SLEDOVÁNÍ HYDRATACE BETONU V ODLIŠNÉM PROST EDÍ METODOU IMPEDAN NÍ SPEKTROSKOPIE

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "SLEDOVÁNÍ HYDRATACE BETONU V ODLIŠNÉM PROST EDÍ METODOU IMPEDAN NÍ SPEKTROSKOPIE"

Milena Macháčková
před 8 lety
Počet zobrazení:

1 SLEDOVÁNÍ HYDRATACE BETONU V ODLIŠNÉM PROSTEDÍ METODOU IMPEDANNÍ SPEKTROSKOPIE Miroslav Luák*, Ivo Kusák*, Luboš Pazdera*, Vlastimil Bílek** *Ústav fyziky, Fakulta stavební, Vysoké uení technické v Brn **Železniní a prmyslový stavební výzkum Sledování procesu hydratace betonu v odlišných okolních podmínkách metodou impedanní spektroskopie jsou známá. Ménasto jsou provádna sledování zrání betonu uvedenou metodou, kdy mrný odpor smsi pesahuje hodnoty 500 k. Na základ Debyeovy teorie[6, 7] vznikly modely dielektrika, jejich aplikací a obdrženými parametry dielektrika je charakterizován mený materiál a diskutována jednoznanost urení hodnot parametr. Úvod Analýza impedanních spekter nehomogenních materiál ve stavebnictví je doposud nerozvinutáást metody impedanní spektroskopie. Není zejmá míra píspvk jednotlivých složek materiálu k celkové vodivosti a polarizaci pi rzných frekvencích budícího elektrického pole. Materiál o vyšších hodnotách mrného odporu (>500k) lze pojímat pi vhodném zjednodušení jako dielektrikum. Pro homogenní materiály vybudoval teorii polarizace dielektrika Debye [6, 7]. Experimenty a závry na reálných látkách však vykazovaly odlišnosti od základních teorií. K. S. Cole a R. H. Cole, dále Fuoss a Kirkwood odvodili z Debyeovy teorie modely dielektrika, více se blížící experimentálním závrm [6]. Chování dielektrika ve stídavém elektrickém poli je vhodné popisovat pomocí komplexní relativní permitivity. Debye odvodil pro slab polární kapalná dielektrika vztah pro komplexní relativní permitivitu, ozn.*: *( j) s 1 j (1) Kde je relaxaní doba, nezávislá naase, závislá na teplot, s statická permitivita (frekvence 0 Hz), - optická permitivita (frekvence Hz), úhlová frekvence =2f, f - frekvence budícího elektrického signálu [6, 7] Pro ztrátový initel tg platí: ''( ) ( S ) tg 2 '( ) 2 S (2) V reálném dielektriku se vyskytuje více relaxaních dob. Jejich rozdlení je dáno distribuní funkcí. Pro obtížnost urení vhodné distribuní funkce se zavádí aproximace

Ménasto jsou provádna sledování zrání betonu uvedenou metodou, kdy mrný odpor smsi pesahuje hodnoty 500 k.

2 zvolenou analytickou funkcí. Podle Coleových vyjádíme komplexní relativní permitivitu následovn: S * ( j) 1 1 ( j ) 1 (3) Kde 1 je nejpravdpodobnjší relaxaní doba, kolem níž jsou relaxaní doby rozloženy podle distribuní funkce f (), je distribuní parametr (0<<1). J. R. Macdonald [7] nastínil ekvivalenci mezi tvarem výraz pro komplexní relativní permitivitu ve smyslu (1), (3) a rovnic pro komplexní impedanci Z. Matematicky byly odvozeny vztahy pro reálnou a imaginární složku komplexní relativní permitivity a podle zmínné ekvivalence vyjádeny vztahy pro komplexní složky mrné impedance. Za použití matematického softwaru byly hledány hodnoty parametr tchto dvou typ model pro testovaný materiál. Míru lineární závislosti modelové a experimentální závislosti vyjaduje Pearsonv korelaní koeficient r. Popis meného materiálu Vzorky betonu 100 mm x 100 mm x 400 mm byly pro mení impedanní spektroskopií rozdleny na tloušku 10 mm tj. 100 mm x 100 mm x 10 mm. Složení vzork je uvedeno v tab. 1: C 30/37 XF4, S4, plocha NH 1 m 3 CEM I 42,5R 320 Struska Voda 210 Spolostan 7L 4 Chrysoair 0,15 Halámky D5 0/4 800 Rejta 4/8 280 Rejta 8/ Experiment Tabulka 1. Složení použitých vzork betonu (množství v kilogramech). Na stny vzork byly piloženy mosazné kontaktní elektrody o rozmru 40 x 23 mm. Metodou impedanní spektroskopie a s použitím generátoru sinusového signálu Agilent 33220A a osciloskopu Agilent 54645A byly charakterizovány vzorky betonu po 15 dnech zrání. Zrání každého vzorku probhlo v odlišném prostedí. Pomocí softwaru pro obsluhu uvedených pístroj a zpracování dat byla získána spektra ztrátového initele v závislosti na frekvenci, závislosti imaginární složky mrné impedance na reálné složce mrné impedance. Hodnoty složek mrné impedance každého vzorku byly vypoteny z experimentáln zjištných hodnot reálné a imaginární složky impedance, podlením dané složky impedance tlouškou vzorku a vynásobením plochou elektrod.

