早齡期混凝土材料介電常數(shù)與試驗(yàn)測(cè)試頻率關(guān)系研究

袁 磊 荊旖昕 曲成平 鐘國(guó)麟

(青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院 山東 青島 266033)

早齡期混凝土材料介電常數(shù)與試驗(yàn)測(cè)試頻率關(guān)系研究

袁 磊 荊旖昕 曲成平 鐘國(guó)麟

(青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院 山東 青島 266033)

近年來，實(shí)驗(yàn)科學(xué)對(duì)非破壞性測(cè)試青睞有加。介電常數(shù)作為基本材料特性，常被作為微波近場(chǎng)無損檢測(cè)技術(shù)的測(cè)量對(duì)象用以表征測(cè)試材料的性能。本文旨在研究早齡期混凝土材料介電常數(shù)的實(shí)部和虛部與試驗(yàn)測(cè)試頻率的關(guān)系，為非破壞性測(cè)試的進(jìn)一步發(fā)展提供理論研究思路與技術(shù)支撐。

非破壞性測(cè)試；介電常數(shù)；測(cè)試頻率

一、引言

應(yīng)用微波近場(chǎng)無損檢測(cè)技術(shù)的先決條件是不同混凝土材料間介電性能的差異。譬如密實(shí)度、空隙含量、含水量等材料參數(shù)均可通過材料介電常數(shù)的測(cè)量來反映[1]。此外，理想的多相復(fù)合介質(zhì)介電常數(shù)模型是應(yīng)用微波近場(chǎng)無損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行非破壞性測(cè)試的理論關(guān)鍵。介電常數(shù)作為微波近場(chǎng)無損檢測(cè)技術(shù)所反映的材料最基本和最重要性質(zhì)可以表示為式(1)：

(1)

針對(duì)以上研究現(xiàn)狀，本文著重研究了早齡期混凝土材料介電常數(shù)的實(shí)部和虛部與測(cè)量頻率之間的關(guān)系，且研究成果將為微波近場(chǎng)無損檢測(cè)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供理論研究思路和技術(shù)層面的支撐。

二、試件的測(cè)量設(shè)計(jì)與準(zhǔn)備

(一)測(cè)量設(shè)計(jì)

為便于研究早齡期混凝土材料的介電常數(shù)與測(cè)量頻率的關(guān)系，試驗(yàn)將制備構(gòu)件尺寸為150mm×150mm×150mm的標(biāo)準(zhǔn)混凝土試塊。混凝土試塊配合比取水:水泥:砂子:石子=0.5:1:1.79:3.63，水泥標(biāo)號(hào)為P.O 42.5。將試塊置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件(溫度20°C±2°C、相對(duì)濕度95%RH以上)分別養(yǎng)護(hù)7天、14天、28天。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后將不同齡期混凝土試塊將分別使用Keysight E5080A網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行不同頻率下的介電常數(shù)測(cè)量，在完成對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的擬合工作之后，將得到早齡期混凝土材料介電常數(shù)與測(cè)量頻率的關(guān)系。

(二)試件的準(zhǔn)備

試驗(yàn)過程中，混凝土試塊在經(jīng)機(jī)械攪拌形成，振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)均勻之后，置于標(biāo)準(zhǔn)條件下在固化箱中進(jìn)行混凝土試塊的養(yǎng)護(hù)，24h后脫模，脫模后在養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)7天、14天、28天。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，取測(cè)量頻率范圍為500MHz～5GHz，分別測(cè)量混凝土試塊4個(gè)側(cè)面的介電常數(shù)值，并計(jì)算平均值作為該試塊介電常數(shù)代表值。

(三)介電常數(shù)的測(cè)定方法

本試驗(yàn)通過Keysight E5080A網(wǎng)絡(luò)分析儀采用同軸探頭法進(jìn)行介電常數(shù)的測(cè)量工作，如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)分析儀與3mm同軸傳輸電纜線相連，傳輸線末端接有同軸高溫探頭，并使用夾具固定同軸探頭，通過移動(dòng)混凝土試塊實(shí)現(xiàn)探頭對(duì)不同測(cè)點(diǎn)的測(cè)量。在使用E5080A網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量介電常數(shù)前，需先進(jìn)行空氣、短路件及25°C純水的校準(zhǔn)工作。在完成系統(tǒng)誤差的校準(zhǔn)工作后，使用反射系數(shù)計(jì)算被測(cè)材料的介電常數(shù)。

圖1 E5080A網(wǎng)絡(luò)分析儀及其他試驗(yàn)儀器

三、介電常數(shù)與測(cè)量頻率的關(guān)系

(一)早齡期混凝土介電常數(shù)測(cè)量值

圖2 介電常數(shù)(實(shí)部)與測(cè)量頻率圖

(二)數(shù)據(jù)的擬合與分析

介電常數(shù)的虛部ε″r與測(cè)量頻率具有二次多項(xiàng)式關(guān)系。不同齡期的混凝土介電常數(shù)與測(cè)量頻率之間的關(guān)系的相關(guān)系數(shù)如表2所示。相關(guān)系數(shù)的數(shù)據(jù)均大于0.9，從中不難看出，介電常數(shù)與頻率之間的關(guān)系曲線擬合較好。

表和測(cè)量頻率的相關(guān)系數(shù)表

表2 ε″r和測(cè)量頻率的相關(guān)系數(shù)表

混凝土材料的介電常數(shù)在探地雷達(dá)的測(cè)量過程中具有明顯的頻散特性，隨著反映頻率增加，介電常數(shù)下降。隨著測(cè)試頻率的增加，隨著電荷和放電時(shí)間的變短，其變化的影響變?nèi)酰殡姵?shù)值呈減小趨勢(shì)。

從試驗(yàn)結(jié)果得知，混凝土材料的介電常數(shù)與頻率有明顯的函數(shù)關(guān)系，隨著頻率的增加，介電常數(shù)降低。

四、結(jié)論

1.水泥混凝土試樣介電常數(shù)的實(shí)部與測(cè)量頻率呈對(duì)數(shù)關(guān)系。2.水泥混凝土試樣介電常數(shù)的虛部與測(cè)量頻率呈二次多項(xiàng)式關(guān)系。3.水泥混凝土的水泥比與介電常數(shù)有關(guān)，介電常數(shù)隨水灰比的增加而增加。

[1]張勇.路面結(jié)構(gòu)層材料介電特性試驗(yàn)研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2005.

[2]張蓓.路面結(jié)構(gòu)層材料介電特性及其厚度反演分析的系統(tǒng)識(shí)別方法——路面雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2003.

袁磊(1991-)，男，漢族，山東青島，在讀研究生，青島理工大學(xué)，國(guó)標(biāo)混凝土介電常數(shù)研究；荊旖昕(1992-)，女，漢族，山東青島，在讀研究生，青島理工大學(xué)，土木工程結(jié)構(gòu)與成本控制研究。