早期胶结回填体内部硬化过程导电性试验研究                               

早期胶结回填体内部硬化过程导电性试验研究

夏江

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摘 要

通过监测电导率来反映被测体内部结构的导电能力，是近年发展起来的具有无损、连续等突出优点的一种测试方法。胶结回填体介质是由石英尾砂、去离子水和水泥等胶结材料配制而成的复合材料，胶结剂含量和养护龄期均影响胶结体的固结强度，其导电性与水泥、混凝土等材料相比有较大的区别，因此对胶结充填料浆固结硬化过程中的电导率进行试验研究是有必要的。

关键词：电导率；内部结构；无损；连续；胶结剂含量；养护龄期。

Abstract

It is a new method to measure the electrical conductivity of the internal structure by monitoring the electrical conductivity, which has the advantages of non-destructive and continuous. The cement backfill medium is a composite material made of quartz tailings, deionized water and cement. Both the content of cement and the curing period affect the consolidation strength of the cement, its conductivity is different from that of cement and concrete, so it is necessary to study the conductivity of cemented backfilling slurry in the process of consolidation and hardening.

Key words: Electrical conductivity; internal structure; nondestructive; continuity; binder content; curing life.

1内部电导率演化特性

不同胶结剂含量条件下电导率演化具有相似的规律，回填体的电导率先上升，后随养护龄期延长而增加至峰值点，然后电导率下降。根据走势特点，可以将回填体硬化过程中电导率发展分为3个阶段[1]，Ⅰ阶段为上升段，该阶段水化反应并不剧烈，离子溶解远大于消耗。Ⅱ阶段为下降段，该阶段微观结构变化和孔隙结构细化对充填料浆导电性的影响最大。Ⅲ阶段为平稳段，该阶段揭示了回填体固结硬化加速特点[2]。

胶结充填料浆内部电导率演化规律与离子溶解、水化反应程度、孔隙结构完善程度等有着密切关系，说明采用电导率监测回填体固结硬化是可行的。

2 初终凝时间测定

充填料浆凝结的标志是充填料浆失去流动性而具有一定的塑性，回填体硬化的标志是充填料浆开始固化，具有一定的机械强度。回填体的凝结过程一般分为初凝和终凝。充填料浆具有塑性和流动性，随着水化过程的进行，不断有水化产物的析出，析出的水化产物占据骨料与骨料、骨料与水和骨料与胶结剂之间的孔隙，水化产物之间相互作用形成较为疏松的网状结构，当充填料浆逐渐失去流动性与部分可塑性时，即为达到初凝。初凝后，有更多的水化产物析出，形成更加紧密的网状结构，此时的充填料浆完全失去可塑性，开始形成强度，此时即为达到终凝[3]。

已经有相关研究证实了，利用电导率-时间曲线及其导数，可以准确测定初凝和终凝时间。从不同胶结剂含量充填料浆初终凝时间结果表可以看出，随着胶结剂含量增大，充填料浆凝结时间较短，胶结剂含量越多，充填料浆的液相体积越小，其内部水化反应的速率提高。凝结时间的缩短是由于料浆中C3S含量的增多，C3S对充填料浆早期强度起到重要作用。水化程度主要由水泥颗粒周围水化硅酸钙包裹层的厚度和密度决定，包裹层阻碍了水泥的水化。胶结剂含量越高，固相含量越高，水化速度越快，在相同水化时间下就会有越多的水化产物产生，使充填料浆黏度变大、孔隙率变小、微观结构变致密、强度变高。

