毛细吸水作用对水泥砂浆电阻率的影响研究

曾晓辉, 凌晨博, 潘 璋, 王 平, 李鲲鹏, 罗信伟, 崖尚松

(1.西南交通大学 土木工程学院， 四川 成都 610031； 2.西南交通大学 电气工程学院， 四川 成都 610031； 3.广州地铁设计研究院有限公司， 广东 广州 510010)

硬化后的水泥基材料是气-固-液的三相复杂体系，其电阻率一般在1×102～1×105Ω·m范围内，介于绝缘体和半导体之间.在完全干燥条件下，水泥基材料完全不导电，往往将其归为绝缘材料；当水泥基材料遇水或处于潮湿环境中时，从水泥颗粒中溶出的水溶性导电化合物可增加电流的传导性，使水泥基材料的导电性增强，电阻率处于半导体范围内.

水泥基材料电阻率的变化会给一些实际工程带来危害，比如地铁运行产生的杂散电流[1].地铁杂散电流是由于地铁牵引供电回路中走行轨与道床结构之间的非绝缘性，走行轨上的部分电流通过道床流入地下并流回变电所产生的电流，它会导致金属构件锈蚀、管线穿孔等破坏.尤其在地铁潮湿环境中，道床板通过毛细吸水使其电阻率降低，加大了杂散电流的危害；同时，高铁中谐振式无绝缘制式轨道电路采用钢轨传输高频交变信号，与道床钢筋、混凝土互感，在雨天，混凝土遇水之后的电阻率下降会导致轨道信号传输涡损、信号传输距离缩短，从而达不到传输距离的要求.种种危害都会给实际工程带来巨大的损失.因此，水泥基材料在遇水之后或潮湿状态下的电阻率变化情况逐渐受到广大学者的关注.

对于水泥基材料而言，毛细作用是水渗透的主要方式之一，是造成水泥基材料电阻率变化的一个重要因素[2].水泥基材料的毛细吸水作用与其微观孔隙结构密切相关[3-5]，水灰比的改变、聚合物乳液和引气剂的掺入则会以不同方式改变水泥基材料的孔隙结构[6-8].微观孔隙结构的变化会直接影响水泥基材料的毛细吸水作用，进而影响其电阻率.另外，影响水泥基材料电阻率的因素还有很多，Ehtesham等[9]通过掺粉煤灰来研究混凝土电阻率的变化，结果发现以30%粉煤灰等质量取代水泥的混凝土电阻率可提高2.2倍；刘志勇等[10]通过研究发现，随水灰比增加，水泥基材料的电阻率逐渐下降.目前，国内外学者对于水泥基材料电阻率的研究主要集中于导电原理[11-12]、掺和料影响等方面，但毛细吸水作用作为重要影响因素之一却鲜有研究.

因此，本文采用四电极法分析了不同水灰比、不同聚合物乳液和引气剂掺量下，毛细吸水作用对水泥砂浆电阻率的影响.所得成果可填补此方面研究的空白，并为实际工程中杂散电流的防治以及提高混凝土绝缘性提供参考.

1 试验

1.1 原材料

都江堰拉法基水泥有限公司生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥；厦门艾思欧标准砂有限公司生产的中国ISO标准砂；四川昊龙高科轨道交通新材料科技股份有限公司生产的苯丙乳液和混凝土引气剂；自来水.

1.2 配合比设计

此次试验采用单一变量，共制作了7组砂浆试件，其中引气剂掺量为引气剂质量占水泥质量的百分数，聚合物乳液掺量为聚合物乳液中聚合物的固含量占水泥质量的百分数.具体试验配合比见表1.

表1 砂浆试件配合比

1.3 试件制作

本次试验采用四电极法测量水泥砂浆的电阻率，砂浆试件尺寸为160mm×40mm×40mm，电极采用孔径5mm的不锈钢网片，尺寸为40mm×50mm.在砂浆浇筑过程中将4个电极垂直插入，电极间距为40mm，两端电极距离端部各 20mm，电极上部外露10mm便于测量.成型之后的试件如图1所示.

图1 四电极法示意图Fig.1 Schematic of four-electrode method

1.4 试验方法

试验装置包括电阻率测试装置(见图1)和毛细吸水装置(见图2)[13-14].电阻率测量时采用24 V安全电压.具体试验步骤如下：

图2 毛细吸水装置示意图Fig.2 Schematic of capillary water absorption device

(1)将砂浆试件养护至标准龄期后在60℃下烘干至恒重.

(2)用环氧树脂将干燥完毕的砂浆试件吸水面四周密封至5mm高度.

(3)测量干燥状态下砂浆试件的质量(精确至0.01 g)、电流和电压.

(4)将砂浆试件放至恒温水槽中(水温为(20±1) ℃)，浸水深度为2～5mm，并使试件与垫块保持点接触.

(5)每隔一段时间，用滤纸吸去试件表面的水分并称重(此过程应在30s内完成)，然后测量该时刻下试件的电流与电压.

