水泥基材料迎來無電極電阻率測(cè)試方法

“在研究中讓我印象最深刻的是儀器的設(shè)計(jì)原理、材料的選擇和模具選型。李文萊和李宗津老先生給了我們很大的幫助，提出了變壓器測(cè)量的原理，避免了電極測(cè)量帶來的缺點(diǎn)，并通過計(jì)算選擇合適的匝數(shù)及能承受高壓的電路板。此外，在模具選擇方面，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩個(gè)環(huán)型、截面為梯形的模具，以方便拆模。對(duì)于相關(guān)的模具，我們也給出了相應(yīng)的尺寸?！睖⑽谋硎?。

基于無電極電阻率（電阻抗）法的水泥基材料基礎(chǔ)理論研究榮獲2020年度中國(guó)建筑材料聯(lián)合會(huì)·中國(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì)建筑材料科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)基礎(chǔ)研究類二等獎(jiǎng)。該項(xiàng)目由李宗津博士、湯盛文博士等多位業(yè)內(nèi)專家共同研究推進(jìn)。

基礎(chǔ)研究意義重大

水泥基材料是世界上使用量最大的建筑材料，具有原材料來源豐富、可塑性好、強(qiáng)度高和耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各類土木建筑工程。2019年，我國(guó)水泥產(chǎn)量達(dá)到23.5億噸，預(yù)拌混凝土產(chǎn)量高達(dá)25.5億立方米，約61.2億噸，均居全球之首，其重要性無可替代。水泥基材料的研究受到了國(guó)家科技管理部門的高度重視并有力地推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展。

近20年來，無電極電阻率（電阻抗）測(cè)定儀在國(guó)內(nèi)外得到了大量推廣應(yīng)用，全球已有包括清華大學(xué)、中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院有限公司和加拿大麥吉爾大學(xué)等80余家國(guó)內(nèi)外著名高校和重要企業(yè)配備了該測(cè)定儀，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

據(jù)了解，基于無電極電阻率（電阻抗）法的水泥基材料基礎(chǔ)理論研究屬于水泥基材料研究領(lǐng)域。水泥基材料是世界上使用最為廣泛的人工材料，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到重要的推動(dòng)作用。水泥基材料的早期水化特性對(duì)其后期力學(xué)性能和耐久性具有重要影響，因此探明水泥基材料的早期水化規(guī)律對(duì)其服役性能和壽命預(yù)測(cè)分析具有重要意義。處于水化早期的水泥基材料往往塑性較大、強(qiáng)度較低、微結(jié)構(gòu)變化較快，現(xiàn)有的測(cè)試表征手段對(duì)水泥基材料的性能分析往往難以較全面地和無損地揭示不同水化階段的微結(jié)構(gòu)演變機(jī)理，更同時(shí)難以對(duì)其后期硬化性能進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)。

瞄準(zhǔn)不足 創(chuàng)新攻關(guān)

“水泥基材料的傳統(tǒng)測(cè)量方法或多或少存在一些不足之處，基于無電極電阻率（電阻抗）法的水泥基材料基礎(chǔ)理論研究首創(chuàng)無電極電阻率（電阻抗）測(cè)試方法，豐富了水泥基材料研究領(lǐng)域的分析測(cè)試手段。相比于其他傳統(tǒng)電學(xué)方法而言，無電極電阻率（電阻抗）測(cè)試方法能夠原位無損連續(xù)地精確監(jiān)測(cè)水泥基材料早期電學(xué)信號(hào)、無極化效應(yīng)，根據(jù)該方法能判斷水泥基材料早期水化過程和水化機(jī)理。而對(duì)比壓汞法，該項(xiàng)目測(cè)試方法能夠無破壞地預(yù)測(cè)水泥基材料孔隙結(jié)構(gòu)的連續(xù)演變，操作簡(jiǎn)單且無毒。此外，項(xiàng)目測(cè)試方法還能根據(jù)電阻率（電阻抗）變化規(guī)律預(yù)測(cè)水泥基材料力學(xué)強(qiáng)度與耐久性能?！睖⑽慕榻B道。