表2.1 不同胶结剂含量充填料浆初终凝时间结果表

3 胶结剂含量的影响

当固体含量相同时，胶结充填料浆内部电导率的发展随着胶结剂含量的增长具有相似的发展规律，即电导率曲线首先随着养护龄期的增加，不断升高至最高点，而后随着养护龄期快速下降，后下降速率减缓并最终趋于稳定。导致电导率曲线先上升的原因可能是胶结充填料浆内部各种材料与水混合后，使获得的混合料浆中游离状态的离子浓度上升，离子浓度的上升增强了混合液的导电性，进而表现为电导率上升；导致电导率曲线由峰值点下降的原因可能是，胶结充填料浆中胶结剂与水混合后发生水化反应，在该过程中会不断消耗混合液中的离子，生成大量水化产物，致使充填料浆中离子浓度下降，并且生成的水化产物会充填在料浆孔隙中，减少的导电途径，其内部导电能力下降，表现为电导率曲线下降。

根据电导率监测的工作原理，电导率数值与离子的发展呈正相关[4]，随着水化产物不断生成，自由水被消耗，毛细孔在该过程中不断发生演化[5][6]，形成更为坚固的晶体网格，内部形成晶状体，自由水中的离子通过充填料浆中的孔隙找到了一条更为曲折的路径，离子发展呈下降状态，即电导率下降。

胶结充填料浆内部体积含水量在固结硬化早期迅速增加至峰值后降低，造成该原因可能是在重力作用下料浆中孔隙水发生转移造成。将制备好的充填料浆浇筑在监测模具中后，在重力作用下料浆内部发生自由水的积聚，导致早期体积含水量增加。随着养护龄期的增加，水化反应进行，该过程不断消耗孔隙水，致使料浆内部体积含水量随着养护时间的延长而降低。

随着胶结剂含量的增加，电导率到达峰值的时间提前并且电导率下降的速率升高。随着胶结剂含量的增加，水化反应生成的产物增多，消耗离子越多，其导电路径越少，充填料浆中可供导电的孔溶液的体积减少，最终电导率峰值越小。胶结剂含量大的充填料浆水泥颗粒分散没有胶结剂含量少的分散均匀，单位体积内含水量小，充填料浆孔隙率小，从而使充填料浆孔隙溶液中的离子浓度减少，充填料浆的电导率峰值小[7]。

胶结剂含量增大，充填料浆孔隙溶液中Ca2+离子浓度增大，使Ca2+达到过饱和时间减少[8]，所以电导率达到峰值时间较为提前，Ca2+离子浓度增大促进了Ca(OH)2(CH)和C-S-H的成核和结晶，阻碍了水泥水化。在水化加速期，导电介质水的含量增大，有更多的水与被水化产物覆盖的水泥颗粒反应，加速了水泥水化过程。

4 回填体的电导率模型

有相关研究提出了适用非饱和黏土的电阻率模型[9]，完善了非饱和黄土电阻率模型[10][11]，和饱和、非饱和土体、砂岩等对比[12][13]，胶结回填体内部网状结构随着养护龄期的增加在不断的演变，是一个物理化学不断变化的过程，所以回填体的电导率模型和前者有很大差别。在借鉴徐[2]等胶结回填体电阻率模型基础上，根据电导率与电阻率之间数学关系，推导出适应于胶结回填体的电导率模型。回填体导电结构示意如图4.1所示，回填体等效电路如图4.2所示。

图4.1 回填体导电结构示意

图4.2 回填体等效电路

根据所推导出的胶结回填体的电导率模型结果可知，对于早期的胶结回填体，水化溶解液含量的多少是回填体导电能力强弱的关键指标，水化溶解液含量越多，导电能力越强，电导率越大。

5 不同龄期、胶结剂含量对回填体电导率的影响

为了验证胶结回填体不同养护龄期条件下单轴抗压强度与内部电导率之间关系，对不同胶结剂含量条件下胶结回填体强度进行试验测试，单轴强度测试结果见下图5.1。

图5.1 不同胶结剂含量条件下回填体单轴抗压强度发展图

从图5.2不同胶结剂含量条件下的回填体单轴抗压强度与其内部电导率的演化关系可以看出，随着养护龄期的增长，回填体的单轴抗压强度与其内部电导率呈现出负相关的关系，即当回填体随着养护龄期不断增长，其强度不断增强，电导率值下降。根据其关系曲线，选取一元线性函数进行数值拟合，最终得到回填体强度与电导率之间关系见表5.1。从表中可以看出，两者之间的拟合相关系数R2均大于0.96，即采用一元线性函数来表征回填体单轴强度与内部电导率关系较为贴切。因此采用如下公式来表示不同胶结剂含量条件下胶结回填体单轴抗压强度与其内部电导率之间的关系：

