CN109001262B - 基于电阻率的水泥水化度动态监测系统与方法 - Google Patents

基于电阻率的水泥水化度动态监测系统与方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及建筑材料检测技术领域，旨在提供一种基于电阻率的水泥水化度动态监测系统与方法。该系统包括非接触式电阻率仪、埋入式温度传感器与计算机，在计算机中内嵌了水泥水化度处理分析模块；计算机通过信号线连接至非接触式电阻率仪的交流电发生器，非接触式电阻率仪和埋入式温度传感器分别通过信号线接至计算机。本发明能够有效修正温度对电阻率的影响，考虑水泥基材料水化中的孔溶液电阻率变化、水化硅酸钙凝胶密度变化与饱和度变化，从而精确的预测水泥净浆的水化度，为全面描述并评价水泥基材料的特性提供依据。本发明操作简便，具有较高的精度。设备简单、成本低廉，便于实际工程中的使用和推广。

Description

基于电阻率的水泥水化度动态监测系统与方法
技术领域
本发明属于建筑材料检测技术领域，具体涉及一种基于电阻率的水泥水化度动态监测系统与方法。
背景技术
水泥基材料是现代建筑工程中最常用的建筑材料之一。水泥基材料是由水、胶凝材料与骨料(砂、石)组成的复合材料，其主要强度来源于凝胶材料的水化过程。水泥基材料的性能具有明显的时变性，随着水化过程的不断进行，水泥基材料的强度、弹性模量等力学性能与抗渗性、抗氯离子渗透性等耐久性都不断增长。水泥基材料的水化过程是一个复杂的物理化学变化，因此测量早龄期水泥基材料的特性，对预测其长期性能具有重要意义。
目前常用的水泥基材料水化度测量方法主要是化学结合水分析法与量热法。化学结合水分析法主要是通过测量不同龄期水泥水化产物中的化学结合水含量来计算水泥水化度。然而化学结合水分析法只能给出某几个时间点的水泥基材料水化度，而无法实现水泥水化度的动态监测。而且检测方法比较繁琐，制备样品与测量的过程中需要对样品做绝湿处理，否则测试过程中容易产生试验误差。而量热法是通过水泥水化过程中的累计放热量来计算水泥的水化度，量热法可以实现对水泥水化度的动态监测，是目前最常用也是普遍认可的水化度测量方法。但是量热法测量水泥水化度采用的专业检测仪器成本较高，而且水泥水化放热只能在给定的温度下进行检测。而在实际工程中，水泥基材料所处的温度条件非常复杂。因此量热法不能表征在变化或非标准温度条件下检测得到的水泥水化度，也存在一定的缺陷。
非接触式电阻率测量仪是定量研究水泥水化过程的常用试验方法之一，通过对电阻率的连续测量，从而表征水泥基材料在水化过程中的传输特性变化。但是，目前尚未有文献公开通过电阻率测量直接获取水泥水化度的检测方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提出一种基于电阻率的水泥水化度动态监测系统与方法。
为了解决上述技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种基于电阻率的水泥水化度动态监测系统，包括非接触式电阻率仪、埋入式温度传感器与计算机，在计算机中内嵌了水泥水化度处理分析模块；计算机通过信号线连接至非接触式电阻率仪的交流电发生器，非接触式电阻率仪和埋入式温度传感器分别通过信号线接至计算机。
本发明进一步提供了利用所述系统实现基于电阻率的水泥水化度动态监测方法，包括下述步骤：
(1)检测电阻率数据与温度
使用非接触式电阻率测量仪，对水化中的水泥净浆电阻率进行连续监测；使用埋入式温度传感器，对试件的实际温度进行连续监测；
(2)利用实测的试件温度对电阻率监测结果和水化反应时间进行修正
对电阻率监测结果的修正如公式(1)所示：
Figure BDA0001809035400000021
式中：
Figure BDA0001809035400000024
是参考温度Tref下的电阻率；ρT是实测温度T下的电阻率；Ea-cond是电导率活化能；R是气体常数，取8.31J/(K·mol)；T是试件温度；参考温度Tref取值为20℃；
对水化反应时间的修正如公式(2)所示：
Figure BDA0001809035400000022
式中：teq是等效反应时间；t是实际反应时间；Ea-hyd是水化反应活化能；T(t)是t时刻的试件温度；
