劉黃帥
(華北水利水電大學(xué) 河南 鄭州 450000)
混凝土電導(dǎo)率模型的分析及對(duì)比
劉黃帥
(華北水利水電大學(xué) 河南 鄭州 450000)
在本構(gòu)關(guān)系中,提供了物質(zhì)的電子,原子和分子在外部電磁場(chǎng)作用下的宏觀特性,關(guān)系中介電常數(shù)與電導(dǎo)率具有張量屬性同時(shí)也可能是非線性的,目前為止,GPR實(shí)地探測(cè)應(yīng)用中極少顧及到類似張量和非線性等如此復(fù)雜的分析,對(duì)于GPR應(yīng)用來說,電導(dǎo)率模型的建立尤為重要,本文基于試驗(yàn),分析水泥混凝土總體電導(dǎo)率與其各組成成分的電導(dǎo)率及其所占體積比等參數(shù)之間的關(guān)系,借鑒復(fù)合介質(zhì)介電常數(shù)模型瑞利(Rayleigh)與L-R方程,對(duì)電導(dǎo)率模型提出猜想并進(jìn)行精度檢驗(yàn)。并對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行擬合,使之更加接近于實(shí)際,不僅混凝土導(dǎo)電性研究提供了理論分析手段,也為實(shí)際工程提供支持。
導(dǎo)電率;Rayleigh模型;LR方程模型;精度檢驗(yàn)
不同標(biāo)號(hào)的混凝土的導(dǎo)電性不同,本文對(duì)標(biāo)準(zhǔn)情況下28d齡期混凝土試件內(nèi)的電導(dǎo)率進(jìn)行實(shí)測(cè)分析,混凝土其導(dǎo)電性與本身的顆粒級(jí)配,水灰比,空氣含量存在一定的函數(shù)關(guān)系,鑒于國(guó)內(nèi)外對(duì)如何提高對(duì)混凝土電導(dǎo)率穩(wěn)定性方法的文獻(xiàn)比較少,本文對(duì)混凝土試件的制作,以及對(duì)混凝土電導(dǎo)性與的基本變量之間的關(guān)系進(jìn)行探討。
配制連續(xù)級(jí)配水泥混凝土,每種級(jí)配水泥混凝土都選用P.O 32.5、P.O 42.5兩種標(biāo)號(hào)水泥、每種水泥標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)三個(gè)水灰比:0.4、0.5、0.6;每種水灰比做試塊10個(gè),共60個(gè)試件。其中依據(jù)每個(gè)水灰比作為一組,制備水泥凈漿試件,每組制作3個(gè)試件,試件尺寸為40mm×40mm×160mm,共18個(gè)試件。凈漿試件制備完成后置于養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)于標(biāo)準(zhǔn)條件(20+3℃,濕度60%~80%)下養(yǎng)護(hù),一天后拆模,置于室內(nèi)常溫條件下養(yǎng)護(hù)28天,在測(cè)量混凝土試件電導(dǎo)率的同時(shí),計(jì)算各試件孔隙率,得到各試件中空氣的體積率。根據(jù)測(cè)得的混凝土的電導(dǎo)率和各組分的體積率及各組分的電導(dǎo)率,運(yùn)用回歸和數(shù)學(xué)分析方法對(duì)比線性均方根模型與瑞利模型相對(duì)精準(zhǔn)度。
電導(dǎo)率模型所用電導(dǎo)率為達(dá)到28天齡期后的電導(dǎo)率值,經(jīng)計(jì)算得到各組體積比如表1所示,試件養(yǎng)護(hù)期滿后30天后各相的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)作為擬合的原數(shù)據(jù),由于數(shù)據(jù)龐大,在此不做表述。
理解混合物的物理屬性是實(shí)現(xiàn)GPR數(shù)據(jù)解譯的關(guān)鍵,混凝土可看做各種導(dǎo)電材料的按照一定比例的再次融合[1][2]。其中,物質(zhì)的電導(dǎo)率需要用復(fù)數(shù)來表示,其虛部用來描述電流的異向分量,這一效應(yīng)將隨著頻率的增大而增大,增加了介電常數(shù)的能量存儲(chǔ)效應(yīng)。通常認(rèn)為電導(dǎo)率的虛部在雷達(dá)工作頻段內(nèi)影響較小,因此一般不予考慮,將電導(dǎo)率簡(jiǎn)化為實(shí)部分量。但同時(shí)也要注意到,物質(zhì)的得材料構(gòu)成可能相當(dāng)復(fù)雜在一小塊材料中可能存在多種自由電荷(如電子,液體中的游動(dòng)的陰/陽(yáng)離子、固體中的晶格和錯(cuò)位離子、表面電荷和自由聚合電荷)。每種都有不同的慣性屬性,可能會(huì)對(duì)電導(dǎo)率的虛部產(chǎn)生一定的影響。盡管如此,電導(dǎo)率虛部對(duì)應(yīng)的能量存儲(chǔ)程度與其濕度對(duì)應(yīng)的能量損耗程度相比還是很小的。因此,導(dǎo)電弛豫效應(yīng)的影響較小,在多數(shù)情況下應(yīng)用靜態(tài)導(dǎo)電率得假定是合適的[3]。
