轻集料混凝土的交流阻抗特性.pdf

文章编 号 ：1 0 0 7 0 4 6 X ( 2 0 1 0 ) 0 4 0 0 2 0 - 0 3 糍簿 斟 轻集料混凝土的交流阻抗特性 AC I mp e d a n c e S p e c t r o s c o p y o f L i g h t we i g h t Ag g r e g a t e Co n c r e t e 彭明强，杨正宏。史美伦 ( 同济大学材料科学与工程学院，上海 2 0 0 0 9 2 ) 摘要：利用交流阻抗谱技术对陶粒混凝土进行了测量并把测量结果表示为复平面图。根据实验测得的复平面曲线对混凝土的 细观结构 ( 孔 隙率 、密 实度及 水化程 度 )进 行讨论 。 关键 词 ：陶粒混凝土 ； 交流 阻抗谱： 复 平面 图 中图 分 类号 ：TU5 2 8 2 文献 标 识码 ：A Abs t r ac t ：AC i mpe d a nc e t e c h nol o gy ha s be e n u s e d t o me a s u r e l i gh t we i g ht a gg r e ga t e c o nc r e t e Th e r e s u l t s a r e pl ot t e d i n t h e c o mpl e x pl a n e s Th e mi c r o s t r u c t u r e of t h e s a mp l e s o f c o nc r e t e c on c e r ni n g t h e po r o s i t y , t h e c o mp a c t n e s s a n d t h e d e g r e e of hy d r a t i o n a r e di s c u s s e d i n t e r m s of t h e s h a p e o f t he c o mpl e x pl a n e p l o t s me a s ur e d e xp e r i me n t a l l y Ke y wo r ds ：l i g ht we i g ht a gg r e ga t e c o nc r e t e； Ac i mp e d a nc e s pe c t r os c o py ；c o mp l e x pl a ne 0前 言 近年来 ，材料的交流阻抗谱被认为是颇有希望的一 种可以表征材料特性的解析表示，至今已在混凝土领域里 得到了广泛的应用。轻集料混凝土 ( 陶粒混凝土 ) 具有高 强、质轻和保温隔热的优点，是未来满足建筑节能要求的 新型重要建筑材料之一。本文将以轻集料混凝土的交流阻 抗特性为例对此进行探讨。 1交流阻抗谱的原理” 在一块被测试的材料两端加上低电压、小振幅正弦 波交流电，如果在材料两端施加的电压为 E =EO。 “ 式中 为外加正弦波电压， E O为其振幅 ( 或称为模)， C O 为正弦波电压的角频率。此时，材料中会有正弦波的电流 通过 ： ，=1 08 j 咖 ) 式中， 为通过材料的正弦波电流， 为其振幅 ( 或称为 模 )。 正弦波电 流， 的角频率与所施加电 压 相同， 但是两 者之间有一相位差 0。电压E与电流I 之比E I 称为阻抗， 因为E和 之间存在相位差 0，故此比值要用一个复数 z来表示： 2 0 COAL ASH 4 2 0 10 Z =Z + i Z” Z ：I Z Z =I ZI in o , ， 式中z ， 和 z ” 分别为复阻抗 z的实部和虚部，它们都是 频率C O 的函数： Z( i ) =Z ( ) +f Z ( ) l z I = 万 l z I 为复数 z的振幅或称模。 