水灰比對(duì)水泥漿液電阻率的影響試驗(yàn)研究

王賀 馬巖 秦浩

(同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092)

1 概況

目前注漿使用的漿液很大程度上是非可控注漿［1］。注漿的實(shí)際情況和漿液的充填情況難以判斷。基于水泥漿液的導(dǎo)電性能，可以通過對(duì)不同水灰比漿液的電阻率進(jìn)行測(cè)試，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)漿液流動(dòng)和充填情況的探測(cè)。近年來，有部分學(xué)者開展過水泥漿液電阻率的研究，如曾曉輝、隋同波等進(jìn)行了水泥水化放熱與電阻率變化之間關(guān)系的研究［2-4］;魏小勝、肖蓮珍等人對(duì)水泥水化過程電阻率變化進(jìn)行過分析研究［5，6］，通過實(shí)驗(yàn)得出水泥水化放熱的過程中水泥漿液電阻率會(huì)發(fā)生變化，但是沒有研究水灰比是否會(huì)影響漿液電阻率變化。Rajabipour開展過干燥水泥漿液水化與電阻率的關(guān)系研究［7］，廖宜順開展過快硬早強(qiáng)型水泥的水化特性與電阻率的關(guān)系研究［8］，廖宜順、魏小勝開展過電阻率與化學(xué)收縮和水泥基材料的關(guān)系的研究［9，10］等，他們的研究也只表明了可以通過電阻率來監(jiān)測(cè)水化過程中漿液的一些性質(zhì)。目前的文獻(xiàn)表明，還未見水泥漿液的水灰比與其導(dǎo)電性能的關(guān)系研究。

針對(duì)目前注漿過程監(jiān)測(cè)的難點(diǎn)，本文通過測(cè)定不同水灰比漿液的電阻率，獲得漿液電阻率與水灰比之間的關(guān)系，從而為注漿效果的監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及過程

1)實(shí)驗(yàn)儀器及材料。實(shí)驗(yàn)所用儀器主要有電子萬用表、指針式萬用表、學(xué)生電源、自制銅片電極、水泥容器(主要用來固定電極并消除實(shí)驗(yàn)誤差)、燒杯、電子秤。實(shí)驗(yàn)所用的水泥為普通硅酸鹽水泥。2)實(shí)驗(yàn)參數(shù)。本次實(shí)驗(yàn)主要測(cè)試不同水灰比水泥漿液的電阻率，測(cè)試用水泥漿液的水灰比如表1所示，每個(gè)水灰比分別測(cè)試3次，取其平均值作為該水灰比水泥漿液的電阻率。其中測(cè)量時(shí)，所用電壓為6 V。3)實(shí)驗(yàn)過程。a.連接好測(cè)試電路，并將測(cè)試電極固定到測(cè)試容器中;b.根據(jù)測(cè)試水泥漿液容器的體積，分別計(jì)算出表1中各水灰比所需的水泥質(zhì)量和水的體積;c.按水灰比所需要的水泥質(zhì)量和水的體積，用電子秤稱取相應(yīng)量的水泥，并將秤取好的水泥放入攪拌器皿;用量杯量取相應(yīng)的水的體積;d.將量取好的水慢慢加入攪拌器皿，攪拌2 min左右至均勻(時(shí)間過久水泥水化放熱會(huì)影響漿液電阻率［2，3］);然后將攪拌好的水泥漿液倒入測(cè)試容器;e.立即開啟測(cè)試電源，待讀數(shù)穩(wěn)定后讀取并記錄水泥漿液的水灰比值;數(shù)據(jù)讀完后，關(guān)閉電源，將漿液移出，并清洗測(cè)試電極;f.對(duì)相同水灰比的水泥漿液，重復(fù)測(cè)試3次電阻率;g.重復(fù)c.～f.，完成所有水灰比水泥漿液電阻率的測(cè)試。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 水泥漿液水灰比與電阻率的關(guān)系

圖1為水泥漿液水灰比與電阻率的關(guān)系。圖1a)表明，相同水灰比時(shí)，重復(fù)試驗(yàn)獲取的水泥漿液電阻率穩(wěn)定性較好，3次測(cè)試的電阻率較為接近。圖1b)表明，當(dāng)水灰比小于1.5時(shí)，水泥漿液的電阻率隨著水灰比的增加呈非線性減小，當(dāng)水灰比達(dá)到1.5時(shí)，電阻率降低到極小值。當(dāng)水灰比大于1.5時(shí)，隨著水灰比的增大，水泥漿液的電阻率略有增加。

