水泥土早期固化的交流阻抗特征研究

董晓强，杨国辉

（太原理工大学 建筑与土木工程学院，太原030024）

水泥土的固化涉及到水泥和土中离子的溶解、水泥的水化、水泥水化产物与土中活性物质的硬凝反应等复杂的物理化学过程，固化程度的好坏直接影响水泥土的密实度、力学性能和耐侵蚀性。目前国内外学者采用了介电常数法［1－3］、超声波法［3－4］、电阻率法［5］等研究水泥的水化，而对水泥土硬化的研究也只是采用化学分析和微观方法［6］，由于手段的局限性制约了该方面的研究。水泥土固化的研究无论从理论到实践都是一个十分重要的问题，它不仅具有很高的理论价值，而且具有广泛的工程指导意义。

笔者采用交流阻抗法测试水泥土的阻抗参数｜Z｜、Z′、Z″和θ，研究它们在早期固化过程中的变化规律，参考水泥水化理论［5］，对固化过程划分阶段，并且分析了参数变化的原因，证明了采用此方法的可行性。

1 试验的方法和材料

1.1 测试方法

对水泥土输入式（1）所示的信号：

式中：E（ω）为输入的信号；E0为输入信号的电压；ω为角频率 （ω＝2πf，f为频率）；t为时间。

则水泥土会产生式（2）所示的电流：

由于E0≤5mV，因此E（ω）和I（ω）具有相同的频率，但是存在一个相位差θ。

根据欧姆定律，水泥土试样的复阻抗：

式中：｜Z｜为阻抗模，表示水泥土阻抗绝对值的大小；Z＇是实部，表示水泥土的电阻，与水泥土孔隙水中的离子浓度和孔隙率有关，可以间接反映水化程度；Z″是虚部，与水泥土固化过程中孔隙水导电离子的损耗有关［7，8］；θ值表示电流与电压的相位差，可以反映水泥土等效电路的电容性或电感性。

本次试验采用TH2828A型号的数字LCR仪器测试水泥土的阻抗参数｜Z｜、Z′、Z″和θ，仪器和水泥土试样的连接如图1所示，参数值可以直接从LCR仪器屏幕上直接读出。

图1 水泥土试样连接示意图

1.2 试验材料

试验采用Ip＝7.2的粉土和标号为42.5的普通硅酸盐水泥。首先将粉土风干碾碎，过2mm筛子，在105℃烤箱中烘干3h；其次将水泥、土和水按比例充分搅拌均匀，装入图1所示的Soil Box中，振动5min；最后将Soil Box接入电路进行参数测试。

2 试验结果与分析

图2-a、2-b、2-c、2-d分别表示水泥土在固化前期48h内其交流阻抗参数｜Z｜、Z＇、Z"和θ的变化规律。水泥土固化过程以水泥水化为主，从图中可以很明显地看到各条曲线都可以划分成3个阶段：

1）A阶段为溶解期，从开始固化到2h；

2）B阶段为诱导期，从2～24h；

3）C阶段为硬化期，24h以后。

现在以图2-a｜Z｜-t曲线为例对水泥土早期固化各阶段进行分析。在A阶段，即固化的前2h内，从水泥、土和水搅拌开始，水泥和土中的易溶组分Na＋、K＋、SO42－等迅速溶解于水中，同时水泥发生水化反应产生Ca2＋和OH—等离子，这些离子的浓度不断增大，水泥土拌合物导电能力增强，导致｜Z｜值开始减小并快速达到最小值。在离子溶解的同时，水泥不断水化产生 Ca（OH）2，Ca（OH）2以Ca2＋、OH—和CaO的形式存在，土从开始拌合至大约2h内吸收了大量的CaO，水泥土孔隙水中的Ca（OH）2处于不饱和状态，这一点是与混凝土的硬化完全不同的。同时，土质胶体所吸附的H＋、Al3＋等阳离子也将与Ca2＋和OH—进行离子交换和中和反应，进一步降低Ca2＋和OH—的浓度，当孔隙水中离子生成的速率小于离子消耗的速率时，｜Z｜值开始小幅反弹，固化过程进入B阶段。从2h至24h，水泥水化产生的离子源源不断提供给土质吸附、离子交换及反应等，由于二者的速率接近，所以｜Z｜值小幅波动但变化不大。与此同时，土中的活性物质和Ca（OH）2进行硬凝反应产生具有胶结作用的水化硅酸钙（CSH），CSH将土颗粒包裹并相互黏结，逐渐形成致密的整体。随着硬凝反应的不断进行，水泥水化产生的离子逐渐减小，水泥土的导电性降低，｜Z｜值开始上升，固化进入C阶段。此后在相当长的时间里，以硬凝反应为主，产生的CSH不仅提高了水泥土的强度，而且填充了水泥土的孔隙，阻断了水泥土中孔隙水的连接通道，导致｜Z｜值稳步升高，这标志着水泥土已经硬化并且强度正在逐渐提高。

图2-b与图2-a非常近似，Z′-t 曲线表示水泥土整体的电阻随时间的变化，反映了不同时刻的固化程度。图2-c的Z"-t曲线表示固化过程中孔隙水离子的损耗，在B阶段出现了较大幅度的波动，较明显地反映出这个阶段离子生成和消耗同时发生但速率又存在差异，也反映出水泥水化诱导期的特征，但它的物理含义还需要进一步研究。图2-d中θ-t曲线与图2-c中Z" -t曲线非常相似，只不过变化幅度更明显一些，在3个阶段内始终呈弱电感性质，波动主要出现在A、B阶段，C阶段则稳步增长，电感性则进一步减弱。

图2 阻抗参数随时间变化曲线

3 结论

1）水泥土的阻抗参数｜Z｜、Z＇、Z"和θ均随时间发生显著变化，可以分成三个阶段溶解期、诱导期和硬化期。

2）这三个阶段分别与离子的溶解、水泥的水化、水泥水化产物与土中活性物质的硬凝反应等复杂的物理化学过程相对应，可以较好反映固化过程。

3）由于交流阻抗特征与频率密切相关，应进一步研究水化过程的交流阻抗谱。

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