水泥土早期固化的交流阻抗特征研究

董曉強(qiáng)，楊國(guó)輝

（太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，太原030024）

水泥土的固化涉及到水泥和土中離子的溶解、水泥的水化、水泥水化產(chǎn)物與土中活性物質(zhì)的硬凝反應(yīng)等復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，固化程度的好壞直接影響水泥土的密實(shí)度、力學(xué)性能和耐侵蝕性。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用了介電常數(shù)法［1－3］、超聲波法［3－4］、電阻率法［5］等研究水泥的水化，而對(duì)水泥土硬化的研究也只是采用化學(xué)分析和微觀方法［6］，由于手段的局限性制約了該方面的研究。水泥土固化的研究無(wú)論從理論到實(shí)踐都是一個(gè)十分重要的問(wèn)題，它不僅具有很高的理論價(jià)值，而且具有廣泛的工程指導(dǎo)意義。

筆者采用交流阻抗法測(cè)試水泥土的阻抗參數(shù)｜Z｜、Z′、Z″和θ，研究它們?cè)谠缙诠袒^(guò)程中的變化規(guī)律，參考水泥水化理論［5］，對(duì)固化過(guò)程劃分階段，并且分析了參數(shù)變化的原因，證明了采用此方法的可行性。

1 試驗(yàn)的方法和材料

1.1 測(cè)試方法

對(duì)水泥土輸入式（1）所示的信號(hào)：

式中：E（ω）為輸入的信號(hào)；E0為輸入信號(hào)的電壓；ω為角頻率 （ω＝2πf，f為頻率）；t為時(shí)間。

則水泥土?xí)a(chǎn)生式（2）所示的電流：

由于E0≤5mV，因此E（ω）和I（ω）具有相同的頻率，但是存在一個(gè)相位差θ。

根據(jù)歐姆定律，水泥土試樣的復(fù)阻抗：

式中：｜Z｜為阻抗模，表示水泥土阻抗絕對(duì)值的大小；Z＇是實(shí)部，表示水泥土的電阻，與水泥土孔隙水中的離子濃度和孔隙率有關(guān)，可以間接反映水化程度；Z″是虛部，與水泥土固化過(guò)程中孔隙水導(dǎo)電離子的損耗有關(guān)［7，8］；θ值表示電流與電壓的相位差，可以反映水泥土等效電路的電容性或電感性。

本次試驗(yàn)采用TH2828A型號(hào)的數(shù)字LCR儀器測(cè)試水泥土的阻抗參數(shù)｜Z｜、Z′、Z″和θ，儀器和水泥土試樣的連接如圖1所示，參數(shù)值可以直接從LCR儀器屏幕上直接讀出。

圖1 水泥土試樣連接示意圖

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用Ip＝7.2的粉土和標(biāo)號(hào)為42.5的普通硅酸鹽水泥。首先將粉土風(fēng)干碾碎，過(guò)2mm篩子，在105℃烤箱中烘干3h；其次將水泥、土和水按比例充分?jǐn)嚢杈鶆?，裝入圖1所示的Soil Box中，振動(dòng)5min；最后將Soil Box接入電路進(jìn)行參數(shù)測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2-a、2-b、2-c、2-d分別表示水泥土在固化前期48h內(nèi)其交流阻抗參數(shù)｜Z｜、Z＇、Z"和θ的變化規(guī)律。水泥土固化過(guò)程以水泥水化為主，從圖中可以很明顯地看到各條曲線都可以劃分成3個(gè)階段：

