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矿物掺和料水泥浆体电学特性与其微结构关系
矿物掺和料水泥浆体电学特性与其微结构关系
摘要:采用循环伏安法和交流阻抗法系统研究了粉煤灰、矿渣粉和石灰石粉水泥浆体的电学特性,通过等效电路对电学测试结果进行拟合,并将拟合所得浆体电学参数与浆体化学结合水和压汞所测孔结构之间的相关性进行比较。结果表明:浆体的化学结合水与其电阻率具有较好的正相关性,即化学结合水越多,水化程度越大,浆体电阻率越高;粉煤灰和矿渣粉可以提高浆体电阻率,而石灰石粉在5%掺量下对浆体电阻率无影响;随着水化龄期的延长,浆体孔溶液电阻增大,其变化规律与浆体电阻率一致;浆体凝胶电容和凝胶电阻与C-S-H凝胶含量有关,二者有很好的负相关性;随着水化龄期的延长,浆体孔结构曲折程度提高,交流阻抗法所测得常相角指数减小,压汞测得的分形维数增大。
关键词:矿物掺和料;浆体;循环伏安;交流阻抗;电学特性;微结构
中图分类号:TU528
文献标志码:A
文章编号:1674-4764(2013)04-0121-07
水泥基材料可以作为一个电化学体系。在外加电压作用下,水泥基材料内电解质溶液中的离子发生电解迁移,使水泥基材料具有不同的电学特性,主要表现为电阻率、孔溶液电阻、凝胶电阻、凝胶电容、常相角指数和扩散阻抗系数的不同,电学特性在一定程度上可以反映水泥基材料的微结构。鉴于水泥基材料电学特性与其结构性能之间关系,混凝土电学特性已成为一种快速无损检测、在线监测和有效评价水泥基材料微结构形成与发展的新技术[1-4]。目前研究主要集中在粉煤灰、矿渣粉等活性矿物掺和料对水泥基材料电学特性影响等方面[5],很少有对比研究不同电学测试方法所测浆体的电学性能以及浆体电学参数与其微结构之间的关系。粉煤灰和矿渣粉等活性掺和料具有火山灰效应[6],可以促使水泥基材料二次水化,改善孔结构,增加密实程度,提高水泥基材料的电阻率[7-9]。而随着自密实混凝土的推广和应用,石灰石粉等惰性掺和料在混凝土中也得到了大量的使用[10-11],但关于石灰石粉水泥浆体电学参数的研究较少。采用循环伏安法和交流阻抗法对比研究了粉煤灰、矿渣粉和石灰石粉水泥浆体的电学特性,???过等效电路对交流阻抗法测试电学结果进行拟合,根据浆体电学参数分析了浆体的水化和微结构特征,并与化学结合水和压汞法所测孔结构进行比较,旨在为通过电学特性研究矿物掺和料对水泥基材料微观结构的影响提供依据。
李化建:矿物掺和料-水泥浆体电学特性与其微结构的关系
1试验
1.1试验原材料
水泥为北京琉璃河水泥厂的金隅牌P·O 42.5级硅酸盐水泥,比表面积344 m2/kg;粉煤灰为秦皇岛电厂生产的Ⅰ级灰,细度为13%(45 μm筛筛余);矿渣粉为嘉华S95矿渣粉,比表面积为492 m2/kg;石灰石粉产自江苏,比表面积为411 m2/kg。外加剂采用天津雍阳聚羧酸减水剂,减水率为28%。水泥、石灰石粉、粉煤灰和矿渣粉的化学组成如表1所示。
4)孔结构
采用AutoPore IV 9500压汞仪测量浆体的孔结构。试件尺寸为10 mm×10 mm×60 mm,把试件养护到规定的龄期将其破坏,取试件中间部分的水泥石块立即放入无水乙醇中停止水化。将停止水化后的水泥石块置于真空干燥箱(65℃)中烘至恒重,然后使用压汞仪测量其孔结构。
2试验结果与分析
2.1矿物掺和料水泥浆体电阻率
水泥基材料浆体电阻率如图2所示。从图2可知:1)在5%的掺量下,石灰石粉对浆体电阻率基本无影响,掺量为20%时,石灰石粉对浆体前期电阻无影响,但会降低后期电阻率,56 d时石粉浆体电阻率为基准的72.6%。石灰石粉属于低活性物质,具有稀释作用[13],取代水泥后浆体实际水灰比增加,掺量过多会降低浆体中总的水化产物的量,后期的水化产物不足以填充大量的孔隙,使浆体的孔隙率增加,进而降低了浆体的电阻率。2)掺量为20%的矿渣粉和粉煤灰可以提高浆体的电阻率,水化28 d时,提高幅度分别为53.8%、17.5%,56 d提高幅度更为明显,达到63.9%、33.3%,矿渣粉对浆体电阻率的提高作用要优于粉煤灰。其原因为矿渣粉、粉煤灰不仅具有一定的细度,可以产生良好的填充效应[14],还具有火山灰活性,可以二次水化,生成的二次水化产物填充在浆体内,进一步提高浆体的电阻率。
水泥基材料浆体化学结合水和电阻率之间的相关性如图3所示。由图3可知,浆体电阻率与其化学结合水之间有很好的正相关性(相关系数为0761),即浆体的水化程度越高,浆体越密实,其阻碍离子迁移的能力越强,浆体的电阻率越高。
2.2矿物掺和料水泥浆体孔溶液电阻
水泥基材料浆体孔溶液电阻Rs如图4所示。水泥浆体孔溶液中电解质的电阻Rs与孔溶液中离子的总浓度和浆体的总孔隙率成反比[5]。
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