2 试验结果与分析

2.1 毛细吸水作用下水灰比对砂浆电阻率的影响

图3，4分别为不同水灰比砂浆试件A,B,C(mW/mC分别为0.4,0.5,0.6)的电阻率、吸水量随吸水时间的变化曲线和电阻率随吸水量的变化曲线.从图3可以看出：不同水灰比砂浆试件的吸水量随吸水时间的增加均呈现出二次抛物线的增长趋势，这与大多数学者的研究成果相吻合[3,14]；砂浆试件的电阻率随吸水时间的增加而降低，并最终趋于稳定.从图4可以看出，不同水灰比砂浆试件的电阻率随吸水量的增加也均呈现出总体下降的趋势，但这个过程表现为3个阶段.

图3 不同水灰比试件的电阻率、吸水量 随吸水时间的变化Fig.3 Variation of specimen resistivity and water absorption with time under different water-cement ratios

图4 不同水灰比试件的电阻率随吸水量的变化Fig.4 Variation of specimen resistivity with water absorption under different water-cement ratios

阶段Ⅰ：电阻率缓慢降低.此过程发生在毛细吸水作用早期，砂浆吸水量较少，电阻率无明显变化，此阶段持续时间较短.这是由于在毛细吸水作用的初始阶段，水分开始通过毛细吸水作用进入砂浆内部并均匀分散在基体材料中，彼此相互隔离而不搭接，对导电贡献较小，因而电阻率降低速度缓慢.

阶段Ⅱ：电阻率迅速下降.随着毛细吸水作用的继续进行，砂浆吸水量不断增加，电阻率出现大幅下降，但下降速率由快逐渐变慢.这是因为随毛细吸水作用的继续进行，吸水量不断增多，进入砂浆内部的水分开始出现搭接并形成局部的导电网络，当材料内部的水分含量增大到渗滤阈值时局部导电网络相互接触，从而在基体内部形成相互连通的导电通道，使砂浆的导电性能大幅提高，电阻率大幅降低.

阶段Ⅲ：电阻率保持稳定.当毛细吸水量达到一定数值以后，虽然毛细吸水作用仍然存在，但电阻率已不再发生明显变化，最终趋于稳定.这是因为当毛细吸水作用进行到一定程度以后，虽然毛细吸水作用继续进行，但毛细水主要向未饱和区域扩散，难以形成导电网络(见图5)，故对电阻率影响不大，此时电阻率趋于稳定.

图5 毛细水分布图Fig.5 Capillary water distribution map

由图4还可知，在吸水量从0增至12.8g的过程中，试件C的电阻率由 589.66Ω·m 减小到100.52Ω·m，下降了83.00%；试件B，A的电阻率则分别下降了80.35%，72.50%.可见，电阻率的下降幅度随着试件水灰比的减小而减小.主要原因是水灰比增大以后，砂浆的微观孔结构发生了根本变化，孔隙增多、孔径变大，砂浆的总孔隙率变大，容水能力增强，使得砂浆的电阻率下降幅度增大.同时从图3，4还能看出：吸水量最多的试件C在各阶段电阻率都较大，这主要是因为增大水灰比使得试件中大孔增加、毛细孔减少，毛细作用力相应减小，虽然其吸水量最多，但毛细水上升的高度却会相应降低，所能形成的导电通道减少，这就导致了虽然试件C吸水量最多，但仍能保持相对较大的电阻率.但在阶段 Ⅲ 以后，3种水灰比砂浆的电阻率并无太大差异，均稳定在90Ω·m左右.

2.2 毛细吸水作用下聚合物乳液对砂浆电阻率的影响

图6为不同聚合物乳液掺量下砂浆试件B,D,E(聚合物乳液掺量分别为0%，4%，6%)的电阻率、吸水量随吸水时间的变化图.由图6可见：相比于空白试件B，掺入少量聚合物乳液的试件D吸水量反而更多，当聚合物乳液掺量继续增加时，试件E的吸水量又随之下降.此时，聚合物的填充效应[15]是造成上述现象的主要原因.在水泥浆体硬化过程中，聚合物颗粒或聚合物薄膜会填充毛细孔和大孔.当聚合物乳液掺量较少时，聚合物颗粒主要用于填充大孔，从而导致砂浆中大孔的数量减少，小孔在总孔隙中占有的比例增加，这在一定程度上会促进毛细吸水作用的进行，导致砂浆吸水量增加；当聚合物乳液掺量较多时，大量的聚合物乳液又能使水泥基体变得致密，孔隙减少，水泥形成不连续的空间结构，并形成网状结构的聚合物膜，这又会削弱毛细吸水作用的进行，导致试件E的吸水量较试件B，D要少.

图6 不同聚合物乳液掺量下试件电阻率、吸水量 随吸水时间的变化Fig.6 Variation of specimen resistivity and water absorption with time under different polymer emulsion contents

同时，从图7(不同聚合物乳液掺量下砂浆电阻率随吸水量的变化)还可以看出，在毛细吸水作用下，电阻率变化的上述3个阶段仍然存在，而试件B，D的电阻率变化曲线近乎重合，无显著差异.这一方面是因为试件D的吸水量最多，理论上会使其电阻率降低；另一方面是由于聚合物乳液本身的绝缘性又会使得砂浆电阻率有一定提高，这两方面的因素最终导致了上述现象的产生.