表1 水泥漿液的水灰比

圖1 水灰比與電阻率的關(guān)系

圖2表明，水泥漿液的電阻率僅為純水電阻率的8%～11%，說明水泥漿液的導(dǎo)電性能大大高于純水的導(dǎo)電性能，說明利用水泥漿的電阻率指標(biāo)，容易區(qū)分出純水與水泥漿液，利用水泥漿液的電阻率特性，可為水泥漿液在地下的分布監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。

圖2 水泥漿液導(dǎo)電與純水導(dǎo)電能力的關(guān)系

3.2 電阻率隨水泥漿液水灰比變化機(jī)理分析

理論上來講，水泥漿液的導(dǎo)電能力應(yīng)隨著水泥漿液中導(dǎo)能離子濃度的增大而增加，即隨著水灰比減小，漿液電離出的導(dǎo)能離子數(shù)增多，水泥漿液的導(dǎo)電能力會(huì)增大。即水灰比減小，導(dǎo)電能力增加。然而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，水泥漿液的導(dǎo)電能力并非僅由水泥漿液中的離子來決定，水泥漿液中未溶解的固體顆粒物濃度對(duì)水泥漿液的導(dǎo)電能力也有一定的影響。

當(dāng)水灰比大于1.5時(shí)，未溶解的固體顆粒物濃度較小時(shí)，不足以影響漿液中導(dǎo)電粒子的移動(dòng)，漿液導(dǎo)電能力隨水灰比減小，導(dǎo)電能力增強(qiáng);當(dāng)水灰比為1～1.5的時(shí)候，未溶解的固體顆粒物的濃度對(duì)漿液中導(dǎo)電粒子移動(dòng)影響最小，漿液的電阻率達(dá)到極小值，此時(shí)導(dǎo)電性能最好;當(dāng)水灰比小于1.5時(shí)，隨著水灰比減小，增多的未溶解的固體顆粒物質(zhì)濃度足以影響漿液中導(dǎo)電粒子的移動(dòng)，因此，表現(xiàn)出隨著水灰比減小，導(dǎo)電能力反而降低。

4 結(jié)語(yǔ)

1)當(dāng)水灰比小于1.5時(shí)，水泥漿液的電阻率隨著水灰比的增加呈非線性減小，當(dāng)水灰比達(dá)到1.5時(shí)，電阻率降低到極小值。當(dāng)水灰比大于1.5時(shí)，隨著水灰比的增大，水泥漿液的電阻率略有增加。2)水泥漿液中未溶解的固體顆粒物濃度對(duì)水泥漿液的導(dǎo)電能力也有一定的影響。3)水泥漿液的電阻率僅為純水電阻率的8%～11%，水泥漿液的導(dǎo)電性能大大高于純水的導(dǎo)電性能，利用水泥漿液的電阻率特性，可為水泥漿液在地下的分布監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。

［1］ 鄭玉輝.裂隙巖體注漿漿體與注漿控制方法的研究［D］.長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2006.

［2］ 曾曉輝，隋同波，李宗津.水泥水化放熱與電阻率變化［J］.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2009，37(4):601-604.

［3］ 隋同波，曾曉輝，謝友均，等.電阻率法研究水泥早期行為［J］.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2008，36(4):431-435.

［4］ 曾曉輝，隋同波，謝友均，等.電阻率法研究減水劑與水泥的作用［J］.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2008，36(10):1390-1395.

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

［6］ X.S.Wei，L.Z Xiao，Z.J.Li.Electrical measurement to assess hydration process and the porosity formation.Journal of Wuhan University.2008.

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［8］ 廖宜順.快硬早強(qiáng)型水泥的水化特性與電阻率研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2009.

［9］ 廖宜順，魏小勝.早齡期水泥漿體的化學(xué)收縮與電阻率研究［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，40(8):29-33.

［10］ 魏小勝，廖宜順，李國(guó)衛(wèi).電阻率法在水泥基材料研究中的應(yīng)用進(jìn)展［J］.科技導(dǎo)報(bào)，2009，27(10):92-97.