“在水泥基材料的早期水化進(jìn)程中，水泥熟料會(huì)有大量離子溶出，離子間的化學(xué)反應(yīng)和飽和沉淀會(huì)導(dǎo)致水化產(chǎn)物生成而逐漸形成漿體物理孔結(jié)構(gòu)。隨著水化進(jìn)程的推進(jìn)，水泥基材料的離子總量逐漸變少，孔結(jié)構(gòu)逐漸密實(shí)，力學(xué)強(qiáng)度和服役性能逐漸提升。X射線衍射、掃描電子顯微鏡、水化熱、凝結(jié)時(shí)間測(cè)定、壓汞分析和熱重分析等是研究水泥基材料早期水化特性的常用測(cè)試手段。然而這些測(cè)試手段除水化熱分析方法外，往往只能捕捉水泥基材料在某個(gè)時(shí)刻的水化特征，無法實(shí)時(shí)無損監(jiān)測(cè)水泥基材料的早期水化過程，也難以對(duì)其后期力學(xué)強(qiáng)度與耐久性進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)。水泥基材料作為一種多孔多相材料，其內(nèi)部存在大量導(dǎo)電離子。因此，電學(xué)方法被認(rèn)為是分析水泥基材料早期性能的有效測(cè)試手段，然而傳統(tǒng)的電學(xué)方法（如直流電法、有測(cè)量電極的交流阻抗譜法和四點(diǎn)溫納探針法）存在的電極極化、腐蝕、布局和安裝差異較大等固有缺點(diǎn)，深刻影響著測(cè)試結(jié)果的精度和準(zhǔn)確度?；跓o電極電阻率（電阻抗）法的水泥基材料基礎(chǔ)理論研究圍繞著水泥基材料早期水化性能的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、力學(xué)強(qiáng)度與耐久性的預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)這個(gè)核心科學(xué)問題，自主研發(fā)了無電極電阻率（電阻抗）測(cè)定儀以判斷水泥基材料的水化階段、確定凝結(jié)時(shí)間、分析孔結(jié)構(gòu)（孔隙率、孔分布和孔曲折度），預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)其力學(xué)強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性（收縮和開裂敏感性）、氯離子擴(kuò)散、水化早期導(dǎo)熱和抗水滲透等性能?！崩钭诮蚋嬖V記者。

在完成無電極電阻率儀器的研發(fā)和進(jìn)行應(yīng)用測(cè)量后，研發(fā)團(tuán)隊(duì)意識(shí)到對(duì)同一個(gè)電阻率而言，雖然可以預(yù)測(cè)水泥基材料的孔隙率，但很多反映孔隙結(jié)構(gòu)的相關(guān)信息無法獲取，例如孔隙曲折度、體積分形維數(shù)和曲折度維數(shù)等。雖在電阻率實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的基礎(chǔ)上，有相關(guān)研究將其與數(shù)值模擬方法CEMHYD3D相結(jié)合，以此模擬水泥基材料的孔隙結(jié)構(gòu)，但是CEMHYD3D 模型基于離散方法存在1μm體素分辨率嚴(yán)重缺陷，因此該模型不能代表小的毛細(xì)孔。此外，研發(fā)團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)對(duì)于同一個(gè)孔隙結(jié)構(gòu)施加不同頻率的電信號(hào)輸入，獲取的電阻率與預(yù)測(cè)的孔隙結(jié)構(gòu)有差異。因此，為了解決這個(gè)問題，電阻率測(cè)量?jī)x的升級(jí)極為迫切。