图7 不同聚合物乳液掺量下试件电阻率随吸水量的变化Fig.7 Variation of specimen resistivity with water absorption under different polymer emulsion contents

聚合物乳液掺量最多的试件E的电阻率在各个阶段均明显高于试件B，D的电阻率：在阶段Ⅰ，试件E的电阻率在1600Ω·m左右，约为试件B的3.7倍；到阶段Ⅲ电阻率大致稳定时，试件E的电阻率下降77.62%之后仍有369.90Ω·m，远远大于试件B的88.92Ω·m和试件D的89.10Ω·m.试件E的电阻率大幅上升是因为：一方面聚合物乳液的加入使得砂浆更加密实，孔隙减少，而孔结构越致密，电阻率越大；另一方面，基体内网状结构的聚合物膜(见图8)本身具有绝缘性，从而使得其电阻率大幅增加，这2个原因使得试件E即使在经毛细吸水后也能保持较大的电阻率.

图8 聚合物乳液对砂浆的固结模型Fig.8 Consolidation model of polymer emulsion to mortar

2.3 毛细吸水作用下引气剂对砂浆电阻率的影响

图9为不同引气剂掺量下试件B，F，G(引气剂掺量分别为0%，0.06%，0.15%)的电阻率、吸水量随吸水时间的变化.由图9可见，在吸水量方面表现出试件G>试件F>试件B的趋势，由此可得出结论：砂浆的吸水量随引气剂掺量的增加而增加.这主要与引气剂可改变砂浆内部孔隙结构有关.引气剂是一种低表面张力的表面活性剂，可使砂浆在搅拌过程中引入适量均匀分布且独立封闭的微小气泡，而大量封闭气泡的存在为基体的生长提供了空间，也使得气泡周围的凝胶孔更加疏松，在一定程度上促进了毛细吸水作用的进行.引气剂掺量越多，这种促进作用越明显，吸水量则随之增加，进而使砂浆导电性增强，电阻率降低.

图9 不同引气剂掺量下试件电阻率、吸水量 随吸水时间的变化Fig.9 Variation of specimen resistivity and water absorption with time under different air entraining agent contents

同时，从图10(不同引气剂掺量下试件电阻率随吸水量的变化)得知：试件B，F，G电阻率变化的最大区别出现在阶段Ⅱ.砂浆G的电阻率在开始阶段变化不大，约为2 500Ω·m，在毛细吸水量达到0.7g以后，其电阻率便急剧下降，毛细吸水量从0.7g到4.0g这一阶段是其电阻率下降最快的阶段，下降幅度约为80.26%.这是因为随着引气剂的掺入，大量封闭气泡被引入到有限的空间内，从而形成类似于图11，12的连通毛细孔隙.试件G由于引气剂掺量最多，有更多孔隙存在，使得毛细水进入砂浆后能够迅速连通，导致其电阻率下降速度最快，到最后电阻率趋于稳定时，电阻率总共下降了95.62%，而试件B，F的这个数值分别为80.35%和87.60%.由此可见，毛细吸水作用下水泥砂浆电阻率下降幅度随着引气剂掺量的增加而增大.

图10 不同引气剂掺量下试件电阻率随吸水量的变化Fig.10 Variation of resistivity with water absorption under different air entraining agent content

图11 引气剂掺量较少时试件的孔隙结构图Fig.11 Pore structure diagram of specimen with less air entraining agent

图12 引气剂掺量较多时试件的孔隙结构图Fig.12 Pore structure diagram of specimen with more air entraining agent

在阶段Ⅲ，试件B，F，G的电阻率均稳定在 100Ω·m 左右，其原因与不同水灰比时类似.引气剂掺量较多时，虽然引入了更多的封闭气泡，导致砂浆横向断面上导电通道减少，但是毛细水在砂浆内部所能达到的高度会比引气剂掺量较少时有所提升，这就最终导致了当电阻率稳定时，不同引气剂掺量的砂浆却有着相近电阻率的结果.

3 结论

(1)毛细吸水作用会使水泥砂浆电阻率大幅降低，根据电阻率变化曲线，整个变化过程大致为：电阻率先缓慢降低，随后迅速下降，最后保持稳定.

(2)水灰比增大和引气剂掺量的增加，会促进水泥砂浆毛细作用的进行，使得砂浆的毛细吸水量增加，砂浆内部形成更多的导电通道，导致其电阻率下降幅度更大.其中，水灰比从0.4增至0.6时，砂浆电阻率下降幅度由72.50%增长至83.00%；引气剂掺量从0%增至0.15%时，砂浆电阻率分别降低了80.35%和95.62%.

(3)毛细吸水作用下，聚合物乳液掺量对水泥砂浆电阻率有较大影响：在其掺量较少时，由于聚合物颗粒的填充作用使得砂浆的吸水量增多，电阻率变化曲线与未掺乳液时大致重合；当其掺量较多时，聚合物乳液可大大提高水泥基材料的电阻率，且形成的聚合物膜本身的绝缘性也能使水泥砂浆经毛细吸水之后仍保持较高的电阻率.