超高性能混凝土交流阻抗谱的测量、解析和应用

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交流阻抗谱(ACIS)作为一种电化学技术主要用于表征材料的电化学特性,从材料的电化学特性与微观结构的关系来了解材料的性能。由于阻抗测试的非破损性,从上世纪80年代被用于水泥基材料测试以来得到了广泛的发展。本文研究了交流阻抗谱测试过程中的杂散阻抗校正方法,验证了超高性能混凝土交流阻抗谱的等效电路并用其分析了超高性能混凝土阻抗参数的变化。基于交流阻抗谱测试时杂散阻抗的校正过程中导线及夹具等的放置位置,提出了一种杂散阻抗的参考校正方法。结果表明,在15MHz的测试范围内,与不进行杂散阻抗校正相比,养护3d和210d的超高性能混凝土试件阻抗谱拟合参数误差分别可以达到69.61%和75.58%,与传统的阻抗校正方法相比,拟合参数最大误差分别可以达到50%和10.58%,而参考校正方法中的接触阻抗和导线位置对校正结果影响很小,可以忽略。因此提出的参考校正方法可以很好地消除杂散阻抗的影响,为交流阻抗数据分析提供保证。分别改变水泥基材料中基体组份石英砂细度和掺量,阻抗谱会出现两个圆弧,表明石英砂细度、掺量和水化龄期均可改变基体微观结构,从而使基体和孔结构的阻抗响应发生分离。这说明砂浆试件本身是基体和孔结构两个基体特征,而R(RC)电路只能反应一个界面,因此R(RC)电路不能被用于水泥基材料的阻抗分析中。将水胶比为0.15、0.30和0.45的水泥浆体试件分别浸泡在乙醇和自来水中,也会出现两个圆弧,表明改变孔结构中孔溶液组成也可以促进基体和孔结构的阻抗响应发生分离。分别用(R1C1)(R2C2)和(R1C1(R2C2))电路对浸泡在乙醇中的w/c=0.45的水泥浆体试件阻抗谱进行拟合,结果表明,用(R1C1)(R2C2)电路拟合得到的表征基体电阻的R2值小于表征孔电阻的R1值,与混凝土微观结构特征不相符,而(R1C1(R2C2))得到的拟合参数与混凝土微观结构符合良好,可用于超高性能混凝土阻抗谱的分析。测试了超高性能混凝土的交流阻抗谱,并应用验证的(RC(RC))等效电路对超高性能混凝土的阻抗谱进行了解析。结果表明,随着钢纤维掺量的增加,基体电阻R1和非连通孔电阻值R2逐渐减小,相对于不掺加纤维试件,掺加纤维后试件R1和R2均明显减小。随着养护龄期增长,无论钢纤维掺量多少,混凝土基体电阻R1均先增大后减小,且在56d时达到最大。基体电阻R1在水化3-56d的变化符合良好的线性增大关系。且随着纤维掺量的增加,拟合曲线的斜率呈指数减小。除了掺加2%纤维的混凝土试件R2值一直增大外,其余试件R2值与R1值变化规律相同。不同纤维掺量混凝土试件非连通孔电阻R2值在水化3-56d内随龄期有线性增大关系。且随着纤维掺量增加,基体非连通孔电阻的增大速率呈指数减小。在水化3d、7d、14d和28d的不同纤维掺量的混凝土试件抗压强度均随着试件基体中非连通孔电阻R2值的增大呈对数关系减小。随着纤维掺量增加,超高性能混凝土基体常相角元件CPE1(Constant Phase Element)值和非连通孔常相角元件CPE2逐渐增大。在水化3-14d和14-91d的不同纤维掺量混凝土试件基体CPE1值随龄期变化分别符合良好的线性减小和幂函数减小关系。基体非连通孔CPE2值随龄期变化也符合良好的线性增长关系,CPE2值的增加速率与纤维掺量也符合良好的指数增大关系。分别掺加不同形状和长度的钢纤维超高性能混凝土试件的阻抗参数随纤维掺量和龄期变化基本相同。当钢纤维掺量大于1%时,掺加端勾型钢纤维混凝土试件R1值大于掺加波浪型钢纤维混凝土试件,且随着纤维掺量的增加,增大幅度也逐渐增大。分别掺加两种纤维类型的超高性能混凝土试件R2值随纤维掺量变化不大。对于掺加不同长度钢纤维的混凝土试件基体电阻R1,随着纤维掺量的增加,基体电阻R1逐渐减小,但是掺加短纤维混凝土试件R1值大于掺加长纤维混凝土试件R1值。非连通孔电阻R2值也逐渐减小,且在纤维掺量在1%和3%时,非连通孔电阻R2基本不变,而在纤维掺量为2%时,掺加短纤维混凝土试件基体非连通孔电阻R2大于掺加长纤维混凝土试件。
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