示蹤劑種類及摻量對水泥土混合漿液的電學行為影響研究

周建平,韓順波

(中國水利水電第七工程局有限公司,四川成都 610213)

在水泥土攪拌樁[1-6]中，水泥加入土中拌合后，漿體內會發生一系列物化變化，致使漿液不斷水化、凝結以至硬化[7]。各國學者歷來重視從各個不同方面，采用不同方法研究水泥漿液的變化過程。然而對漿液的電學行為研究較少。

介電常數又叫介質常數、介電系數或者電容率，它是表示絕緣能力特性的一個系數，是材料的特有屬性。鑒于此電學特性，現有很多儀器可快速、準確地測量材料的介電常數，為攪拌樁中水泥含量的快速測量提供了可能性。常見的材料的介電常數如表1所示。

表1 常見物質的介電常數

通過表1可以看出，空氣的相對介電常數是1，為最小。而水的相對介電常數高達80。在土體濕化過程中，它的介電常數會發生顯著增加，如飽和砂的介電常數遠遠大于干砂。對于水泥攪拌樁，水泥漿液被泵送到土體內部時，會增加土體中水的電解質濃度(如Al3+、Ca2+等)，增強水的導電性和介電常數。為了進一步增大水泥的介電常數，一種常見的方法是在水泥漿中加入電學示蹤劑，使加入水泥漿后的混合漿液的介電常數遠遠大于原土。通過測量新鮮水泥漿液的介電常數可準確獲取土體中的水泥含量，判斷攪拌樁水泥漿的均勻程度，便于管理攪拌樁的施工質量。

現有研究很少涉及水泥漿的電學示蹤劑的選取，其使用效果也不明確。本文通過在水泥土混合漿液中摻入鐵粉、碳粉和尾礦粉等不同電學示蹤劑，研究水泥漿介電常數變化規律，確定最佳示蹤劑種類，并通過研究最佳示蹤劑摻量對介電常數的影響，明確最佳示蹤劑的摻量，為水泥攪拌樁水泥含量的檢測做參考[8-9]。

1 水泥土的介電常數室內試驗

1.1 試驗設備及測量原理

試驗采用頻域反射型儀器[10](Frequency Domain Reflectometry，FDR)，其測量原理為：插入電子元件中的電極與電子元件(電子元件被當作電介質)之間形成電容，并與高頻震蕩器形成回路。通過傳輸探針產生高頻信號，傳輸探針的阻抗隨電子元件阻抗變化而變化。阻抗包括表觀介電常數和離子傳導率。應用掃頻技術，選用合適的電信號頻率使離子傳導率的影響最小，這樣，傳輸探針阻抗變化幾乎僅依賴于電子元件介電常數的變化。這些變化產生一個電壓駐波，電壓的差值對應于電子元件的表觀介電常數。

1.2 試驗材料

試驗中采用的水泥為普通硅酸鹽水泥，是由硅酸鹽水泥熟料、5 %～20 %的混合材料及適量石膏磨細制成的水硬性膠凝材料，具有強度高、水化熱大，抗凍性好、干縮小，耐磨性較好、抗碳化性較好、耐腐蝕性差、不耐高溫的特性。試驗所用土體為花崗巖殘積土，其主要成分是石英(20 %～30 %)、長石(60 %～70 %)、云母及角閃石(5 %～10 %)，主要物理力學特性如表2所示。

表2 試驗用花崗巖殘積土主要物理力學參數指標

1.3 試驗方案

首先研究不同體積含水率條件下水泥土混合漿液的介電常數變化規律。試驗制備了體積含水率為10 %、33 %、50 %、75 %、93 %的土樣各三組，每組分別施加測試頻率為1 MHz、100 MHz和1 000 MHz的外電壓。其次研究摻入鐵粉、碳粉和尾礦粉三種電學示蹤劑后的水泥土混合漿液的介電常數變化，以此確定最佳示蹤劑的種類，試驗中水泥土體積含水率均為10 %，外加電壓頻率為1 MHz，每種示蹤劑摻量為6 %。最后基于以上試驗，研究最佳示蹤劑的摻量對水泥土介電常數的影響，以此明確最佳示蹤劑的最佳摻量，試驗中水泥土體積含水率為10 %，外加電壓頻率為1 MHz，土樣的示蹤劑含量范圍為0～16 %。