(), je distribuní parametr (0<<1). J. R. Macdonald [7] nastínil ekvivalenci mezi tvarem výraz pro komplexní relativní permitivitu ve smyslu (1), (3) a rovnic pro komplexní impedanci Z.

3 dále. Z model byly ureny hodnoty koeficient, uvedených v tabulce 2 a diskutovaných Výsledky mení a modelové parametry Obrázek 1 znázoruje experimentální spektra ztrátového initele pro uvedenou škálu frekvencí. Nejvyšších hodnot nabývá ztrátový initel pi nejnižších aplikovaných frekvencích elektrického pole budícího signálu. 4 3 hydratace ve vod hydratace ve folii hydratace na vzduchu - tg / Hz Obrázek 1. Frekvenní spektra ztrátového initele betonu, hydratujícího v odlišných prostedích. Hodnoty ztrátového initele betonu ve sledovaném ase pro vzorky hydratované ve vod zstávají vyšší než u vzork hydratovaných ve folii a na vzduchu až po frekvenci pibližn 4 khz, kdy spektra nabývají navzájem blízkých hodnot. Vyšší hodnoty ztrátového initele v levéásti spektra indikují vyšší etnost relaxaních dob než v pravéásti spektra, maximum by pak urovalo nejpravdpodobnjší relaxaní dobu pro daný vzorek v aktuálním stavu (složení, míra hydratace, vlhkost). Z odlišnosti spekter usuzujeme na vyšší hodnotu nejpravdpodobnjší relaxaní doby u vzorku, hydratujícím na vzduchu. Nejblíže k nejpravdpodobnjší relaxaní dob uvedeného vzorku se nachází nejpravdpodobnjší relaxaní doba pro vzorek zrající ve folii, s rozložením relaxaních dob, podobným vzorku hydratujícím na vzduchu. Od frekvence 4 khz vykazují všechny prbhy ztrátového initele kolísání hodnot, je však pítomný trend. U vzorku, který hydratoval na vzduchu jsou patrné v intervalu frekvencí 9 khz až 100 khz odlišné hodnoty ztrátového initele, než u zbylých vzork. Všechna spektra vykazují v oblasti vyšších frekvencí mírný nárst hodnot ztrátového

4 3 hydratace ve vod hydratace ve folii hydratace na vzduchu - tg 2 1 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 / Hz Obrázek 1. Frekvenní spektra ztrátového initele betonu, hydratujícího v odlišných prostedích.

4 initele. Vysvtlení lze hledat v pítomnosti vody v kamenivu nebo druhu použitého kameniva (kámen Halámky - frakce 0/4 druh žuly). Druhý argument více koresponduje se závry charakterizace druh žuly v suchém a navlhlém stavu metodou impedanní spektroskopie [8]. Na konci lánku bude srovnání uvedených rozbor spektra se závry na základ model. Zmená spektra hodnot mrné impedance pro sledovaný materiál jsou v souladu s teorií (Coleovi, Macdonald) plkružnice [6, 7], jejichž sted je stlaen pod vodorovnou osu. Obrázek 2. 8x10 5 f=40 Hz 6x10 5 -Im / m 4x10 5 f=40 Hz 2x10 5 f=40 Hz hydratace na vzduchu hydratace ve folii hydratace ve vod x x x10 6 Re / m Obrázek 2. Hodnoty mrné impedance použitých vzork v dob charakterizace metodou impedanní spektroskopie. Nejnižší hodnoty mrné impedance v celém spektru hodnot frekvence budícího elektrického signálu (nárst frekvence zprava doleva, obrázek 2) byly pozorovány u vzorku, zrajícím ve vod. Vzorek byl v dob experimentu vodivjší, ale imaginární složka mrné impedance nabývala v pomru k reálné složce vyšších hodnot, než u ostatních vzork. To koresponduje s popsanými závislostmi ztrátového initele. Kivky ve spektru mrné impedance nabývají maxima pi odlišných frekvencích. Kivka vzorku, který hydratoval na vzduchu, má maximum už pi frekvencích 50 Hz - 60 Hz, kivka uprosted dosahuje maxima pi 80 Hz Hz, poslední kivka má maximum kolem frekvence 250 Hz. Uvedená spektra byla modelována fyzikálním a matematickým modelem. Výsledky fitování shrnuje následující tabulka.