（5.1）

式中P为回填体的单轴抗压强度，MPa；Ec为回填体的电导率，us/cm；a和b为常数。

图5.2不同粘结剂含量条件下回填体电导率与单轴强度的发展曲线

表5.1 不同粘结剂含量条件下回填体电导率与单轴强度的关系

6结论

本文应用胶结回填体硬化过程试验监测系统中5TE传感器监测技术，监测不同胶结剂含量条件下回填体早期内部电导率、体积含水量演变结果规律，测试不同养护龄期条件下净浆水化产物情况，获取数据分析得出以下结论：

（1）通过回填体内部5TE传感器监测数据分析，电导率与体积内含水量演变均与内部微观结构完善性和水化反应程度有关，并根据电导率曲线演变特征和机制，得出回填体初终凝时间。

（2）基于回填体的电导率模型和饱和、非饱和土体、砂岩等对比有很大差别，结合电阻率与电导率之间数学关系，推导出适应胶结回填体电导率模型，对于早期胶结回填体，水化溶解液含量多少是影响导电能力强弱的关键指标。

（3）通过测试不同胶结剂含量条件下不同养护龄期回填体单轴抗压强度，发现回填体单轴强度与电导率之间呈现出负相关关系。对其数值进行拟合发现，两者之间符合一元函数关系：。

参考文献

[1]McCarter W J, Chrisp T M, Starrs G, et al. Characterization of physio-chemical processes and hydration kinetics in concretes containing supplementary cementitious materials using electrical property measurements[J]. Cement and concrete research, 2013, 50: 26-33.

[2]徐文彬,田喜春,邱宇,党鹏,殷天军.胶结充填体固结全程电阻率特性试验[J].中国矿业大学学报,2017,46(02):265-272+344.

[3]曹艳.水泥浆结构演变与电学性能关系研究[D].西南石油大学,2018.

[4]Morsy M S. Effect of temperature on electrical conductivity of blended cement pastes[J]. Cement and concrete research, 1999, 29(4): 603-606.

[5]Courard L, Michel F, Perkowicz S, et al. Effects of limestone fillers on surface free energy and electrical conductivity of the interstitial solution of cement mixes[J]. Cement and Concrete Composites, 2014, 45: 111-116.

[6]Salem T M, Ragai S M. Electrical conductivity of granulated slag–cement kiln dust–silica fume pastes at different porosities[J]. Cement and concrete research, 2001, 31(5): 781-787.

[7]黄少平. 固化海相粘土THCM特征参数演化规律及其本构模型研究[D].中国地质大学,2021.

[8]丁庆军,何真.现代混凝土胶凝浆体微结构形成机理研究进展[J].中国材料进展,2009,28(11):8-18+53.

[9]董晓强,白晓红,赵永强,韩鹏举,乔俊义.硫酸侵蚀下水泥土的电阻率特性研究[J].岩土力学,2007(07):1453-1458.

[10]董晓强,黄凤凤,苏楠楠,周伟,张军,白晓红.非饱和黄土受压过程中交流电阻率特性试验研究[J].岩石力学与工程学报,2015,34(01):189-197.

[11]Fukue M, Minato T, Horibe H, et al. The micro-structures of clay given by resistivity measurements[J]. Engineering geology, 1999, 54(1-2): 43-53.

[12]查甫生,刘松玉,杜延军,崔可锐.非饱和黏性土的电阻率特性及其试验研究[J].岩土力学,2007(08):1671-1676.

[13]查甫生,刘松玉,杜延军,崔可锐.电阻率法评价膨胀土改良的物化过程[J].岩土力学,2009,30(06):1711-1718.