示踪剂种类及掺量对水泥土混合浆液的电学行为影响研究

周建平,韩顺波

(中国水利水电第七工程局有限公司,四川成都 610213)

在水泥土搅拌桩[1-6]中，水泥加入土中拌合后，浆体内会发生一系列物化变化，致使浆液不断水化、凝结以至硬化[7]。各国学者历来重视从各个不同方面，采用不同方法研究水泥浆液的变化过程。然而对浆液的电学行为研究较少。

介电常数又叫介质常数、介电系数或者电容率，它是表示绝缘能力特性的一个系数，是材料的特有属性。鉴于此电学特性，现有很多仪器可快速、准确地测量材料的介电常数，为搅拌桩中水泥含量的快速测量提供了可能性。常见的材料的介电常数如表1所示。

表1 常见物质的介电常数

通过表1可以看出，空气的相对介电常数是1，为最小。而水的相对介电常数高达80。在土体湿化过程中，它的介电常数会发生显著增加，如饱和砂的介电常数远远大于干砂。对于水泥搅拌桩，水泥浆液被泵送到土体内部时，会增加土体中水的电解质浓度(如Al3+、Ca2+等)，增强水的导电性和介电常数。为了进一步增大水泥的介电常数，一种常见的方法是在水泥浆中加入电学示踪剂，使加入水泥浆后的混合浆液的介电常数远远大于原土。通过测量新鲜水泥浆液的介电常数可准确获取土体中的水泥含量，判断搅拌桩水泥浆的均匀程度，便于管理搅拌桩的施工质量。

现有研究很少涉及水泥浆的电学示踪剂的选取，其使用效果也不明确。本文通过在水泥土混合浆液中掺入铁粉、碳粉和尾矿粉等不同电学示踪剂，研究水泥浆介电常数变化规律，确定最佳示踪剂种类，并通过研究最佳示踪剂掺量对介电常数的影响，明确最佳示踪剂的掺量，为水泥搅拌桩水泥含量的检测做参考[8-9]。

1 水泥土的介电常数室内试验

1.1 试验设备及测量原理

试验采用频域反射型仪器[10](Frequency Domain Reflectometry，FDR)，其测量原理为：插入电子元件中的电极与电子元件(电子元件被当作电介质)之间形成电容，并与高频震荡器形成回路。通过传输探针产生高频信号，传输探针的阻抗随电子元件阻抗变化而变化。阻抗包括表观介电常数和离子传导率。应用扫频技术，选用合适的电信号频率使离子传导率的影响最小，这样，传输探针阻抗变化几乎仅依赖于电子元件介电常数的变化。这些变化产生一个电压驻波，电压的差值对应于电子元件的表观介电常数。

1.2 试验材料

试验中采用的水泥为普通硅酸盐水泥，是由硅酸盐水泥熟料、5 %～20 %的混合材料及适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，具有强度高、水化热大，抗冻性好、干缩小，耐磨性较好、抗碳化性较好、耐腐蚀性差、不耐高温的特性。试验所用土体为花岗岩残积土，其主要成分是石英(20 %～30 %)、长石(60 %～70 %)、云母及角闪石(5 %～10 %)，主要物理力学特性如表2所示。

表2 试验用花岗岩残积土主要物理力学参数指标

1.3 试验方案

首先研究不同体积含水率条件下水泥土混合浆液的介电常数变化规律。试验制备了体积含水率为10 %、33 %、50 %、75 %、93 %的土样各三组，每组分别施加测试频率为1 MHz、100 MHz和1 000 MHz的外电压。其次研究掺入铁粉、碳粉和尾矿粉三种电学示踪剂后的水泥土混合浆液的介电常数变化，以此确定最佳示踪剂的种类，试验中水泥土体积含水率均为10 %，外加电压频率为1 MHz，每种示踪剂掺量为6 %。最后基于以上试验，研究最佳示踪剂的掺量对水泥土介电常数的影响，以此明确最佳示踪剂的最佳掺量，试验中水泥土体积含水率为10 %，外加电压频率为1 MHz，土样的示踪剂含量范围为0～16 %。