复阻抗 z也可以表示为 Z=I Z 式中0为电压与电流之间的相位差，简称为相角。 由于复阻抗 z及其实部 z 与虚部 z ” 均为频率的函 数，我们必须在一个宽广的频率范围内逐点进行测量，测 得的结果称为交流阻抗谱。交流阻抗谱可表示在一张以实 部Z 为横轴，以虚部 z ” 为纵轴的复平面图上。典型的混 凝土样品的交流阻抗谱如图 1 所示的复平面图： 图 1 混凝土样品典型的复平面图 图 1 中的曲线由一个不完整的高频半圆和一条低频斜 线所组成。高频半圆与实轴 z 的交点为凡，该值的大小 表征了混凝土中孔隙溶液的特性和混凝土的孔隙率， 越 大，混凝土的孔隙率越小。高频半圆的直径在阻抗文献里 表示为 是混凝土水化程度的标志， ， 越小，水化程 度越高。对于同一混凝土样品，随着养护时间的增长，高 频半圆的直径 逐步缩小。实验测得的高频半圆实际上 呈压扁状，其压扁程度可用分形的维数来表示，它是混凝 土细观结构的另一个表征。低频斜线的斜率与其在实轴z 上的截距可用来判断混凝土的抗渗性和氯化物扩散性呤 ， 在本文中未予讨论。 2实验部分 2 1原材料 水泥：宁国海螺水泥厂，海螺牌 5 2 5 R硅酸盐水泥； 砂：普通中砂，细度模数约为2 7 ； 石子：连续级配 5 2 5 m m普通碎石； 圆球形陶粒：广州华穗轻质陶粒制品厂，密度等级为 8 0 0级，表观密度为1 2 5 0 k g m ，1 h吸水率为 2 7 0 ； 碎石型陶粒：湖北宜昌光大陶粒有限公司，密度等级 为 8 0 0 级，表观密度为 1 5 6 0 k g m ，1 h吸水率为 2 3 0 ； 减水剂：苏州弗克新型建材有限公司，聚羧酸减水剂 ( 粉剂 )，掺量为水泥质量的O 2 0 ； 水：自来水。 2 2 试验 方 法 按照 普通混凝土力学性能试验方法制作边长为 1 0 0 m m的立方体试件，混凝土配合比见表 1 、表 2 和表 3 ， 2 8 d 标准养护 ( 温度 2 0 2，饱和氢氧化钙 ( C a ( O H ) z ) 溶液) 后进行交流阻抗谱的测试。交流阻抗谱的测试仪器 为 2 7 3 A型恒电位仪， 恒电流仪与 5 2 1 0型锁相放大器，由 E G & G P A R C出品，测试由随机提供的 M3 9 8软件支持。 交流振幅为 5 m V，频率范围为 1 0 0 k H z 一1 0H z 。 表 1 普通混凝土配合比 ( k s m -3 ) 表 3 碎石型陶粒混凝土配合 比 ( k g m。 ) 备注 ：普通混凝土样品分别称为 P A，P B，P C：圆球型陶粒混凝土样 品分别称为 T A，T B，T C；碎石型陶粒混凝土样品分别称为 L A，L B， LC。 3结果与讨论 混凝土 2 8 d抗压强度如表 4所示。 表 4 不 同种类混凝土样品的 2 8 d抗压强度 MP a 图 2到图5为各种混凝土样品的交流阻抗谱。 40 3 5 3 0 2 5 耋2 o l 5 I 0 0 5 0 0 l 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 4 2 6 z 图 2 蕾通混凝土的交流 阻抗谱 2 4 6 8 l 0 l 2 1 4 1 6 l 8 2 0 2 2 Z I 圈 3 圆球型陶粒混凝土的交流阻抗谱 3 4 5 6 7 8 9 1 0 I l l 2 Z 圈 4 碎石型瞳粒混凝土的交流阻抗谱 4 2 0 1 0 粉煤灰 2 1 嗡嗡檬蹬撒 揣攘 咖 晏 5 4 3 2 l O 每 l 8 1 6 1 4 1 2 1 0 耋0 8 0 6 04 0 2 0 0 2 j 4 )0 Z 图 5 水泥用量相同的不同粗集料的混凝土的交流阻抗谱 比较图 2 图 5 可以发现，混凝土的交流阻抗谱与其 配合比有密切的关系。水泥 ，砂和水的用量不同，粗集料 的种类不同都能改变混凝土的交流阻抗谱图。