毛細吸水作用對水泥砂漿電阻率的影響研究

曾曉輝, 凌晨博, 潘 璋, 王 平, 李鯤鵬, 羅信偉, 崖尚松

(1.西南交通大學 土木工程學院， 四川 成都 610031； 2.西南交通大學 電氣工程學院， 四川 成都 610031； 3.廣州地鐵設計研究院有限公司， 廣東 廣州 510010)

硬化后的水泥基材料是氣-固-液的三相復雜體系，其電阻率一般在1×102～1×105Ω·m范圍內(nèi)，介于絕緣體和半導體之間.在完全干燥條件下，水泥基材料完全不導電，往往將其歸為絕緣材料；當水泥基材料遇水或處于潮濕環(huán)境中時，從水泥顆粒中溶出的水溶性導電化合物可增加電流的傳導性，使水泥基材料的導電性增強，電阻率處于半導體范圍內(nèi).

水泥基材料電阻率的變化會給一些實際工程帶來危害，比如地鐵運行產(chǎn)生的雜散電流[1].地鐵雜散電流是由于地鐵牽引供電回路中走行軌與道床結(jié)構(gòu)之間的非絕緣性，走行軌上的部分電流通過道床流入地下并流回變電所產(chǎn)生的電流，它會導致金屬構(gòu)件銹蝕、管線穿孔等破壞.尤其在地鐵潮濕環(huán)境中，道床板通過毛細吸水使其電阻率降低，加大了雜散電流的危害；同時，高鐵中諧振式無絕緣制式軌道電路采用鋼軌傳輸高頻交變信號，與道床鋼筋、混凝土互感，在雨天，混凝土遇水之后的電阻率下降會導致軌道信號傳輸渦損、信號傳輸距離縮短，從而達不到傳輸距離的要求.種種危害都會給實際工程帶來巨大的損失.因此，水泥基材料在遇水之后或潮濕狀態(tài)下的電阻率變化情況逐漸受到廣大學者的關(guān)注.

對于水泥基材料而言，毛細作用是水滲透的主要方式之一，是造成水泥基材料電阻率變化的一個重要因素[2].水泥基材料的毛細吸水作用與其微觀孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[3-5]，水灰比的改變、聚合物乳液和引氣劑的摻入則會以不同方式改變水泥基材料的孔隙結(jié)構(gòu)[6-8].微觀孔隙結(jié)構(gòu)的變化會直接影響水泥基材料的毛細吸水作用，進而影響其電阻率.另外，影響水泥基材料電阻率的因素還有很多，Ehtesham等[9]通過摻粉煤灰來研究混凝土電阻率的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)以30%粉煤灰等質(zhì)量取代水泥的混凝土電阻率可提高2.2倍；劉志勇等[10]通過研究發(fā)現(xiàn)，隨水灰比增加，水泥基材料的電阻率逐漸下降.目前，國內(nèi)外學者對于水泥基材料電阻率的研究主要集中于導電原理[11-12]、摻和料影響等方面，但毛細吸水作用作為重要影響因素之一卻鮮有研究.

因此，本文采用四電極法分析了不同水灰比、不同聚合物乳液和引氣劑摻量下，毛細吸水作用對水泥砂漿電阻率的影響.所得成果可填補此方面研究的空白，并為實際工程中雜散電流的防治以及提高混凝土絕緣性提供參考.

1 試驗

1.1 原材料

都江堰拉法基水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；廈門艾思歐標準砂有限公司生產(chǎn)的中國ISO標準砂；四川昊龍高科軌道交通新材料科技股份有限公司生產(chǎn)的苯丙乳液和混凝土引氣劑；自來水.

1.2 配合比設計

此次試驗采用單一變量，共制作了7組砂漿試件，其中引氣劑摻量為引氣劑質(zhì)量占水泥質(zhì)量的百分數(shù)，聚合物乳液摻量為聚合物乳液中聚合物的固含量占水泥質(zhì)量的百分數(shù).具體試驗配合比見表1.

表1 砂漿試件配合比

1.3 試件制作

本次試驗采用四電極法測量水泥砂漿的電阻率，砂漿試件尺寸為160mm×40mm×40mm，電極采用孔徑5mm的不銹鋼網(wǎng)片，尺寸為40mm×50mm.在砂漿澆筑過程中將4個電極垂直插入，電極間距為40mm，兩端電極距離端部各 20mm，電極上部外露10mm便于測量.成型之后的試件如圖1所示.