將水泥混凝土混合料試件可以看作是由水泥凈漿、骨料及空氣組成的三相復(fù)合介質(zhì),猜想其模型為線性均方根關(guān)系,即:
以水泥混凝土混合料試件實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及計(jì)算數(shù)據(jù),代入線性均方根模型,得到混合料的電導(dǎo)率εcr計(jì)算值,與混合料的電導(dǎo)率測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比,骨料和的結(jié)構(gòu)性的穩(wěn)定與空氣的微小含量考慮到水泥凈漿含有較多的結(jié)晶水且具有較強(qiáng)的親水性,而現(xiàn)實(shí)水利工程中混凝土大多都要與水接觸[4],所以凈漿的導(dǎo)電率作為自變量,關(guān)系如圖1。
圖1 水泥凈漿電導(dǎo)率與電導(dǎo)率折線圖
平均誤差為7.12%,均方根模型計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)0.63,相關(guān)性較差。
借鑒復(fù)合介質(zhì)介電常數(shù)模型瑞利(Rayleigh)模型,根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析計(jì)算,進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷摹?/p>
同樣是將水泥混合料試件看作由水泥凈漿、骨料及空氣組成的三相復(fù)合介質(zhì),由于骨料、空氣的電導(dǎo)率相對(duì)于水泥凈漿很小,且其兩項(xiàng)計(jì)算值為負(fù),以下模型將這兩項(xiàng)略去,并修改:
圖2 水泥凈漿電導(dǎo)率與電導(dǎo)率折線圖
基于瑞利(Rayleigh)模型的電導(dǎo)率模型解釋水泥混合料導(dǎo)電率,平均誤差為6.03%,均方根模型計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)0.27,相關(guān)性很差。
通過對(duì)比以上兩種模型計(jì)算結(jié)果分析對(duì)比,不難的出以下結(jié)論;
(1)瑞利(Rayleigh)模型的電導(dǎo)率模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差較大,平均相對(duì)誤差離散性較大,不適合電導(dǎo)率的計(jì)算,L-R方程與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差大,但離散性較小,線性關(guān)系較大可以改進(jìn)模型計(jì)算公式達(dá)到提高模型精度的目的。
(2)兩種模型的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值雖然很接近,但相對(duì)誤差比較大,實(shí)測(cè)電導(dǎo)率與計(jì)算電導(dǎo)率在兩種模型中沒有較大的線性關(guān)系,所以借用復(fù)合介質(zhì)介電常數(shù)模型來計(jì)算導(dǎo)電率顯然不合適,應(yīng)積極探究屬于電導(dǎo)率的模型。
(3)在凈漿電導(dǎo)率兩端,計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差和離散性都較大。對(duì)于公式的改進(jìn)與探究應(yīng)注重電導(dǎo)率兩端的分析研究。
[1]孟美麗,王復(fù)明,高海彬. 水泥混凝土介電模型研究[J]. 硅酸鹽通報(bào),2015,34(10):2797-2802.
[2]孟美麗. 基于頻率和溫度的混凝土與瀝青混合料介電模型研究[D].鄭州大學(xué),2014.
[3]李劍浩. 混合物電導(dǎo)率和介電常數(shù)的研究[J]. 地球物理學(xué)報(bào),1996,(S1):364-370.
[4]孟美麗. 國(guó)內(nèi)外道路無損檢測(cè)技術(shù)概述[J]. 山西建筑,2010,36(33):278-279.
劉黃帥(1991-),男,漢族,河南省焦作市武陟縣,碩士研究生,華北水利水電大學(xué),水工結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析。