由图 2可 见，三种不同强度的普通混凝土试样的阻抗曲线高频端与 实轴的交点 ( 即 R s 值)随混凝土强度的增大逐渐右移。 从图 3 和图 4 可见 ，对于两种不同的陶粒混凝土，其情况 也是相同的，这是因为混凝土的强度越大，混凝土越密实， 孔隙率越小。图 5为 3 种水泥用量相同的不同粗集料的 混凝土的比较。从图5可见，对于水泥用量相同的 3种 不同粗集料的混凝土来说，虽然陶粒混凝土的抗压强小于 普通混凝土，圆球型陶粒混凝土的抗压强度最小，但其阻 抗曲线高频端与实轴的交点都在普通混凝土的右方，这说 明陶粒与水泥和砂的结合力强于普通石子；虽然三种混凝 土所用的水泥量是相同的，但陶粒混凝土的需水量相对较 小些。对于相同强度等级的混凝土来说，陶粒混凝土要更 密实一些。再看各高频半圆的直径。从图 2 可见，对于水 泥用量较少的 P A样品，其高频曲线是一个良好的半圆， 随着水泥用量的增加和抗压强度的增加，半圆直径逐渐缩 小，因此，对于相同集料的混凝土来说，可以通过对高频 半圆直径的比较来分辨其抗压强度的大小。对于图 3和 图4来说，其情况也是相同的。必须注意的是，由于在复 阻抗图中曲线的高频半圆往往只显示很小的一部分，故高 频半圆的直径要从实验数据进行计算才能得到 。阻抗曲 线高频半圆的压扁度也是混凝土密实度的重要标志。从图 2 图4来看，对于相同的粗集料，3种不同配合比的试 样的阻抗曲线的高频半圆的压扁度与 R s的变化方向是一 致的。从图 5可见，对于不同粗集料的情况，高频半圆 压扁度的变化方向与 R 的变化方向也是一致的，因此， 它可以用作混凝土密实度变化的佐证。 4结 论 交流阻抗谱方法可以有效地用来研究普通混凝土和陶 粒混凝土的细观结构，可从复平面图上的阻抗曲线的高频 半圆在实轴上的交点、高频半圆的直径和压扁度来了解混 凝土的密实度和水化程度。 参考文献 【 1 】 史美伦 交流阻抗谱【 M】 _ j B 京：国防工业出版社，2 0 0 0 年 【 2 】 史美伦 混凝土阻抗谱【 M】 j B 京：铁道工业出版社，2 0 0 3 年 收稿 日期： 2 0 1 0年 3月 3 0日 ! ， f ! ， ! ， f ! ， ! ， ! ， i ! ， ! ， ! 三 安料 存 傅 上海市2 0 0 8 年 2 0 0 9 年粉煤灰综合利用数据统计 2 0 0 8 年度上海市粉煤灰排放量为6 0 3 5 2 万t 、与2 0 0 7 年相比增加 4 O 8 9万 t ，其中高钙粉煤灰为 1 8 3 2 1 万 t 、 与 2 0 0 7年相比增加 l 4 8 6万 t ；利用量为 5 7 6 9 4万 t ， 与2 0 0 7 年相比增加 2 9 5 1 万t 。利用途径：商品混凝土和 砂浆中的利用量最大，为3 5 8 8 5 万t ( 其中本市2 6 1 7 4 万t 、 外省市进沪 9 7 1 1 万 t o详细情况见表 1 。 表 1 上海市 2 0 0 8年粉煤灰综合利用统计 2 0 0 9年度上海市 1 6家粉煤灰排放量为 5 1 6 0 3万 t ， 与 2 0 0 8年相比减少 1 4 5 0 ，利用量为 4 9 5 6 3万 t ，与 2 0 0 8年相比减少 1 4 0 9 ，综合利用率 9 6 0 5 。利用途 径：墙体材料 0 6 1 万 t ，占 0 1 2 ，水泥混合材1 2 6 5 7 2 2 c0AL AsH 4 2 01 0 万 t ，占2 5 5 4 ，混凝土砂浆 2 4 9 8 2万 t ，占5 0 4 0 ， 筑路 1 0 1 4 4万 t ，占2 0 4 7 ，回填 5 6 7 万 t ，占 1 1 4 ， ， 其他 1 1 5 2 万 t ，占2 3 2 ；利用途径中混凝土砂浆利用 量最大 、超过 5 0 。