ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
532.546:628.1.03
Методы и эффективность диэлектрических измерений водонасыщенных систем
О. М. РОЗЕНТАЛЬ*, Ю. Г. ПОДКИН**
* Институт водных проблем РАН, Москва, Россия, e-mail: orosental@rambler.ru ** Сарапульский политехнический институт, Сарапул, Россия, e-mail: podkin2010@mail.ru
Исследованы особенности использования техники диэлектрических измерений водно-минеральных систем, широко используемых в качестве несущих опор в гражданском и промышленном строительстве. Показано, что в новосформированном состоянии эти системы характеризуются повышенной мегагерцовой диэлектрической проницаемостью, значения которой стабилизируются только при проявлении исследуемыми образцами свойства тиксотропии.
Ключевые слова: водонасыщенная система, дисперсия, микроосциллятор, тиксотропия, мегагерцовая диэлектрическая проницаемость.
The features of using the technique of dielectric measurements of water-mineral systems widely used as pillars in civil and industrial construction have been studied. It is shown that in newly formed state these systems are characterized by elevated MHz inductive capacity which value is stabilized only when analyzed specimen demonstrate the thixotropic properties.
Key words: water-saturated system, variance, microscillator, thixotropy, MHz inductive capacity.
Прочность многих минеральных природных и техногенных водонасыщенных систем, грунтов и осадочных пород играет определяющую роль для хозяйственного освоения территорий, строительства и оценки последствий стихийных событий. Недостаточный запас устойчивости плотин и дамб в полной мере проявился при наводнениях на Амуре в 2013 г. и в Крымске в 2012 г. [1]. Последствия подобных событий — усадка сооружений, оползнеобразование береговой зоны и т. д. — были бы не столь катастрофичны, если бы своевременно была проведена оценка прочностных характеристик материалов (грунтов), образующих береговые склоны, берегозащитных и других гидротехнических сооружений [2, 3]. Поэтому актуальны поиск простых и надежных методов контроля механических свойств водно-минеральных систем и прогноз их устойчивости. Насыщенность рассматриваемых систем водой и продуктами ее гидратации, активно участвующими в коллоидно-химических процессах синтеза прочности, позволит использовать радиочастотные диэлектрические измерения, ранее показавшие свою эффективность при контроле процессов смешения водных растворов [4].
Специфика задачи контроля и прогноза прочности природных или техногенных объектов водно-минерального состава связана с тем, что они, имея однотипный генезис, по-разному реагируют на внешние механические нагрузки. Одни — системы истинного затвердения — раскалываются (рассыпаются) на твердые части, а другие — системы ложного затвердения — испытывают тиксотропное превращение, т. е. переходят в пластичное или жидкотекучее состояние [2, 5, 6]. Тиксотропия вызывает проседание грунтов, обрушение берегов и оползнеобразование в зонах, подверженных механическим воздействиям, создаваемым строительными работами, гидроэлектростанциями, автотранспортом и т. д. Своевременное обнаружение тиксотропных грунтов и, как следствие, отказ от возведения на них сооружений — едва ли не важнейшая задача многих инженерно-геологи-
ческих изысканий, для решения которой была испытана описанная в [7] техника и методика диэлектрических измерений.
Взаимосвязь диэлектрических и прочностных свойств тел можно проследить на модельных системах «кварцевый песок—вода» с добавками связующего материала. В качестве добавок использовали Р-полуводный гипс (для получения системы истинного затвердения) или монтмориллонит (для получения системы ложного или тиксотропного затвердения). Обнаружено, что у систем истинного затвердения ме-гагерцовая диэлектрическая проницаемость е, измеренная на частоте внешнего электрического поля 10 МГц, понижена, а прочность Ясж повышена по сравнению с теми же показателями у систем ложного затвердения. Достоверность этого вывода характеризуется отклонениями от среднего единичных результатов, которые для диэлектрических измерений не превышают ± 15 %, а для механических ± 25 %.
Найденная корреляция диэлектрических и прочностных свойств систем истинного и ложного затвердения подтверждает предположение о перспективности техники измерений для неразрушающего контроля механических свойств рассматриваемых объектов [7]. Задача осложняется тем, что прочностные характеристики многих природных и техногенных водонасыщенных систем непостоянны. Например, но-восформированные смеси, получаемые добавлением воды в размолотый клинкерный минерал, начинают набирать прочность в результате протекающих в жидких прослойках процессов структурообразования, связывающих частицы дисперсной фазы в монолит [6, 8]. Поэтому важно исследовать кинетику контролируемых механических и диэлектрических показателей систем истинного и ложного затвердения с момента их образования до завершения процессов набора прочности.