“針對(duì)上述問題，我們考慮能否將不同頻率的電信號(hào)測(cè)試結(jié)果統(tǒng)合起來，并以此預(yù)測(cè)水泥基材料的孔隙結(jié)構(gòu)。開始我們想通過將不同信號(hào)的電阻率的結(jié)果用各種數(shù)學(xué)分析的方式來得到一個(gè)類似與綜合電阻率的信息，然后再進(jìn)行孔隙結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)。但發(fā)現(xiàn)得到的預(yù)測(cè)結(jié)果不是很符合預(yù)期，意義不夠明確，缺乏有力支撐。經(jīng)過一段時(shí)間摸索后，仍沒找到合適的方法將不同頻率電學(xué)信息有效統(tǒng)合起來。直到一次偶然機(jī)會(huì)，我們看到了分形方面的文章介紹，瞬間打開了思路。自然界中存在很多天然的分形規(guī)律，并且很多東西都可以采用分形的方式進(jìn)行模擬來預(yù)測(cè)其結(jié)果。在水泥基材料的孔隙結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)中，已經(jīng)有前人用分形的方式來預(yù)測(cè)。而水泥的分形特征對(duì)應(yīng)電路的分形特征，考慮水泥中離子遷移過程，我們將水泥基材料電網(wǎng)進(jìn)行分形，每一級(jí)等效為電阻電容電感。當(dāng)給定的級(jí)數(shù)和分支數(shù)足夠多時(shí)就能很好地估計(jì)原結(jié)構(gòu)電網(wǎng)絡(luò)，從而得出孔結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。結(jié)合頻散理論，不同頻率的電信號(hào)檢測(cè)的孔徑范圍不同，以不同頻率的電信號(hào)作為級(jí)數(shù)，以測(cè)點(diǎn)數(shù)為分支數(shù)，能夠很好預(yù)測(cè)孔隙結(jié)構(gòu)信息。結(jié)合通用介質(zhì)理論，能估算出孔隙結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)?；谏鲜隼碚?，我們對(duì)固定頻率的電阻率儀進(jìn)行升級(jí)得到了變頻的阻抗測(cè)量?jī)x，并能較好地估計(jì)水泥基材料的孔結(jié)構(gòu)特征?！睖⑽恼f。

基于無電極電阻率（電阻抗）法的水泥基材料基礎(chǔ)理論研究及變壓器原理，該團(tuán)隊(duì)成功研制出無電極電阻率（電阻抗）測(cè)定儀，并獲得了國(guó)際和國(guó)內(nèi)發(fā)明專利授權(quán)。無電極電阻率測(cè)定儀所使用的是頻率為1kHz的固定幅值的交變電壓激勵(lì)。無電極電阻抗測(cè)定儀則可以選擇不同頻率（1-200kHz）和幅值（0.1-3V）的交變電壓激勵(lì)。這些測(cè)定儀具有測(cè)試精度高、測(cè)試結(jié)果重現(xiàn)性好、可對(duì)水泥基材料進(jìn)行實(shí)時(shí)無損監(jiān)測(cè)和操作方法簡(jiǎn)便易行等顯著優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)電學(xué)測(cè)試方法存在的電極極化、腐蝕、布局和安裝差異較大等缺點(diǎn)。

項(xiàng)目介紹

該項(xiàng)目首創(chuàng)無電極電阻率（電阻抗）測(cè)試方法，豐富了水泥基材料研究領(lǐng)域的分析測(cè)試手段；首次提出采用無電極電阻率法判斷水泥基材料早期水化過程和水化機(jī)理的方法；提出了基于無電極電阻率（電阻抗）法的水泥基材料水化早期微結(jié)構(gòu)演變識(shí)別方法；提出了根據(jù)電阻率（電阻抗）變化規(guī)律預(yù)測(cè)水泥基材料力學(xué)強(qiáng)度與耐久性能的方法。

團(tuán)隊(duì)情況

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)由李宗津、湯盛文、魏小勝、肖蓮珍、廖宜順等業(yè)內(nèi)專家教授組成。自2000年9月至2019年6月，項(xiàng)目組完成了1項(xiàng)973計(jì)劃項(xiàng)目、多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金和香港研究經(jīng)費(fèi)資助委員會(huì)項(xiàng)目，圍繞該測(cè)定儀在水泥基材料的水化階段劃分、凝結(jié)時(shí)間確定、孔結(jié)構(gòu)測(cè)試、力學(xué)強(qiáng)度預(yù)測(cè)和耐久性評(píng)價(jià)等研究領(lǐng)域取得了大量成果。