）低活性矿渣微观形貌图 2低活性矿渣形貌Fig.2Morphology of low active slag particles表 3低活性矿渣技术指标Table 3Technology
18、 index of low active slag碱含量/%1.11氯离子含量/%0.01表观密度/(kg/m3)2 270堆积密度/(kg/m3)970紧密密度/(kg/m3)1 085细度模数2.6压碎值/%28CaO/%38.3f-CaO/%0.1MgO/%5.6吸水率/%10表 4砂浆配合比Table 4Mix ratio of mortar序号1234组号B0B1B2B3（mW/mB）E0.360.360.360.36配合比/（kg/m3）内养护水0 20.2533.7549.95标准砂1 350 1 147.51 012.5877.5低活性矿渣0202.5337.5472.5水19
19、4.4194.4194.4194.4水泥405405405405粉煤灰135135135135减水剂0.60.60.60.6（a）测定仪主机（b）试样测试装置图 3非接触式混凝土收缩变形测定仪Fig.3Non-contact measuring instrument for concrete shrinkage deformation175第 45 卷土 木 与 环 境 工 程 学 报（中 英 文）试模两端，两个标靶距离大于 400 mm，开始浇筑浆体试样；3）立即密封处理，防止水分蒸发，调试试模两端的位移传感器，在浆体初凝前开始测试。在整个测试过程中，试样在变形测定仪上放置的位置、方向均应始
20、终保持固定不变。2试验结果与分析2.1低活性矿渣对砂浆力学性能的影响图 4 为低活性矿渣内养护砂浆对其强度的影响。从图 4 可以看出，抗压强度和抗折强度呈相似的发展规律，即掺入低活性矿渣后，在龄期 3 d时砂浆的强度降低幅度较大，但随着龄期的延长，低活性矿渣的内养护效应开始显现，与基准组相比，低活性矿渣掺量组后期强度发展相对较快，强度降低幅度明显变小，养护 28 d时强度与基准组持平或略高于基准组。总之，低活性矿渣的引入整体上会抑制砂浆早期强度的发展，但在龄期 7 d 后强度显著得到补偿。主要原因是低活性矿渣本身的物理性能、颗粒强度等劣于标准砂，并且预吸水低活性矿渣以饱和面干状态引入，其粗糙表
21、面也将吸收一部分拌和水量，使得浆体拌和水量减少，碱离子浓度下降，从而延缓了早期的水化，导致其早期强度有所降低。但随着龄期的延长，浆体内部相对湿度逐渐降低，这时处于吸水膨润状态的低活性矿渣会由于湿度梯度的作用释放出水分，供未完全水化的胶凝材料颗粒进一步水化21，发挥其内养护作用，使得内部湿度显著增大；并且低活性矿渣具有一定的化学活性，后期化学活性不断被激发19，使得浆体水化充分，有效改善了浆体的收缩，使得孔结构细化，促进了强度的发展。2.2低活性矿渣对砂浆自收缩的影响图 5 为不同配合比高性能砂浆龄期为 7 d 时的自收缩发展曲线。由图 5 可以看出，不同低活性矿渣掺量组的自收缩发展变化曲线均呈
22、 3个明显的阶段，即 AB 段（快速收缩阶段）、BC 段（短暂膨胀阶段）、CD 段（缓慢收缩阶段）。对比各组在快速收缩阶段的自收缩发展规律发现，与基准组相比，低活性矿渣掺量组收缩持续时间较短，收缩值较小。收缩时间由基准组的07 h（B0）缩短为05 h、04 h、04 h（B1、B2、B3），收缩值分别由 120 m/m（B0）缩短为 50、26、25 m/m（B1、B2、B3），随着低活性矿渣掺量的增加，收缩时间持续缩短，收缩值持续下降。在短暂膨胀阶段，与基准组相比，低活性矿渣掺量组进入膨胀阶段的时间提前，且膨胀时间延长，B0、B1、B2 和 B3 的膨胀时间分别为 79 h、510 h、4
23、12 h、413 h，各组膨胀值分别为 40、58、73、103 m/m（B0、B1、B2、B3），由此看出，低活性矿渣内养护砂浆的膨胀值随其掺量的增加而变大。总体而言，低活性矿渣对浆体的自收缩具有一定的补偿作用，在缓慢收缩阶段，低活性矿渣掺量达到35%时完全消除自收缩，体积基本稳定，最终表现为自膨胀状态，有较多学者也发现了此现象22-24。根据上述分析，低活性矿渣内养护能有效抑制浆体各阶段的自收缩，尤其在快速收缩阶段和短暂膨胀阶段作用最为明显。主要有两方面原因：1）水泥水化和环境干燥都将引发水泥石毛细孔自由水含量减少、内部相对湿度下降，进而在毛细孔内形成弯月面，引发毛细负压力，导致混凝土收缩
24、25-26。自收缩是水泥基体骨架成型后胶凝材料继续水化引起内部湿度降低而引起的收缩，只要水化不断进（a）抗压强度（b）抗折强度图 4不同低活性矿渣掺量对砂浆力学性能的影响Fig.4Effect of different low active slag content on mechanical properties of mortar图 5不同低活性矿渣掺量对砂浆自收缩的影响Fig.5Effect of different low active slag content on autogenous shrinkage of mortar行，自收缩就会持续产生。在浆体内部湿度梯度的作用下，预湿低