Результаты исследований одной из типичных систем ложного затвердения во времени приведены на рис. 1. Свежеприготовленный образец из порошка клинкерного минера-
ла и воды на первых минутах гидратации характеризуется интенсивным нарастанием диэлектрической проницаемости е (?) и преимущественным ростом удельной электропроводности о(?), естественно отражающим насыщение водной матрицы электролитом. Далее контролируемые показатели стабилизируются, хотя со временем возможны также процессы так называемого старения [6]. Например, затвердение монолитного образца на основе водонасыщенного клинкерного минерала состава 4Са0А120^е203 через 5 или более суток могло возобновиться; величины е, о при этом уменьшались.
Интересны результаты исследований механических и диэлектрических свойств систем ложного затвердения при проявлении ими тиксотропных свойств. Новосформирован-ную водонасыщенную суспензию формовали в стандартные кубики с ребром 4 см. После затвердения тел их сжимали, вследствие чего они разжижались (приобретали пастообразные свойства). Затем продавливали через сито с отверстиями диаметром 63 мкм. Циклы затвердения—разжижения повторяли неоднократно с одновременным измерением контролируемых показателей е(?), о(?). Оказалось, что в первых циклах при разжижении мегагерцовая диэлектрическая проницаемость скачком снижается, а удельная проводимость возрастает. При многократном повторении циклов затвердение—разжижение е понижается, а о повышается, что указывает на постепенное подавление тиксотропных свойств. После виброобработки длительностью 5 и более минут затвердевших образцов в конце срока их схватывания (20 мин.) е на частоте f < 20 МГц снижается почти до своего высокочастотного значения. При этом проводимость достигает максимума и далее снижается так же, как и для нетик-сотропных систем истинного затвердения. Рост прочности после такой обработки ускоряется.
Дальнейшие исследования показали, что у систем истинного затвердения е также повышается, но обратимо, и только в свежеприготовленных образцах, как правило, до начала процесса синтеза прочности. Таковы, например, результаты исследования кинетики формирования диэлектрических свойств системы на основе в-полуводного гипса, приведенные на рис. 2, где отчетливо выражена экстремальная зависимость е(?). Эффект проявляется на частотах ниже 100 МГц и возрастает в 2—4 раза при уменьшении частоты от 20 до 5 МГц. При этом период структурообразования (между моментами начала и окончания процесса нарастания прочности) предшествует спаду е (?).
Универсальность описанных процессов изменения диэлектрических свойств подтверждается исследованиями, выполненными для широкого спектра водонасыщенных минеральных систем затвердения. Оказалось, например, что кинетика контролируемых показателей ложно твердеющих образцов на основе молотых клинкерных минералов состава (Са0)^е203, (Са0)8(А1203)^е203 и (Са0)3А1203 удовлетворительно описывается зависимостями, представленными на рис. 1. При этом необходимо изменить масштаб на нем для каждого приведенного минерала, соответственно: по оси времени — в 2,0; 1,8; 0,6 раза, по е — в 1,1; 1,7; 2,0 раза, по о — в 0,8; 0,8; 0,7 раза. Аналогично в случае систем истинного затвердения из минералов (Са0)5(А1203)3 и Са0А1203 масштаб на рис. 2 по ? следует уменьшить в 2,5 и 1,3 раза, по е — в 1,0 и 0,9 раза, по о — в 2,5 и 2,8 раза, соответственно.
Полученные экспериментальные данные указывают на существование единых закономерностей синтеза прочнос-
е /?сж, МПа ст, См/м
4 о- о- "гГ ■о- —о
< 3 ■ $ ■ к" у? ■ * ♦ + • А* ♦ \\ тт 1 •• '+2 И *д
со *< О
1 10 100 мин
Рис. 1. Изменение во времени диэлектрических и механических характеристик образцов пасты из клинкерного минерала состава 4Са0А12 • OзFe2Oз при жидкотвердом массовом отношении 0,35: 1—4 — диэлектрическая проницаемость е на частотах 100; 20; 10; 5 МГц; 5 — удельная электропроводность о на частоте 10 МГц; 6 — прочность на сжатие Rсж
е ст, См/м /?с)к, МПа
1 10 100 1000
г, мин
Рис. 2. Кинетические характеристики системы в-полуводный гипс (CaSO4 • 0,5Н20) — вода при жидкотвердом отношении 0,35 в дисперсной системе: 1 — 4 — е на частотах 100; 20; 10; 5 МГц, соответственно; 5 — о в том же диапазоне частот; 6 — Rсж
ти водонасыщенных минеральных систем. В частности, во всех исследованных новосформированных системах наблюдается первоначальное повышение радиочастотной диэлектрической проницаемости, что указывает на повышенную поляризуемость новосформированных дисперсных структур, формирующихся в результате протекающих здесь процессов выщелачивания, гидратации, гидролиза, полимеризации гидроксокомплексов металлов. Все эти процессы отличаются высоким разнообразием и в своей совокупности мало изучены [6, 8], однако для поставленной в работе практической цели контроля и прогноза прочности природных и техногенных водно-минеральных систем достаточно ограничиться феноменологической моделью. Для этого рассмотрим е как результат возникновения в системе электрических микросекундных осцилляторов, также обнаруженных в нестационарных гомогенных водных растворах электролита [
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.