(3)水化度的计算
A、计算孔溶液电阻率
孔溶液电阻率由水化度和电阻率的线性方程公式(3)表示，其中水化度作为待求参数暂不求解；
Figure BDA0001809035400000023
式中：ρcpor是孔溶液电阻率；α是水化度；w/c是水灰比；
B、计算毛细孔溶液体积分数
将水泥净浆电阻率和孔溶液电阻率带入公式(4)，计算毛细孔溶液体积分数；
Figure BDA0001809035400000031
式中：
Figure BDA0001809035400000032
是毛细孔溶液体积分数；ρcpor是孔溶液电阻率；ρ是水泥净浆电阻率；M是放大因子；φc是渗透阈值；m是临界指数；
C、计算水化度
将毛细孔溶液体积分数带入公式(5)，求解水化度；
Figure BDA0001809035400000033
式中：αI-II是水化阶段I转变为水化阶段II的临界水化度；αII-III是水化阶段II转变为水化阶段III的临界水化度；αI-II和αII-III分别使用公式(6)计算；
αI-II＝0.170w/c,αII-III＝2.022w/c (6)。
本发明中，对于水灰比为0.35的水泥净浆，放大因子M的取值范围260.7～263.6，对于水灰比为0.45的水泥净浆，放大因子M的取值范围173.1～175.4。对于其他水灰比的水泥净浆，可以采用简单的线性插值的方法计算。
本发明中，对于水灰比为0.35的水泥净浆，临界指数m取为2.18，对于水灰比为0.45的水泥净浆，临界指数m取为2.00(若无其他数据来源，临界指数m建议取理论值2.0)。
对于水泥净浆，渗透阈值φc一般取0.18。
发明原理描述：
本发明中，水泥水化度处理分析系统是安装于计算机上的软件功能模块，通过温度数据对水泥电阻率数据进行修正，基于水泥微观结构理论对修正后的水泥电阻率数据进行处理分析，计算水泥水化度。
本发明中基于电阻率的水泥水化度动态监测方法，包括电阻率数据采集与存储、电阻率数据修正和电阻率数据处理的标准流程，其主要的计算过程是基于水泥基材料的电阻率，计算毛细孔溶液体积分数，从而计算水化度。水泥水化度动态监测系统对水泥净浆的电阻率及内部温度进行动态监测、采集和存储；电阻率数据修正包括通过温度对电阻率数据的修正，以及基于温度对水泥水化过程影响的修正；水化度的计算方法是考虑水泥基材料水化中的孔溶液电阻率变化、水化硅酸钙凝胶密度变化与饱和度变化，基于水泥净浆微观结构模型预测的水泥水化度，定量描述电阻率、毛细孔溶液体积分数与水化度之间的关系。
本发明利用实测的试件温度对电阻率测量结果以及水化反应时间的修正，进一步提高了非接触式电阻率测量仪的精度。在预测水化度的过程中，考虑了在水化过程中，水泥基材料内部的孔溶液电阻率变化、水化硅酸钙凝胶密度变化与饱和度变化。因此，本方法可以基于电阻率曲线精确的预测水化度曲线，拓展了非接触式电阻率测量仪的应用范围，使之成为量热法的一种替代方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明提供了完整的电阻率数据采集、修正和处理的硬件与标准流程，能够有效修正温度对电阻率的影响，能够考虑水泥基材料水化中的孔溶液电阻率变化、水化硅酸钙凝胶密度变化与饱和度变化，从而精确的预测水泥净浆的水化度，为全面描述并评价水泥基材料的特性提供依据。
(2)与目前普遍采用的水泥水化度检测方法相比，本发明提出的水泥水化度监测方法不限制监测过程中的温度环境，同时可以实现对水泥水化过程的动态监测，操作简便，具有较高的精度。
(3)与传统的量热法相比，本发明的设备简单、成本低廉，便于实际工程中的使用和推广。
附图说明
图1非接触式电阻率测量仪与温度测量系统示意图；
图2基于电阻率计算水化度流程图；
图3不同环境温度下的试件温度；
图4修正前和修正后的电阻率曲线；
图5电阻率与水化度的预测曲线和实测数据点。
图中附图标记为：1交流电发生器；2变压器；3次级线圈；4试件；5温度传感器。
具体实施方式
本发明提供了一套完整的电阻率数据采集、修正和处理的标准流程，包括电阻率和温度数据采集、电阻率的温度修正与水化度的计算；具体包括以下步骤：
(1)检测电阻率数据与温度
使用非接触式电阻率测量仪，对水化中的水泥净浆电阻率进行连续监测；使用埋入式温度传感器，对试件的实际温度进行连续监测；