圖1 四電極法示意圖Fig.1 Schematic of four-electrode method

1.4 試驗方法

試驗裝置包括電阻率測試裝置(見圖1)和毛細吸水裝置(見圖2)[13-14].電阻率測量時采用24 V安全電壓.具體試驗步驟如下：

圖2 毛細吸水裝置示意圖Fig.2 Schematic of capillary water absorption device

(1)將砂漿試件養(yǎng)護至標準齡期后在60℃下烘干至恒重.

(2)用環(huán)氧樹脂將干燥完畢的砂漿試件吸水面四周密封至5mm高度.

(3)測量干燥狀態(tài)下砂漿試件的質(zhì)量(精確至0.01 g)、電流和電壓.

(4)將砂漿試件放至恒溫水槽中(水溫為(20±1) ℃)，浸水深度為2～5mm，并使試件與墊塊保持點接觸.

(5)每隔一段時間，用濾紙吸去試件表面的水分并稱重(此過程應在30s內(nèi)完成)，然后測量該時刻下試件的電流與電壓.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 毛細吸水作用下水灰比對砂漿電阻率的影響

圖3，4分別為不同水灰比砂漿試件A,B,C(mW/mC分別為0.4,0.5,0.6)的電阻率、吸水量隨吸水時間的變化曲線和電阻率隨吸水量的變化曲線.從圖3可以看出：不同水灰比砂漿試件的吸水量隨吸水時間的增加均呈現(xiàn)出二次拋物線的增長趨勢，這與大多數(shù)學者的研究成果相吻合[3,14]；砂漿試件的電阻率隨吸水時間的增加而降低，并最終趨于穩(wěn)定.從圖4可以看出，不同水灰比砂漿試件的電阻率隨吸水量的增加也均呈現(xiàn)出總體下降的趨勢，但這個過程表現(xiàn)為3個階段.

圖3 不同水灰比試件的電阻率、吸水量 隨吸水時間的變化Fig.3 Variation of specimen resistivity and water absorption with time under different water-cement ratios

圖4 不同水灰比試件的電阻率隨吸水量的變化Fig.4 Variation of specimen resistivity with water absorption under different water-cement ratios

階段Ⅰ：電阻率緩慢降低.此過程發(fā)生在毛細吸水作用早期，砂漿吸水量較少，電阻率無明顯變化，此階段持續(xù)時間較短.這是由于在毛細吸水作用的初始階段，水分開始通過毛細吸水作用進入砂漿內(nèi)部并均勻分散在基體材料中，彼此相互隔離而不搭接，對導電貢獻較小，因而電阻率降低速度緩慢.

階段Ⅱ：電阻率迅速下降.隨著毛細吸水作用的繼續(xù)進行，砂漿吸水量不斷增加，電阻率出現(xiàn)大幅下降，但下降速率由快逐漸變慢.這是因為隨毛細吸水作用的繼續(xù)進行，吸水量不斷增多，進入砂漿內(nèi)部的水分開始出現(xiàn)搭接并形成局部的導電網(wǎng)絡，當材料內(nèi)部的水分含量增大到滲濾閾值時局部導電網(wǎng)絡相互接觸，從而在基體內(nèi)部形成相互連通的導電通道，使砂漿的導電性能大幅提高，電阻率大幅降低.

階段Ⅲ：電阻率保持穩(wěn)定.當毛細吸水量達到一定數(shù)值以后，雖然毛細吸水作用仍然存在，但電阻率已不再發(fā)生明顯變化，最終趨于穩(wěn)定.這是因為當毛細吸水作用進行到一定程度以后，雖然毛細吸水作用繼續(xù)進行，但毛細水主要向未飽和區(qū)域擴散，難以形成導電網(wǎng)絡(見圖5)，故對電阻率影響不大，此時電阻率趨于穩(wěn)定.

