水灰比對水泥漿液電阻率的影響試驗研究

王賀 馬巖 秦浩

(同濟大學地下建筑與工程系，上海 200092)

1 概況

目前注漿使用的漿液很大程度上是非可控注漿［1］。注漿的實際情況和漿液的充填情況難以判斷。基于水泥漿液的導電性能，可以通過對不同水灰比漿液的電阻率進行測試，從而實現對漿液流動和充填情況的探測。近年來，有部分學者開展過水泥漿液電阻率的研究，如曾曉輝、隋同波等進行了水泥水化放熱與電阻率變化之間關系的研究［2-4］;魏小勝、肖蓮珍等人對水泥水化過程電阻率變化進行過分析研究［5，6］，通過實驗得出水泥水化放熱的過程中水泥漿液電阻率會發生變化，但是沒有研究水灰比是否會影響漿液電阻率變化。Rajabipour開展過干燥水泥漿液水化與電阻率的關系研究［7］，廖宜順開展過快硬早強型水泥的水化特性與電阻率的關系研究［8］，廖宜順、魏小勝開展過電阻率與化學收縮和水泥基材料的關系的研究［9，10］等，他們的研究也只表明了可以通過電阻率來監測水化過程中漿液的一些性質。目前的文獻表明，還未見水泥漿液的水灰比與其導電性能的關系研究。

針對目前注漿過程監測的難點，本文通過測定不同水灰比漿液的電阻率，獲得漿液電阻率與水灰比之間的關系，從而為注漿效果的監測提供依據。

2 實驗設計及過程

1)實驗儀器及材料。實驗所用儀器主要有電子萬用表、指針式萬用表、學生電源、自制銅片電極、水泥容器(主要用來固定電極并消除實驗誤差)、燒杯、電子秤。實驗所用的水泥為普通硅酸鹽水泥。2)實驗參數。本次實驗主要測試不同水灰比水泥漿液的電阻率，測試用水泥漿液的水灰比如表1所示，每個水灰比分別測試3次，取其平均值作為該水灰比水泥漿液的電阻率。其中測量時，所用電壓為6 V。3)實驗過程。a.連接好測試電路，并將測試電極固定到測試容器中;b.根據測試水泥漿液容器的體積，分別計算出表1中各水灰比所需的水泥質量和水的體積;c.按水灰比所需要的水泥質量和水的體積，用電子秤稱取相應量的水泥，并將秤取好的水泥放入攪拌器皿;用量杯量取相應的水的體積;d.將量取好的水慢慢加入攪拌器皿，攪拌2 min左右至均勻(時間過久水泥水化放熱會影響漿液電阻率［2，3］);然后將攪拌好的水泥漿液倒入測試容器;e.立即開啟測試電源，待讀數穩定后讀取并記錄水泥漿液的水灰比值;數據讀完后，關閉電源，將漿液移出，并清洗測試電極;f.對相同水灰比的水泥漿液，重復測試3次電阻率;g.重復c.～f.，完成所有水灰比水泥漿液電阻率的測試。

3 實驗結果及分析

3.1 水泥漿液水灰比與電阻率的關系

圖1為水泥漿液水灰比與電阻率的關系。圖1a)表明，相同水灰比時，重復試驗獲取的水泥漿液電阻率穩定性較好，3次測試的電阻率較為接近。圖1b)表明，當水灰比小于1.5時，水泥漿液的電阻率隨著水灰比的增加呈非線性減小，當水灰比達到1.5時，電阻率降低到極小值。當水灰比大于1.5時，隨著水灰比的增大，水泥漿液的電阻率略有增加。

表1 水泥漿液的水灰比

圖1 水灰比與電阻率的關系

圖2表明，水泥漿液的電阻率僅為純水電阻率的8%～11%，說明水泥漿液的導電性能大大高于純水的導電性能，說明利用水泥漿的電阻率指標，容易區分出純水與水泥漿液，利用水泥漿液的電阻率特性，可為水泥漿液在地下的分布監測提供依據。

圖2 水泥漿液導電與純水導電能力的關系

3.2 電阻率隨水泥漿液水灰比變化機理分析

理論上來講，水泥漿液的導電能力應隨著水泥漿液中導能離子濃度的增大而增加，即隨著水灰比減小，漿液電離出的導能離子數增多，水泥漿液的導電能力會增大。即水灰比減小，導電能力增加。然而實驗數據表明，水泥漿液的導電能力并非僅由水泥漿液中的離子來決定，水泥漿液中未溶解的固體顆粒物濃度對水泥漿液的導電能力也有一定的影響。

當水灰比大于1.5時，未溶解的固體顆粒物濃度較小時，不足以影響漿液中導電粒子的移動，漿液導電能力隨水灰比減小，導電能力增強;當水灰比為1～1.5的時候，未溶解的固體顆粒物的濃度對漿液中導電粒子移動影響最小，漿液的電阻率達到極小值，此時導電性能最好;當水灰比小于1.5時，隨著水灰比減小，增多的未溶解的固體顆粒物質濃度足以影響漿液中導電粒子的移動，因此，表現出隨著水灰比減小，導電能力反而降低。

4 結語

1)當水灰比小于1.5時，水泥漿液的電阻率隨著水灰比的增加呈非線性減小，當水灰比達到1.5時，電阻率降低到極小值。當水灰比大于1.5時，隨著水灰比的增大，水泥漿液的電阻率略有增加。2)水泥漿液中未溶解的固體顆粒物濃度對水泥漿液的導電能力也有一定的影響。3)水泥漿液的電阻率僅為純水電阻率的8%～11%，水泥漿液的導電性能大大高于純水的導電性能，利用水泥漿液的電阻率特性，可為水泥漿液在地下的分布監測提供依據。

［1］ 鄭玉輝.裂隙巖體注漿漿體與注漿控制方法的研究［D］.長春:吉林大學，2006.

［2］ 曾曉輝，隋同波，李宗津.水泥水化放熱與電阻率變化［J］.硅酸鹽學報，2009，37(4):601-604.

［3］ 隋同波，曾曉輝，謝友均，等.電阻率法研究水泥早期行為［J］.硅酸鹽學報，2008，36(4):431-435.

［4］ 曾曉輝，隋同波，謝友均，等.電阻率法研究減水劑與水泥的作用［J］.硅酸鹽學報，2008，36(10):1390-1395.

［5］ 魏小勝，肖蓮珍，李宗津.采用電阻率法研究水泥水化過程［J］.硅酸鹽學報，2004，32(1):34-38.

［6］ X.S.Wei，L.Z Xiao，Z.J.Li.Electrical measurement to assess hydration process and the porosity formation.Journal of Wuhan University.2008.

［7］ Farshad Rajabipour，Jason Weiss.Electrical conductivity of drying cement paste.Material and Structeres，2007(40):1143-1160.

［8］ 廖宜順.快硬早強型水泥的水化特性與電阻率研究［D］.武漢:華中科技大學，2009.

［9］ 廖宜順，魏小勝.早齡期水泥漿體的化學收縮與電阻率研究［J］.華中科技大學學報，2012，40(8):29-33.

［10］ 魏小勝，廖宜順，李國衛.電阻率法在水泥基材料研究中的應用進展［J］.科技導報，2009，27(10):92-97.