Na konci lánku bude srovnání uvedených rozbor spektra se závry na základ model.

5 Tabulka 2. Hodnoty parametr model spekter ztrátového initele a mrné impedance vzork betonu, hydratujících v rzných prostedích... prostedí hydratace aproximované parametr spektrum voda folie vzduch jednotka pozn. 1 n 72,3 91,6 99,8 - model 1 2 s 5,30E+05 3,60E+04 1,30E+04-3 tg(f) 6,4 0,964 0,473 s 4 0,114 0,176 0,268-5 r 0,9924 0,9621 0, poet bod N Ze spektra ztrátového initele byly získány hodnoty komplexní relativní permitivity* pro limitní pípady frekvence budícího signálu, nejpravdpodobnjší doba relaxace a distribuní parametr. Hodnoty dynamické permitivity pro hydrataci v rzných prostedích mají vzestupnou tendenci, naopak hodnoty statické permitivity mají klesající charakter. Nejpravdpodobnjší doba relaxace potvrzuje odhady z diskuse spekter ztrátového initele. Hodnoty distribuního parametru jsou vyšší s klesajícím obsahem vody v prostedí hydratace betonu. Korelaní koeficient byl nejnižší pro fitování spektra ztrátového initele betonu, zrajícího na vzduchu. Závr Metodou impedanní spektroskopie byl charakterizován beton, hydratující v rzných prostedích. Odlišnosti ve spektrech ztrátového initele svdili o nejpravdpodobnjších relaxaních dobách, umístných mimo využité spektrum frekvencí. Model spektra to potvrdil a uril tyto hodnoty. Obtížným a mén pesným oznaujeme fitování spektra ztrátového initele pro beton tuhnoucí na vzduchu, na základ nízké hodnoty Pearsonova korelaního koeficientu. Podkování Tento výzkum byl proveden za podpory projekt GAR 103/06/1711, GAR 103/06/0708 a MSM Literatura [1] Schauer, P.: Impedanní spektroskopie keramiky a žuly, sborník XI. Mezinárodní vdecké konference (str ), íjna 1999-VUT Brno, FAST [2] Schauer, P.: Model impedanní spektroskopie, sborník XI. Mezinárodní vdecké konference (str ), íjna 1999-VUT Brno, FAST [3] Kusák, I., Luák, M., Schauer P.: Aparatura pro testování metodou impedanní spektroskopie, in: Workshop NDT 2004, Non-Destructive Testing, , ed. by Brno University of Technology, 2004, , ISBN [4] Luák, M., Kusák, I., Schauer P.: Metoda Impedanní spektroskopie, in: Workshop NDT 2004, Non-Destructive Testing, , ed. by Brno University of Technology, 2004, , ISBN

1 n 72,3 91,6 99,8 - model 1 2 s 5,30E+05 3,60E+04 1,30E+04-3 tg(f) 6,4 0,964 0,473 s 4 0,114 0,176 0,268-5 r 0,9924 0,9621 0,8837-6 poet bod N 46 46 46 - Ze spektra ztrátového initele byly získány

6 [5] Kusák, I., Luák, M., Schauer P.: Závislost impedanního spektra cementotískové desky cetris-basic na vlhkosti, in: Workshop NDT 2005, Non-Destructive Testing, , ed. by Brno University of Technology, 78-81, ISBN [6] Mentlík, V: Dielektrické prvky a systémy, BEN technická literatura, Praha 2006, ISBN [7] Macdonald, J., R.: Impedance spectroscopy, emphasizing solid materials and systems, bibliography, Canada 1987 [8] Kusák, I., Luák, M., Schauer P.: Impedanní spektroskopie žuly, in: Workshop NDT 2004 Non-Destructive Testing, , ed. by Brno University of Technology, 2004, , ISBN

by Brno University of Technology, 78-81, ISBN 80-7204-420-6 [6] Mentlík, V: Dielektrické prvky a systémy, BEN technická literatura, Praha 2006, ISBN 80-7300-189-6

Podobné dokumenty

SLEDOVÁNÍ HYDRATACE BETONU IMPEDAN NÍ SPEKTROSKOPIÍ

SLEDOVÁNÍ HYDRATACE BETONU IMPEDAN NÍ SPEKTROSKOPIÍ Ivo Kusák, Miroslav Lu ák, Libor Topolá, Luboš Pazdera, Vlastimil Bílek Ústav fyziky, Fakulta stavební, Vysoké u ení technické v Brn Železni ní a pr