25、活性矿渣释放水分，延缓浆体内部自干燥的产生。2）预湿低活性矿渣的掺加增大了浆体的总水胶比，B1、B2、B3 的内养护水量分别为20.75、33.75、49.95 g/cm3。除凝胶颗粒外，水泥石中还含有大量的水，水分在混凝土组成材料中的膨胀能力最大，热膨胀系数约为 21010-6-1，比水泥石的热膨胀系数高 1 个数量级27，所以低活性矿渣引入的内养护水大大提高了混凝土的热膨胀系数。浆体产生的热膨胀变形明显对自收缩进行补偿，自收缩的降低及热变形的增大进而使浆体提前进入短暂膨胀阶段，并且增大了此阶段的膨胀值，即表现为短暂膨胀阶段的特征变化，现有研究28-30也证实，内养护材料的掺加会引入内养护水
26、，使得浆 体 内 部 的 热 膨 胀 系 数 增 大，产 生 膨 胀 补 偿 自收缩。2.3低活性矿渣对砂浆电阻率的影响图 6为不同低活性矿渣掺量下砂浆的电阻率发展规律。从图 6（a）可以看出，砂浆电阻率发展存在 3个明显特征：1）在凝结硬化前，曲线先下降到最低点M，随着时间的延长，曲线迅速上升后进入缓慢上升阶段。2）对比水化龄期为 24 h时的各组电阻率发展曲线，其中低活性矿渣组的电阻率曲线始终位于空白组的上方，且电阻率随其掺量的增加而变大。分析其原因为，低活性矿渣以饱和面干状态掺入，粗糙表面会吸收一部分的拌和水，从而导致参与溶解的自由水减少，使水泥颗粒的溶解速度变缓，液相离子浓度减小，并使
27、得液相体积变小，因此导电相较弱，电阻率较大。3）随着龄期的延长，掺低活性矿渣组的电阻率曲线明显位于空白组的下方，且电阻率随其掺量的增加而减小。主要原因是，随着龄期的延长和水化反应的进行，孔隙中的水分被消耗，由于湿度梯度的作用，处于吸水膨润状态的低活性矿渣开始释放预吸收的自由水，发挥其内养护作用。浆体内部自由水增多，液相体积增大，使得导电空间变大，电阻率变小，因此低活性矿渣掺量组电阻率曲线位于基准组下方。2.4电阻率与自收缩相关性分析目前自收缩测试方法复杂多样，但电阻率的测试方法精确且统一，并且由于浆体的自收缩和电阻率发展都是由水泥水化引起，自收缩受到水泥水化的直接影响，而电阻率则是水泥水化过程
28、的直观表达31。若可以通过测试浆体的电阻率建立其与相同条件下自收缩之间的数学关系，进而探讨二者之间的关系，将能更好地表征浆体自收缩的变化规律。图 7比较了不同低活性矿渣掺量对砂浆自收缩与电阻率的相关性。由图 7 可知，不同低活性矿渣掺量的浆体电阻率与自收缩皆在 36 h 后存在很好的线性相关性，即浆体的电阻率越大，则自收缩也越大，自收缩与电阻率发展呈线性相关，归纳得出拟合关系式，如式（1）所示。其中，在 36168 h 龄期内，样品线性拟合方程的kas值、bas值和相关系数 R2如表 5所示。as=kas+bas（1）综上所述，电阻率与自收缩呈良好的线性关系。主要原因在于，样品内部的孔隙被离子
29、浓度随时间变化的水溶液所充满，这些孔相数目的改变通过电阻率的变化反映出来，则电阻率表征浆体内部孔结构及孔隙率的变化，同时孔相数目和毛细孔变化又是造成自收缩的决定性原因，故自收缩随电阻率的变化而变化，其为水泥水化的宏观表现，电阻率为水化的直观表达。图 736 h后样品自收缩与电阻率的关系Fig.7Relationship between autogenous shrinkage and resistivity of samples after 36 h表 536168 h内样品拟合方程的系数Table 5Coefficients of fitting equation of samplesin
30、36-168 h图 6不同低活性矿渣掺量砂浆电阻率发展曲线Fig.6Resistivity development curve of mortar with different low activity slag content176第 6 期杜玉会，等：低活性矿渣内养护水泥砂浆自收缩与电阻率的关系行，自收缩就会持续产生。在浆体内部湿度梯度的作用下，预湿低活性矿渣释放水分，延缓浆体内部自干燥的产生。2）预湿低活性矿渣的掺加增大了浆体的总水胶比，B1、B2、B3 的内养护水量分别为20.75、33.75、49.95 g/cm3。除凝胶颗粒外，水泥石中还含有大量的水，水分在混凝土组成材料中的膨胀能