圖5 毛細水分布圖Fig.5 Capillary water distribution map

由圖4還可知，在吸水量從0增至12.8g的過程中，試件C的電阻率由 589.66Ω·m 減小到100.52Ω·m，下降了83.00%；試件B，A的電阻率則分別下降了80.35%，72.50%.可見，電阻率的下降幅度隨著試件水灰比的減小而減小.主要原因是水灰比增大以后，砂漿的微觀孔結(jié)構(gòu)發(fā)生了根本變化，孔隙增多、孔徑變大，砂漿的總孔隙率變大，容水能力增強，使得砂漿的電阻率下降幅度增大.同時從圖3，4還能看出：吸水量最多的試件C在各階段電阻率都較大，這主要是因為增大水灰比使得試件中大孔增加、毛細孔減少，毛細作用力相應減小，雖然其吸水量最多，但毛細水上升的高度卻會相應降低，所能形成的導電通道減少，這就導致了雖然試件C吸水量最多，但仍能保持相對較大的電阻率.但在階段 Ⅲ 以后，3種水灰比砂漿的電阻率并無太大差異，均穩(wěn)定在90Ω·m左右.

2.2 毛細吸水作用下聚合物乳液對砂漿電阻率的影響

圖6為不同聚合物乳液摻量下砂漿試件B,D,E(聚合物乳液摻量分別為0%，4%，6%)的電阻率、吸水量隨吸水時間的變化圖.由圖6可見：相比于空白試件B，摻入少量聚合物乳液的試件D吸水量反而更多，當聚合物乳液摻量繼續(xù)增加時，試件E的吸水量又隨之下降.此時，聚合物的填充效應[15]是造成上述現(xiàn)象的主要原因.在水泥漿體硬化過程中，聚合物顆粒或聚合物薄膜會填充毛細孔和大孔.當聚合物乳液摻量較少時，聚合物顆粒主要用于填充大孔，從而導致砂漿中大孔的數(shù)量減少，小孔在總孔隙中占有的比例增加，這在一定程度上會促進毛細吸水作用的進行，導致砂漿吸水量增加；當聚合物乳液摻量較多時，大量的聚合物乳液又能使水泥基體變得致密，孔隙減少，水泥形成不連續(xù)的空間結(jié)構(gòu)，并形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚合物膜，這又會削弱毛細吸水作用的進行，導致試件E的吸水量較試件B，D要少.

圖6 不同聚合物乳液摻量下試件電阻率、吸水量 隨吸水時間的變化Fig.6 Variation of specimen resistivity and water absorption with time under different polymer emulsion contents

同時，從圖7(不同聚合物乳液摻量下砂漿電阻率隨吸水量的變化)還可以看出，在毛細吸水作用下，電阻率變化的上述3個階段仍然存在，而試件B，D的電阻率變化曲線近乎重合，無顯著差異.這一方面是因為試件D的吸水量最多，理論上會使其電阻率降低；另一方面是由于聚合物乳液本身的絕緣性又會使得砂漿電阻率有一定提高，這兩方面的因素最終導致了上述現(xiàn)象的產(chǎn)生.

圖7 不同聚合物乳液摻量下試件電阻率隨吸水量的變化Fig.7 Variation of specimen resistivity with water absorption under different polymer emulsion contents

聚合物乳液摻量最多的試件E的電阻率在各個階段均明顯高于試件B，D的電阻率：在階段Ⅰ，試件E的電阻率在1600Ω·m左右，約為試件B的3.7倍；到階段Ⅲ電阻率大致穩(wěn)定時，試件E的電阻率下降77.62%之后仍有369.90Ω·m，遠遠大于試件B的88.92Ω·m和試件D的89.10Ω·m.試件E的電阻率大幅上升是因為：一方面聚合物乳液的加入使得砂漿更加密實，孔隙減少，而孔結(jié)構(gòu)越致密，電阻率越大；另一方面，基體內(nèi)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚合物膜(見圖8)本身具有絕緣性，從而使得其電阻率大幅增加，這2個原因使得試件E即使在經(jīng)毛細吸水后也能保持較大的電阻率.

