示蹤劑種類及摻量對(duì)水泥土混合漿液的電學(xué)行為影響研究

周建平,韓順波

(中國水利水電第七工程局有限公司,四川成都 610213)

在水泥土攪拌樁[1-6]中，水泥加入土中拌合后，漿體內(nèi)會(huì)發(fā)生一系列物化變化，致使?jié){液不斷水化、凝結(jié)以至硬化[7]。各國學(xué)者歷來重視從各個(gè)不同方面，采用不同方法研究水泥漿液的變化過程。然而對(duì)漿液的電學(xué)行為研究較少。

介電常數(shù)又叫介質(zhì)常數(shù)、介電系數(shù)或者電容率，它是表示絕緣能力特性的一個(gè)系數(shù)，是材料的特有屬性。鑒于此電學(xué)特性，現(xiàn)有很多儀器可快速、準(zhǔn)確地測量材料的介電常數(shù)，為攪拌樁中水泥含量的快速測量提供了可能性。常見的材料的介電常數(shù)如表1所示。

表1 常見物質(zhì)的介電常數(shù)

通過表1可以看出，空氣的相對(duì)介電常數(shù)是1，為最小。而水的相對(duì)介電常數(shù)高達(dá)80。在土體濕化過程中，它的介電常數(shù)會(huì)發(fā)生顯著增加，如飽和砂的介電常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于干砂。對(duì)于水泥攪拌樁，水泥漿液被泵送到土體內(nèi)部時(shí)，會(huì)增加土體中水的電解質(zhì)濃度(如Al3+、Ca2+等)，增強(qiáng)水的導(dǎo)電性和介電常數(shù)。為了進(jìn)一步增大水泥的介電常數(shù)，一種常見的方法是在水泥漿中加入電學(xué)示蹤劑，使加入水泥漿后的混合漿液的介電常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原土。通過測量新鮮水泥漿液的介電常數(shù)可準(zhǔn)確獲取土體中的水泥含量，判斷攪拌樁水泥漿的均勻程度，便于管理攪拌樁的施工質(zhì)量。

現(xiàn)有研究很少涉及水泥漿的電學(xué)示蹤劑的選取，其使用效果也不明確。本文通過在水泥土混合漿液中摻入鐵粉、碳粉和尾礦粉等不同電學(xué)示蹤劑，研究水泥漿介電常數(shù)變化規(guī)律，確定最佳示蹤劑種類，并通過研究最佳示蹤劑摻量對(duì)介電常數(shù)的影響，明確最佳示蹤劑的摻量，為水泥攪拌樁水泥含量的檢測做參考[8-9]。

1 水泥土的介電常數(shù)室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及測量原理

試驗(yàn)采用頻域反射型儀器[10](Frequency Domain Reflectometry，F(xiàn)DR)，其測量原理為：插入電子元件中的電極與電子元件(電子元件被當(dāng)作電介質(zhì))之間形成電容，并與高頻震蕩器形成回路。通過傳輸探針產(chǎn)生高頻信號(hào)，傳輸探針的阻抗隨電子元件阻抗變化而變化。阻抗包括表觀介電常數(shù)和離子傳導(dǎo)率。應(yīng)用掃頻技術(shù)，選用合適的電信號(hào)頻率使離子傳導(dǎo)率的影響最小，這樣，傳輸探針阻抗變化幾乎僅依賴于電子元件介電常數(shù)的變化。這些變化產(chǎn)生一個(gè)電壓駐波，電壓的差值對(duì)應(yīng)于電子元件的表觀介電常數(shù)。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中采用的水泥為普通硅酸鹽水泥，是由硅酸鹽水泥熟料、5 %～20 %的混合材料及適量石膏磨細(xì)制成的水硬性膠凝材料，具有強(qiáng)度高、水化熱大，抗凍性好、干縮小，耐磨性較好、抗碳化性較好、耐腐蝕性差、不耐高溫的特性。試驗(yàn)所用土體為花崗巖殘積土，其主要成分是石英(20 %～30 %)、長石(60 %～70 %)、云母及角閃石(5 %～10 %)，主要物理力學(xué)特性如表2所示。

表2 試驗(yàn)用花崗巖殘積土主要物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)

1.3 試驗(yàn)方案

首先研究不同體積含水率條件下水泥土混合漿液的介電常數(shù)變化規(guī)律。試驗(yàn)制備了體積含水率為10 %、33 %、50 %、75 %、93 %的土樣各三組，每組分別施加測試頻率為1 MHz、100 MHz和1 000 MHz的外電壓。其次研究摻入鐵粉、碳粉和尾礦粉三種電學(xué)示蹤劑后的水泥土混合漿液的介電常數(shù)變化，以此確定最佳示蹤劑的種類，試驗(yàn)中水泥土體積含水率均為10 %，外加電壓頻率為1 MHz，每種示蹤劑摻量為6 %。最后基于以上試驗(yàn)，研究最佳示蹤劑的摻量對(duì)水泥土介電常數(shù)的影響，以此明確最佳示蹤劑的最佳摻量，試驗(yàn)中水泥土體積含水率為10 %，外加電壓頻率為1 MHz，土樣的示蹤劑含量范圍為0～16 %。

