水泥净浆早期阻抗谱研究.docx

水泥净浆早期阻抗谱研究1引言水泥材料是一种多相、非均质、多孔的时变体系通过水泥中各组分与水相互反应的水化反应过程使松散的水泥粉体变成具有凝胶性能的水泥浆体粘结成纳米到毫米级的骨料进而凝结形成混凝土.研究表明水化过程受到水泥化学成分、细度、水灰比、外界温度、湿度、外加剂等多种因素的影响目前研究者尚不完全了解水化过程的全部细节[1～5].水化反应直接影响混凝土的各种性能指标由于不同尺度下材料微结构的性能表征不尽相同目前国内外对混凝土浆体微结构的研究还处于探索阶段几十年来微结构的表征与检测一直是国内外水泥研究领域的重要课题与此同时由于水泥材料的复杂性以及研究手段的不同使得研究结果难以取得一致有的结论甚至矛盾[1].电化学方法早在1932年就用于水泥材料水化反应的研究[3].近年来交流阻抗谱方法由于具有测试过程时间短、无破坏性、测量稳定、规律性较好等特点在水泥混凝土方面的应用取得了长足发展特别是水泥水化过程中材料内部微观结构和组分发展及变化的表征.交流阻抗谱法基于水泥基材料组成结构方面的变化必然导致其电学行为的改变也就意味着电学性能参量的改变必然携带了其组成或结构方面的信息.换句话说从水泥基材料的阻抗谱中将解析出其组成和结构信息从而获得材料连续变化过程的相关信息[4～9].本文测定了不同水灰比水泥净浆早期阻抗谱用阻抗实部随水化时间的变化曲线分析了水泥凝结硬化过程同时指出阻抗谱实部和阻抗谱虚部变化趋势存在的差异.2实验仪器及方法实验所用交流阻抗仪为德国NovocontrolGMBH公司生产的Beta-ND型阻抗分析仪其输出交流电压1~3V频率3μHz~20MHz.频率响应分析仪相位角精度可达-510.测试由PC控制控制程序为本实验室编写的VisualBasic程序.用标号为425的普通硅酸盐水泥分别制备水灰比为0.4、0.45、0.5的3种水泥净浆样品S0.4、S0.45、S0.5并对其进行测试.制备的浆体以12000r/min的转速分别搅拌15s搅拌完成后迅速将浆体装入样品室中将不锈钢电极（规格为4cmx4cmx0.5cm）埋入浆体中为减少水分蒸发和外界环境温度的影响样品室采取加盖处理.随后启动测量程序并实时监测测试环境温度为15±2℃.测试前预设参数为：交流电压1V测试频率1kHz记录频率2次/min.3实验结果与分析3.1阻抗谱实部图1为测试频率1kHz水灰比分别为0.4、0.45、0.5的样品在1400min内水泥净浆的复阻抗实部和虚部随时间的变化曲线从图1可以得到如下结论：（1）在相同测试条件下不同水灰比样品复阻抗实部曲线具有相同的变化趋势即随着时间增加复阻抗实部曲线均呈现出减小增大减小增大的变化规律.现定义如下3个特征点：最小值（A点）、第一峰值（B点）、第一谷值（C点）基于特征点可将水泥净浆初凝期水化反应过程分为溶解期、凝结期、硬化前期和硬化期[6].溶解期：阻抗谱实部曲线迅速下降意味着样品的导电性能增强当水泥净浆与水拌和后水泥中一些易溶的组分如Na、2-4SO、K等带电离子迅速溶解于溶液中同时铝酸三钙、硅酸三钙等矿物发生水解使溶液中2Ca、-OH的浓度迅速增大形成Ca(OH)2过饱和溶液此时孔结构尚未形成水化产物较少导致样品导电性能迅速增强.从水泥净浆拌和开始至最小值出现的时间长短依赖于样品的水灰比.凝结期：复阻抗谱实部曲线缓慢上升意味着样品的导电性能减弱表明样品发生了水化反应并生成水化产物致使样品的孔隙率下降.溶解期带电离子迅速溶解析出形成过饱和溶液随着水化反应的进行形成C-S-H凝胶、AFt等水化产物意味着水泥净浆开始凝结并逐渐失去塑性.水化产物的生成一方面消耗了溶液中的离子同时水化产物包裹在水泥颗粒上减缓了水泥颗粒中离子的溶解析出；另一方面水化产物的持续生成致使样品孔隙率下降堵塞了离子的导电空间导致样品导电性能缓慢减弱[46].由图1可以看出低水灰比样品的第一峰值和最小值的时间差较小原因在于低水灰比净浆中水泥颗粒之间的距离较近较少的水化产物就可堵塞离子的导电空间.硬化前期：复阻抗谱实部曲线下降意味着样品的导电性能提高.该阶段导电性能提高目前有以下解释：由于水化产物包裹在未完全水化水泥颗粒表面形成包裹层随着水化产物的累积其渗透压力增加使水化产物包裹层破裂一方面离子溶解析出速率增大另一方面联通了离子的导电空间导致样品导电性能缓慢增强.硬化期：随着C-S-H凝胶为主的水化产物的不断生成浆体逐渐失去流动性水化反应进入受离子扩散控制的阶段未完全水化水泥颗粒表面包裹层不断增厚进一步堵塞离子导电空间导致复阻抗谱实部曲线上升.在硬化期低水灰比水泥净浆的阻抗谱实部曲线有较大的增长斜率.由于同一样品液相电阻率在水化后期变化较小由Archie法则（岩石基体电阻率