2 介电常数变化规律分析

2.1 体积含水率对介电常数的影响

图1给出了水泥土的介电常数随着体积含水率的变化规律。从图1可以看出，在1 MHz、100 MHz、1 000 MHz时，水泥土的介电常数几乎与体积含水率的大小成正比，直线的截距为干燥水泥的介电常数。水泥土是一种多相的电介质，在各相中各种极化机理都会产生。当外电场通过水泥时，除了水泥中水化产物、水以及未反应的水泥颗粒等产生电子、离子和偶极子极化外，还可能激活载流子，如自由电子、离子、空位等运动。当载流子遇到电导率较低的其他相，如气孔时，会减慢电荷通过材料的运动，导致电荷在界面上堆积，形成空间电荷。这种界面极化在宏观上使介电常数增加。在低频时，这种界面极化能跟上电场的改变，这是因为在低频时，水泥土有较高的介电常数。当频率升高时，电荷的位移滞后于电磁场方向的改变，使介电常数下降。在1～1 000 MHz频段中，偶极子极化因频率的升高而逐步减弱，介电常数随频率的上升而下降。图中还可以发现：含水率增大时，介电常数也增大；低频和高频时的介电常数之差也较大。含水率为93 %的试样，在1 MHz时介电常数为48.2；在1 000 MHz时，下降到10.2左右；而含水量为10 %的试样，在100～1 000 MHz这样宽广的频率范围内，介电常数几乎不变，分别为7.5和6.3。这说明潮湿水泥土的介电常数的变化主要来源于水分的作用，而水分对极化的贡献主要在低频段，这也侧面说明水分主要生成一些较大的离子和离子团。

图1 水泥土的体积含水量和介电常数的关系

2.2 示踪剂种类对介电常数的影响

图2给出了在加入不同示踪剂条件下，水泥土的介电常数变化规律。当水泥土的体积含水率为10 %，测量过程中使用的频率为1 MHz时，测得介电常数为12.4。当加入6 %示踪剂后，混合物的介电常数明显上升：铁粉、碳粉和尾矿粉使得介电常数分别增加至38.1、37.4和40.2。可见，三种电学示踪剂效果相近，电学示踪剂的种类对水泥土介电常数的影响较小。因此在选择时，更多的考虑经济效益，三种示踪剂中，尾矿粉的经济性较好。

图2 示踪剂的介电常数影响

2.3 示踪剂掺量对介电常数的影响

图3给出了尾矿粉作为示踪剂时的介电常数变化规律。可以看出，介电常数随着尾矿粉掺量的增大而不断增大，且呈非线性变化。当土样中示踪剂含量较低时(0 %～2 %)，混合物的介电常数在5～20之间变化。随着示踪剂掺量的进一步增加，介电常数增加速度明显增强。当示踪剂的掺量达到8 %～12 %时，混合物的介电常数范围为45～55。随后，示踪剂掺量对介电常数的影响减弱，当示踪剂的参量达到16 %时，混合物的介电常数约为50。考虑到示踪剂对搅拌桩浆液的影响及示踪效果，建议示踪剂掺量的取值范围为8 %～12 %。

图3 示踪剂含量和介电常数的关系

3 结论

本文通过对不同示踪剂及掺量对水泥混合浆液的电学行为的影响研究，得到以下几点结论：

(1)在1 MHz、100 MHz、1 000 MHz时，水泥土的介电常数几乎与体积含水率的大小成正比。在1～1 000 MHz频段中，偶极子极化因频率的升高而逐步减弱，介电常数随频率的上升而下降。在100～1 000 MHz的频率范围内，介电常数几乎不变，分别为7.5和6.3。可见潮湿水泥土的介电常数的变化主要来源于水分的作用，而水分对极化的贡献主要在低频段。为进一步研究水泥含量的电学法测试，测试频率应考虑选择较高的频率范围，如100～1 000 MHz。

(2)掺入铁粉、碳粉和尾矿粉三种示踪剂的水泥土，其介电常数由12.4分别增加至38.1、37.4和40.2。可见，三种电学示踪剂效果相近，电学示踪剂的种类对水泥介电常数的影响较小。

(3)水泥土的介电常数随着示踪剂掺量的增大不断增大，且呈非线性变化。当示踪剂的掺量达到8 %～12 %时，混合物的介电常数范围为45～55。随后，示踪剂对介电常数的影响减弱。考虑到示踪剂对搅拌桩浆液的影响及示踪效果，建议示踪剂的掺量取值范围为8 %～12 %。