圖8 聚合物乳液對砂漿的固結(jié)模型Fig.8 Consolidation model of polymer emulsion to mortar

2.3 毛細吸水作用下引氣劑對砂漿電阻率的影響

圖9為不同引氣劑摻量下試件B，F(xiàn)，G(引氣劑摻量分別為0%，0.06%，0.15%)的電阻率、吸水量隨吸水時間的變化.由圖9可見，在吸水量方面表現(xiàn)出試件G>試件F>試件B的趨勢，由此可得出結(jié)論：砂漿的吸水量隨引氣劑摻量的增加而增加.這主要與引氣劑可改變砂漿內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān).引氣劑是一種低表面張力的表面活性劑，可使砂漿在攪拌過程中引入適量均勻分布且獨立封閉的微小氣泡，而大量封閉氣泡的存在為基體的生長提供了空間，也使得氣泡周圍的凝膠孔更加疏松，在一定程度上促進了毛細吸水作用的進行.引氣劑摻量越多，這種促進作用越明顯，吸水量則隨之增加，進而使砂漿導電性增強，電阻率降低.

圖9 不同引氣劑摻量下試件電阻率、吸水量 隨吸水時間的變化Fig.9 Variation of specimen resistivity and water absorption with time under different air entraining agent contents

同時，從圖10(不同引氣劑摻量下試件電阻率隨吸水量的變化)得知：試件B，F(xiàn)，G電阻率變化的最大區(qū)別出現(xiàn)在階段Ⅱ.砂漿G的電阻率在開始階段變化不大，約為2 500Ω·m，在毛細吸水量達到0.7g以后，其電阻率便急劇下降，毛細吸水量從0.7g到4.0g這一階段是其電阻率下降最快的階段，下降幅度約為80.26%.這是因為隨著引氣劑的摻入，大量封閉氣泡被引入到有限的空間內(nèi)，從而形成類似于圖11，12的連通毛細孔隙.試件G由于引氣劑摻量最多，有更多孔隙存在，使得毛細水進入砂漿后能夠迅速連通，導致其電阻率下降速度最快，到最后電阻率趨于穩(wěn)定時，電阻率總共下降了95.62%，而試件B，F(xiàn)的這個數(shù)值分別為80.35%和87.60%.由此可見，毛細吸水作用下水泥砂漿電阻率下降幅度隨著引氣劑摻量的增加而增大.

圖10 不同引氣劑摻量下試件電阻率隨吸水量的變化Fig.10 Variation of resistivity with water absorption under different air entraining agent content

圖11 引氣劑摻量較少時試件的孔隙結(jié)構(gòu)圖Fig.11 Pore structure diagram of specimen with less air entraining agent

圖12 引氣劑摻量較多時試件的孔隙結(jié)構(gòu)圖Fig.12 Pore structure diagram of specimen with more air entraining agent

在階段Ⅲ，試件B，F(xiàn)，G的電阻率均穩(wěn)定在 100Ω·m 左右，其原因與不同水灰比時類似.引氣劑摻量較多時，雖然引入了更多的封閉氣泡，導致砂漿橫向斷面上導電通道減少，但是毛細水在砂漿內(nèi)部所能達到的高度會比引氣劑摻量較少時有所提升，這就最終導致了當電阻率穩(wěn)定時，不同引氣劑摻量的砂漿卻有著相近電阻率的結(jié)果.

3 結(jié)論

(1)毛細吸水作用會使水泥砂漿電阻率大幅降低，根據(jù)電阻率變化曲線，整個變化過程大致為：電阻率先緩慢降低，隨后迅速下降，最后保持穩(wěn)定.

(2)水灰比增大和引氣劑摻量的增加，會促進水泥砂漿毛細作用的進行，使得砂漿的毛細吸水量增加，砂漿內(nèi)部形成更多的導電通道，導致其電阻率下降幅度更大.其中，水灰比從0.4增至0.6時，砂漿電阻率下降幅度由72.50%增長至83.00%；引氣劑摻量從0%增至0.15%時，砂漿電阻率分別降低了80.35%和95.62%.

(3)毛細吸水作用下，聚合物乳液摻量對水泥砂漿電阻率有較大影響：在其摻量較少時，由于聚合物顆粒的填充作用使得砂漿的吸水量增多，電阻率變化曲線與未摻乳液時大致重合；當其摻量較多時，聚合物乳液可大大提高水泥基材料的電阻率，且形成的聚合物膜本身的絕緣性也能使水泥砂漿經(jīng)毛細吸水之后仍保持較高的電阻率.