(2)利用实测的试件温度对电阻率监测结果和水化反应时间进行修正
对电阻率监测结果的修正如公式(1)所示：
Figure BDA0001809035400000051
式中：
Figure BDA0001809035400000055
是参考温度Tref下的电阻率；ρT是实测温度T下的电阻率；Ea-cond是电导率活化能；R是气体常数，取8.31J/(K·mol)；T是试件温度；参考温度Tref取值为20℃；
对水化反应时间的修正如公式(2)所示：
Figure BDA0001809035400000052
式中：teq是等效反应时间；t是实际反应时间；Ea-hyd是水化反应活化能；T(t)是t时刻的试件温度；
(3)水化度的计算
A、计算孔溶液电阻率
孔溶液电阻率由水化度和电阻率的线性方程公式(3)表示，其中水化度作为待求参数暂不求解；
Figure BDA0001809035400000053
式中：ρcpor是孔溶液电阻率；α是水化度；w/c是水灰比；
B、计算毛细孔溶液体积分数
将水泥净浆电阻率和孔溶液电阻率带入公式(4)，计算毛细孔溶液体积分数；
Figure BDA0001809035400000054
式中：
Figure BDA0001809035400000061
是毛细孔溶液体积分数；ρcpor是孔溶液电阻率；ρ是水泥净浆电阻率；M是放大因子；φc是渗透阈值，一般取0.18；m是临界指数；
C、计算水化度
将毛细孔溶液体积分数带入公式(5)，求解水化度；
Figure BDA0001809035400000062
式中：αI-II是水化阶段I转变为水化阶段II的临界水化度；αII-III是水化阶段II转变为水化阶段III的临界水化度；αI-II和αII-III分别使用公式(6)计算；
αI-II＝0.170w/c,αII-III＝2.022w/c (6)。
实施案例：
普通硅酸盐水泥是最为常用的建筑材料之一，测量水泥净浆在水化过程中的水化度和电阻率发展，对表征其早期工作性能和后期力学性能具有重要意义。利用本发明测量水泥净浆在水化过程中的电阻率变化，并基于电阻率预测水化度发展。
水泥净浆的水灰比为0.35和0.45，分别标记为P35和P45。水泥采用普通硅酸盐水泥，强度等级为52.5，水泥的矿物组分为：硅酸三钙占65.78％，硅酸二钙占7.75％，铝酸四钙占6.94％，铁铝酸四钙占8.64％，石膏占6.99％。水为去离子水，以避免引入额外的离子。
水泥净浆的电阻率采用CCR-II型非接触式电阻率测定仪测量。该仪器采用了变压器原理，如图1所示，交流电发生器产生的交流电压作用于变压器时，会在水泥净浆试件中产生一个环形电压，从而产生环形电流。次级线圈可以测量环形电流的大小，然后后利用欧姆定律计算试件的电阻率。非接触式电阻率测定仪测量避免了极化效应和接触问题带来的系统误差，提高了电阻率测量的精度。
将去离子水和水泥投入水泥净浆搅拌器，并充分搅拌，以保证水泥净浆的均匀性。搅拌制度为缓慢搅拌120秒，暂停5秒，快速搅拌120秒。记录水与水泥接触的时间，最为水泥水化开始的初始时间。然后将制备的水泥净浆立刻导入专用的环形模具中，并轻拍模具排除气泡，而后加盖密封以防止样品中的水分蒸发。同时在水泥净浆试件内部布置2个温度传感器，以便准确测量水泥净浆的内部温度；在模具周围布置2个温度传感器，以便测量环境温度。然后，同时启动电阻率测试系统和温度测试系统开始测量，每隔1min记录1次，连续测量72h。测试完成后，用电子游标卡尺测量样品的高度，通过软件对电阻率进行修正。试验过程中，对于P35试件，环境温度控制在(18±1)℃，对于P45试件，环境温度分别控制在(18±1)、(23±1)和(28±1)℃。
通过图2所示的流程，对电阻率数据进行修正和分析。虽然在试验过程中环境温度保持恒定，但是由于水化热的影响，在水泥水化最初的6-12h内，试件温度存在一个明显的温度峰值，峰值大小和出现试件与环境温度有关，如图3所示。在不同环境温度下，相同水灰比的水泥净浆试件的电阻率曲线也明显不同，如图4所示。为消除温度的影响，使用实测的试件温度对电阻率进行修正。温度修正包括两个步骤：首先修正温度对电学测量的影响，在修正过程中，电导率活化能Ea-cond取为23.4kJ/mol；然后修正温度对水化过程的影响，在修正过程中，水化反应活化能Ea-hyd取为40.5kJ/mol。在温度修正后，不同环境温度下测量的电阻率曲线互相符合，如图4所示。