2 介電常數(shù)變化規(guī)律分析

2.1 體積含水率對(duì)介電常數(shù)的影響

圖1給出了水泥土的介電常數(shù)隨著體積含水率的變化規(guī)律。從圖1可以看出，在1 MHz、100 MHz、1 000 MHz時(shí)，水泥土的介電常數(shù)幾乎與體積含水率的大小成正比，直線的截距為干燥水泥的介電常數(shù)。水泥土是一種多相的電介質(zhì)，在各相中各種極化機(jī)理都會(huì)產(chǎn)生。當(dāng)外電場通過水泥時(shí)，除了水泥中水化產(chǎn)物、水以及未反應(yīng)的水泥顆粒等產(chǎn)生電子、離子和偶極子極化外，還可能激活載流子，如自由電子、離子、空位等運(yùn)動(dòng)。當(dāng)載流子遇到電導(dǎo)率較低的其他相，如氣孔時(shí)，會(huì)減慢電荷通過材料的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致電荷在界面上堆積，形成空間電荷。這種界面極化在宏觀上使介電常數(shù)增加。在低頻時(shí)，這種界面極化能跟上電場的改變，這是因?yàn)樵诘皖l時(shí)，水泥土有較高的介電常數(shù)。當(dāng)頻率升高時(shí)，電荷的位移滯后于電磁場方向的改變，使介電常數(shù)下降。在1～1 000 MHz頻段中，偶極子極化因頻率的升高而逐步減弱，介電常數(shù)隨頻率的上升而下降。圖中還可以發(fā)現(xiàn)：含水率增大時(shí)，介電常數(shù)也增大；低頻和高頻時(shí)的介電常數(shù)之差也較大。含水率為93 %的試樣，在1 MHz時(shí)介電常數(shù)為48.2；在1 000 MHz時(shí)，下降到10.2左右；而含水量為10 %的試樣，在100～1 000 MHz這樣寬廣的頻率范圍內(nèi)，介電常數(shù)幾乎不變，分別為7.5和6.3。這說明潮濕水泥土的介電常數(shù)的變化主要來源于水分的作用，而水分對(duì)極化的貢獻(xiàn)主要在低頻段，這也側(cè)面說明水分主要生成一些較大的離子和離子團(tuán)。

圖1 水泥土的體積含水量和介電常數(shù)的關(guān)系

2.2 示蹤劑種類對(duì)介電常數(shù)的影響

圖2給出了在加入不同示蹤劑條件下，水泥土的介電常數(shù)變化規(guī)律。當(dāng)水泥土的體積含水率為10 %，測量過程中使用的頻率為1 MHz時(shí)，測得介電常數(shù)為12.4。當(dāng)加入6 %示蹤劑后，混合物的介電常數(shù)明顯上升：鐵粉、碳粉和尾礦粉使得介電常數(shù)分別增加至38.1、37.4和40.2。可見，三種電學(xué)示蹤劑效果相近，電學(xué)示蹤劑的種類對(duì)水泥土介電常數(shù)的影響較小。因此在選擇時(shí)，更多的考慮經(jīng)濟(jì)效益，三種示蹤劑中，尾礦粉的經(jīng)濟(jì)性較好。

圖2 示蹤劑的介電常數(shù)影響

2.3 示蹤劑摻量對(duì)介電常數(shù)的影響

圖3給出了尾礦粉作為示蹤劑時(shí)的介電常數(shù)變化規(guī)律?？梢钥闯觯殡姵?shù)隨著尾礦粉摻量的增大而不斷增大，且呈非線性變化。當(dāng)土樣中示蹤劑含量較低時(shí)(0 %～2 %)，混合物的介電常數(shù)在5～20之間變化。隨著示蹤劑摻量的進(jìn)一步增加，介電常數(shù)增加速度明顯增強(qiáng)。當(dāng)示蹤劑的摻量達(dá)到8 %～12 %時(shí)，混合物的介電常數(shù)范圍為45～55。隨后，示蹤劑摻量對(duì)介電常數(shù)的影響減弱，當(dāng)示蹤劑的參量達(dá)到16 %時(shí)，混合物的介電常數(shù)約為50。考慮到示蹤劑對(duì)攪拌樁漿液的影響及示蹤效果，建議示蹤劑摻量的取值范圍為8 %～12 %。

圖3 示蹤劑含量和介電常數(shù)的關(guān)系

3 結(jié)論

本文通過對(duì)不同示蹤劑及摻量對(duì)水泥混合漿液的電學(xué)行為的影響研究，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)在1 MHz、100 MHz、1 000 MHz時(shí)，水泥土的介電常數(shù)幾乎與體積含水率的大小成正比。在1～1 000 MHz頻段中，偶極子極化因頻率的升高而逐步減弱，介電常數(shù)隨頻率的上升而下降。在100～1 000 MHz的頻率范圍內(nèi)，介電常數(shù)幾乎不變，分別為7.5和6.3。可見潮濕水泥土的介電常數(shù)的變化主要來源于水分的作用，而水分對(duì)極化的貢獻(xiàn)主要在低頻段。為進(jìn)一步研究水泥含量的電學(xué)法測試，測試頻率應(yīng)考慮選擇較高的頻率范圍，如100～1 000 MHz。

(2)摻入鐵粉、碳粉和尾礦粉三種示蹤劑的水泥土，其介電常數(shù)由12.4分別增加至38.1、37.4和40.2?？梢姡N電學(xué)示蹤劑效果相近，電學(xué)示蹤劑的種類對(duì)水泥介電常數(shù)的影響較小。

(3)水泥土的介電常數(shù)隨著示蹤劑摻量的增大不斷增大，且呈非線性變化。當(dāng)示蹤劑的摻量達(dá)到8 %～12 %時(shí)，混合物的介電常數(shù)范圍為45～55。隨后，示蹤劑對(duì)介電常數(shù)的影響減弱?？紤]到示蹤劑對(duì)攪拌樁漿液的影響及示蹤效果，建議示蹤劑的摻量取值范圍為8 %～12 %。