2 介電常數變化規律分析

2.1 體積含水率對介電常數的影響

圖1給出了水泥土的介電常數隨著體積含水率的變化規律。從圖1可以看出，在1 MHz、100 MHz、1 000 MHz時，水泥土的介電常數幾乎與體積含水率的大小成正比，直線的截距為干燥水泥的介電常數。水泥土是一種多相的電介質，在各相中各種極化機理都會產生。當外電場通過水泥時，除了水泥中水化產物、水以及未反應的水泥顆粒等產生電子、離子和偶極子極化外，還可能激活載流子，如自由電子、離子、空位等運動。當載流子遇到電導率較低的其他相，如氣孔時，會減慢電荷通過材料的運動，導致電荷在界面上堆積，形成空間電荷。這種界面極化在宏觀上使介電常數增加。在低頻時，這種界面極化能跟上電場的改變，這是因為在低頻時，水泥土有較高的介電常數。當頻率升高時，電荷的位移滯后于電磁場方向的改變，使介電常數下降。在1～1 000 MHz頻段中，偶極子極化因頻率的升高而逐步減弱，介電常數隨頻率的上升而下降。圖中還可以發現：含水率增大時，介電常數也增大；低頻和高頻時的介電常數之差也較大。含水率為93 %的試樣，在1 MHz時介電常數為48.2；在1 000 MHz時，下降到10.2左右；而含水量為10 %的試樣，在100～1 000 MHz這樣寬廣的頻率范圍內，介電常數幾乎不變，分別為7.5和6.3。這說明潮濕水泥土的介電常數的變化主要來源于水分的作用，而水分對極化的貢獻主要在低頻段，這也側面說明水分主要生成一些較大的離子和離子團。

圖1 水泥土的體積含水量和介電常數的關系

2.2 示蹤劑種類對介電常數的影響

圖2給出了在加入不同示蹤劑條件下，水泥土的介電常數變化規律。當水泥土的體積含水率為10 %，測量過程中使用的頻率為1 MHz時，測得介電常數為12.4。當加入6 %示蹤劑后，混合物的介電常數明顯上升：鐵粉、碳粉和尾礦粉使得介電常數分別增加至38.1、37.4和40.2。可見，三種電學示蹤劑效果相近，電學示蹤劑的種類對水泥土介電常數的影響較小。因此在選擇時，更多的考慮經濟效益，三種示蹤劑中，尾礦粉的經濟性較好。

圖2 示蹤劑的介電常數影響

2.3 示蹤劑摻量對介電常數的影響

圖3給出了尾礦粉作為示蹤劑時的介電常數變化規律。可以看出，介電常數隨著尾礦粉摻量的增大而不斷增大，且呈非線性變化。當土樣中示蹤劑含量較低時(0 %～2 %)，混合物的介電常數在5～20之間變化。隨著示蹤劑摻量的進一步增加，介電常數增加速度明顯增強。當示蹤劑的摻量達到8 %～12 %時，混合物的介電常數范圍為45～55。隨后，示蹤劑摻量對介電常數的影響減弱，當示蹤劑的參量達到16 %時，混合物的介電常數約為50。考慮到示蹤劑對攪拌樁漿液的影響及示蹤效果，建議示蹤劑摻量的取值范圍為8 %～12 %。

圖3 示蹤劑含量和介電常數的關系

3 結論

本文通過對不同示蹤劑及摻量對水泥混合漿液的電學行為的影響研究，得到以下幾點結論：

(1)在1 MHz、100 MHz、1 000 MHz時，水泥土的介電常數幾乎與體積含水率的大小成正比。在1～1 000 MHz頻段中，偶極子極化因頻率的升高而逐步減弱，介電常數隨頻率的上升而下降。在100～1 000 MHz的頻率范圍內，介電常數幾乎不變，分別為7.5和6.3。可見潮濕水泥土的介電常數的變化主要來源于水分的作用，而水分對極化的貢獻主要在低頻段。為進一步研究水泥含量的電學法測試，測試頻率應考慮選擇較高的頻率范圍，如100～1 000 MHz。

(2)摻入鐵粉、碳粉和尾礦粉三種示蹤劑的水泥土，其介電常數由12.4分別增加至38.1、37.4和40.2。可見，三種電學示蹤劑效果相近，電學示蹤劑的種類對水泥介電常數的影響較小。

(3)水泥土的介電常數隨著示蹤劑摻量的增大不斷增大，且呈非線性變化。當示蹤劑的摻量達到8 %～12 %時，混合物的介電常數范圍為45～55。隨后，示蹤劑對介電常數的影響減弱。考慮到示蹤劑對攪拌樁漿液的影響及示蹤效果，建議示蹤劑的摻量取值范圍為8 %～12 %。