使用修正后的电阻率，对水泥净浆的电阻率进行预测，主要步骤包括：根据水泥的碱含量和水灰比计算孔溶液电阻率；根据电阻率和孔溶液电阻率，计算毛细孔溶液体积分数，在计算过程中，渗透阈值φc取为0.18，对于P35，放大因子M取为262.1，临界指数m取为2.18，对于P45，放大因子M取为174.2，临界指数m取为2.00；根据毛细孔溶液体积分数，计算水泥净浆的水化度。为了验证预测值的准确性，使用TA工业生产的TAM Air 08型等温量热仪测量水泥净浆的水化度。根据电阻率计算的预测水化度与实测水化度如图5所示，两者高度一致，说明了基于电阻率预测水化度方法的有效性和精确性。

Claims (4)

1.一种基于电阻率的水泥水化度动态监测方法，其特征在于，所述方法是基于电阻率的水泥水化度动态监测系统而实现的；该系统包括非接触式电阻率测量仪、埋入式温度传感器与计算机，在计算机中内嵌了水泥水化度处理分析模块；计算机通过信号线连接至非接触式电阻率测量仪的交流电发生器，非接触式电阻率测量仪和埋入式温度传感器分别通过信号线接至计算机；
所述水泥水化度动态监测方法具体包括下述步骤：
(1)检测电阻率数据与温度
使用非接触式电阻率测量仪，对水化中的水泥净浆电阻率进行连续监测；使用埋入式温度传感器，对试件的实际温度进行连续监测；
(2)利用实测的试件温度对电阻率监测结果和水化反应时间进行修正
对电阻率监测结果的修正如公式(1)所示：
Figure FDA0002379024310000011
式中：
Figure FDA0002379024310000012
是参考温度Tref下的电阻率；ρT是实测温度T下的电阻率；Ea-cond是电导率活化能；R是气体常数，取8.31J/(K·mol)；T是试件温度；参考温度Tref取值为20℃；
对水化反应时间的修正如公式(2)所示：
Figure FDA0002379024310000013
式中：teq是等效反应时间；t是实际反应时间；Ea-hyd是水化反应活化能；T(t)是t时刻的试件温度；
(3)水化度的计算
A、计算孔溶液电阻率
孔溶液电阻率由水化度和电阻率的线性方程公式(3)表示，其中水化度作为待求参数暂不求解；
Figure FDA0002379024310000014
式中：ρcpor是孔溶液电阻率；α是水化度；w/c是水灰比；
B、计算毛细孔溶液体积分数
将水泥净浆电阻率和孔溶液电阻率带入公式(4)，计算毛细孔溶液体积分数；
Figure FDA0002379024310000021
式中：
Figure FDA0002379024310000022
是毛细孔溶液体积分数；ρcpor是孔溶液电阻率；ρ是水泥净浆电阻率；M是放大因子；φc是渗透阈值；m是临界指数；
C、计算水化度
将毛细孔溶液体积分数带入公式(5)，求解水化度；
Figure FDA0002379024310000023
式中：αI-II是水化阶段I转变为水化阶段II的临界水化度；αII-III是水化阶段II转变为水化阶段III的临界水化度；αI-II和αII-III分别使用公式(6)计算；
αI-II＝0.170w/c，αII-III＝2.022w/c (6)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于水灰比为0.35的水泥净浆，放大因子M的取值范围260.7～263.6；对于水灰比为0.45的水泥净浆，放大因子M的取值范围173.1～175.4；对于其他水灰比的水泥净浆，通过线性插值方法计算获得。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于水灰比为0.35的水泥净浆，临界指数m取为2.18，对于水灰比为0.45的水泥净浆，临界指数m取值为2.00。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于水泥净浆，渗透阈值φc取值为0.18。
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