31、力最大，热膨胀系数约为 21010-6-1，比水泥石的热膨胀系数高 1 个数量级27，所以低活性矿渣引入的内养护水大大提高了混凝土的热膨胀系数。浆体产生的热膨胀变形明显对自收缩进行补偿，自收缩的降低及热变形的增大进而使浆体提前进入短暂膨胀阶段，并且增大了此阶段的膨胀值，即表现为短暂膨胀阶段的特征变化，现有研究28-30也证实，内养护材料的掺加会引入内养护水，使得浆 体 内 部 的 热 膨 胀 系 数 增 大，产 生 膨 胀 补 偿 自收缩。2.3低活性矿渣对砂浆电阻率的影响图 6为不同低活性矿渣掺量下砂浆的电阻率发展规律。从图 6（a）可以看出，砂浆电阻率发展存在 3个明显特征：1）在凝结硬化
32、前，曲线先下降到最低点M，随着时间的延长，曲线迅速上升后进入缓慢上升阶段。2）对比水化龄期为 24 h时的各组电阻率发展曲线，其中低活性矿渣组的电阻率曲线始终位于空白组的上方，且电阻率随其掺量的增加而变大。分析其原因为，低活性矿渣以饱和面干状态掺入，粗糙表面会吸收一部分的拌和水，从而导致参与溶解的自由水减少，使水泥颗粒的溶解速度变缓，液相离子浓度减小，并使得液相体积变小，因此导电相较弱，电阻率较大。3）随着龄期的延长，掺低活性矿渣组的电阻率曲线明显位于空白组的下方，且电阻率随其掺量的增加而减小。主要原因是，随着龄期的延长和水化反应的进行，孔隙中的水分被消耗，由于湿度梯度的作用，处于吸水膨润状态
33、的低活性矿渣开始释放预吸收的自由水，发挥其内养护作用。浆体内部自由水增多，液相体积增大，使得导电空间变大，电阻率变小，因此低活性矿渣掺量组电阻率曲线位于基准组下方。2.4电阻率与自收缩相关性分析目前自收缩测试方法复杂多样，但电阻率的测试方法精确且统一，并且由于浆体的自收缩和电阻率发展都是由水泥水化引起，自收缩受到水泥水化的直接影响，而电阻率则是水泥水化过程的直观表达31。若可以通过测试浆体的电阻率建立其与相同条件下自收缩之间的数学关系，进而探讨二者之间的关系，将能更好地表征浆体自收缩的变化规律。图 7比较了不同低活性矿渣掺量对砂浆自收缩与电阻率的相关性。由图 7 可知，不同低活性矿渣掺量的浆体
34、电阻率与自收缩皆在 36 h 后存在很好的线性相关性，即浆体的电阻率越大，则自收缩也越大，自收缩与电阻率发展呈线性相关，归纳得出拟合关系式，如式（1）所示。其中，在 36168 h 龄期内，样品线性拟合方程的kas值、bas值和相关系数 R2如表 5所示。as=kas+bas（1）综上所述，电阻率与自收缩呈良好的线性关系。主要原因在于，样品内部的孔隙被离子浓度随时间变化的水溶液所充满，这些孔相数目的改变通过电阻率的变化反映出来，则电阻率表征浆体内部孔结构及孔隙率的变化，同时孔相数目和毛细孔变化又是造成自收缩的决定性原因，故自收缩随电阻率的变化而变化，其为水泥水化的宏观表现，电阻率为水化的直观表
35、达。图 736 h后样品自收缩与电阻率的关系Fig.7Relationship between autogenous shrinkage and resistivity of samples after 36 h表 536168 h内样品拟合方程的系数Table 5Coefficients of fitting equation of samplesin 36-168 h组号B0B1B2B3kas9.965 517.394 112.047 56.600 3bas-49.496 7-230.990 8-183.327 5-153.120 2R20.986 40.963 50.974 50.931
36、 7图 6不同低活性矿渣掺量砂浆电阻率发展曲线Fig.6Resistivity development curve of mortar with different low activity slag content177第 45 卷土 木 与 环 境 工 程 学 报（中 英 文）3结论1）低活性矿渣掺量增加时，砂浆早期强度下降，但随着龄期的延长，砂浆中后期强度降低幅度小于早期，建议低活性矿渣的合适掺量取细集料质量的 15%25%。2）低活性矿渣内养护对砂浆电阻率的发展影响明显，凝结硬化前，浆体电阻率随低活性矿渣掺量的增大而增大；凝结硬化后，浆体电阻率随低活性矿渣掺量的增大而减小，其中，砂浆水
37、化进程的溶解结晶期延后，诱导凝结期、硬化加速期和硬化减速期均有所提前。3）低活性矿渣内养护能有效抑制浆体各阶段的自收缩，尤其在快速收缩阶段和短暂膨胀阶段作用最为明显。4）在龄期 36 h 后，低活性矿渣内养护砂浆的电阻率与自收缩有很好的线性相关性，可通过电阻率发展趋势预测自收缩的变化情况。参考文献 1 DING H Y,ZHANG L,ZHANG P Y.Factors influencing strength of super absorbent polymer(SAP)concrete J.Transactions of Tianjin University,2017,23(3):245-
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