1）A階段為溶解期，從開(kāi)始固化到2h；

2）B階段為誘導(dǎo)期，從2～24h；

3）C階段為硬化期，24h以后。

現(xiàn)在以圖2-a｜Z｜-t曲線為例對(duì)水泥土早期固化各階段進(jìn)行分析。在A階段，即固化的前2h內(nèi)，從水泥、土和水?dāng)嚢栝_(kāi)始，水泥和土中的易溶組分Na＋、K＋、SO42－等迅速溶解于水中，同時(shí)水泥發(fā)生水化反應(yīng)產(chǎn)生Ca2＋和OH—等離子，這些離子的濃度不斷增大，水泥土拌合物導(dǎo)電能力增強(qiáng)，導(dǎo)致｜Z｜值開(kāi)始減小并快速達(dá)到最小值。在離子溶解的同時(shí)，水泥不斷水化產(chǎn)生 Ca（OH）2，Ca（OH）2以Ca2＋、OH—和CaO的形式存在，土從開(kāi)始拌合至大約2h內(nèi)吸收了大量的CaO，水泥土孔隙水中的Ca（OH）2處于不飽和狀態(tài)，這一點(diǎn)是與混凝土的硬化完全不同的。同時(shí)，土質(zhì)膠體所吸附的H＋、Al3＋等陽(yáng)離子也將與Ca2＋和OH—進(jìn)行離子交換和中和反應(yīng)，進(jìn)一步降低Ca2＋和OH—的濃度，當(dāng)孔隙水中離子生成的速率小于離子消耗的速率時(shí)，｜Z｜值開(kāi)始小幅反彈，固化過(guò)程進(jìn)入B階段。從2h至24h，水泥水化產(chǎn)生的離子源源不斷提供給土質(zhì)吸附、離子交換及反應(yīng)等，由于二者的速率接近，所以｜Z｜值小幅波動(dòng)但變化不大。與此同時(shí)，土中的活性物質(zhì)和Ca（OH）2進(jìn)行硬凝反應(yīng)產(chǎn)生具有膠結(jié)作用的水化硅酸鈣（CSH），CSH將土顆粒包裹并相互黏結(jié)，逐漸形成致密的整體。隨著硬凝反應(yīng)的不斷進(jìn)行，水泥水化產(chǎn)生的離子逐漸減小，水泥土的導(dǎo)電性降低，｜Z｜值開(kāi)始上升，固化進(jìn)入C階段。此后在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里，以硬凝反應(yīng)為主，產(chǎn)生的CSH不僅提高了水泥土的強(qiáng)度，而且填充了水泥土的孔隙，阻斷了水泥土中孔隙水的連接通道，導(dǎo)致｜Z｜值穩(wěn)步升高，這標(biāo)志著水泥土已經(jīng)硬化并且強(qiáng)度正在逐漸提高。

圖2-b與圖2-a非常近似，Z′-t 曲線表示水泥土整體的電阻隨時(shí)間的變化，反映了不同時(shí)刻的固化程度。圖2-c的Z"-t曲線表示固化過(guò)程中孔隙水離子的損耗，在B階段出現(xiàn)了較大幅度的波動(dòng)，較明顯地反映出這個(gè)階段離子生成和消耗同時(shí)發(fā)生但速率又存在差異，也反映出水泥水化誘導(dǎo)期的特征，但它的物理含義還需要進(jìn)一步研究。圖2-d中θ-t曲線與圖2-c中Z" -t曲線非常相似，只不過(guò)變化幅度更明顯一些，在3個(gè)階段內(nèi)始終呈弱電感性質(zhì)，波動(dòng)主要出現(xiàn)在A、B階段，C階段則穩(wěn)步增長(zhǎng)，電感性則進(jìn)一步減弱。

圖2 阻抗參數(shù)隨時(shí)間變化曲線

3 結(jié)論

1）水泥土的阻抗參數(shù)｜Z｜、Z＇、Z"和θ均隨時(shí)間發(fā)生顯著變化，可以分成三個(gè)階段溶解期、誘導(dǎo)期和硬化期。

2）這三個(gè)階段分別與離子的溶解、水泥的水化、水泥水化產(chǎn)物與土中活性物質(zhì)的硬凝反應(yīng)等復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程相對(duì)應(yīng)，可以較好反映固化過(guò)程。

3）由于交流阻抗特征與頻率密切相關(guān)，應(yīng)進(jìn)一步研究水化過(guò)程的交流阻抗譜。

［1］ Janoo V，Korhonen C，Hovan M.Measurement of water content in Portland cement concrete［J］.J Transp Eng，1999，125：245-249.

［2］ Wen S，Chung D D L.Effect of admixtures on the dielectric constant of cement paste［J］.Cement and Concrete Research，2001，31（4）：673-677.

［3］ 陳偉，李遠(yuǎn)，水中和.基于超聲波速與介電性能的硅酸鹽水泥早期水化過(guò)程連續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)［J］.硅酸鹽通報(bào)，2010，29（10）：1190-1196.

［4］ Robeyst N，Gruyaert E，Grosse C U，et al.Monitoring the setting of concrete containing blast-furnace slag by measuring the ultrasonic p-wave velocity［J］.Cement and Concrete Research，2008，38：1169-1176.

［5］ 魏小勝，肖蓮珍，李宗津.采用電阻率法研究水泥土水化過(guò)程［J］.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2004，32（1）：34-38.

［6］ 黃新，周國(guó)鈞.水泥加固土硬化機(jī)理初探［J］.土木工程學(xué)報(bào)，1994，（16）1：62-68.

［7］ Kaya A，F(xiàn)ang H Y.Identification of contaminated soils by dielectric constant and electrical conductivity［J］.Journal of Environmental Engineering，1997，123（2）：169-177.

［8］ Shang J Q，Scholte J W，Rowe R K.Multiple linear regression of complex permittivity of a till at frequency range from 200 MHz to 400MHz［J］.Subsurface Sensing Technologies and Applications，2000，1（3）：337-356.

［9］ Oh M H.Development of detection system for subsurface contamination based on electrical properties of soil［D］.Korea：Seoul National University，2005.