Politechnika Opolska  |   Wydział Budownictwa
Start
Działalność
Laboratorium
Seminarium
Studenci
Pracownicy
Kontakt
Współpraca
Leonardo da Vinci
KIB o/PAN w Katowicach
Przyrodnicy Śląscy
Ochrona zabytków
Start arrow Laboratorium arrow Pomiary właściwości elektrycznych materiałów cementowych



  • Pomiary właściwości elektrycznych materiałów cementowych

    1. Model procesu

    Zmiany właściwości elektrycznych dojrzewającego betonu posiadają zarówno znaczenie poznawcze jak i praktyczne związane z diagnostyką przebiegu procesów wiązania i twardnienia. W pierwszym okresie po zaformowaniu mieszanki, która jest złożonym układem zawierającym elementy fazy stałej, ciekłej i gazowej rozpoczyna się skomplikowany zespół reakcji chemicznych, który prowadzi do zmian ilości jonów w układzie [3]. To powoduje zmiany przewodnictwa elektrycznego roztworu. Ich oszacowanie jest celem pracy.

    Proponowany model matematyczny ujmuje opis procesów przepływu ładunku elektrycznego i masy w mieszance betonowej, będącym wieloskładnikowym ośrodkiem składającym się z elektrycznie neutralnego szkieletu (dielektryka) i naładowanych cząstek (jonów) - produktów dysocjacji rozpuszczalnych składowych cementu. Pod wpływem zewnętrznego pola elektromagnetycznego w ośrodkach takich zachodzą procesy transportu ładunku elektrycznego (prąd elektryczny) oraz masy (dyfuzja, konwekcja). W procesie wiązania cementu skład fazowy mieszanki zmienia się co ma wpływ na jej właściwości [4,5]. Proces wiązania zależy od składu zaczynu wyjściowego oraz warunków zewnętrznych. Dla identyfikacji procesów zachodzących w wymienionym medium dokonywany jest pomiar przewodności elektrycznej mieszanki.

    Punktem wyjścia zbudowania modelu matematycznego jest wprowadzenie wielkości uśrednionych po fizykalnie małej objętości ośrodka. Materiał zaczynu jest mieszaniną składników o różnych właściwościach. Zakładamy, że faza stała (tworzący się szkielet) jest nieruchoma i elektrycznie obojętna, a wypełniająca sieć kapilar ciecz porowa jest słabym elektrolitem, w którym niektóre ze składników występują w postaci zdysocjowanej, czyli w postaci jonów niosących ładunek elektryczny. Dla charakterystyki składników mieszaniny wprowadzamy gęstości - fazy stałej oraz - roztworu porowego. Przy tym - jest gęstością rozważanej mieszanki. Oznaczymy oraz ładunek elektryczny jednostki masy obecnych w roztworze , rodzajów jonów dodatnich oraz ujemnych odpowiednio, a i - ich udziały masowe w roztworze. Wtedy jest udziałem masowym rozpuszczalnika (wody) w roztworze porowym.

    2. Przepływ masy

    W materiale porowatym zachodzi ruch składników, co przejawia się jako proces dyfuzyjny. Bilanse przepływu masy formułowane dla każdego ze składników układu i dla rozważanego fizycznie małego obszaru ma postać [7]:

    (1)

    gdzie - oznacza moc źródła masy składnika , który może powstawać lub ubywać w układzie na skutek procesów przemiany, oznacza prędkość poruszania się składnika układu, , - czas. Jeżeli wprowadzimy , gdzie - prędkość barycentryczna, oraz strumienie dyfuzyjne , to otrzymamy:

    (2)

    Równanie zachowania masy całego ośrodka otrzymamy na drodze sumowania po wszystkich składnikach układu:

    (3)

    Wykorzystano przy tym że oraz .

    Dla opisu ruchu ośrodka wieloskładnikowego możemy zamiast wykorzystania podejścia wielokontynualnego i rozpatrywania prędkości każdego ze składników wprowadzić wektory strumieni dyfuzyjnych , a równania (3) traktować jako równania z których wyznaczać będziemy gęstości składników [7].

    3. Oddziaływanie pola elektromagnetycznego

    Ośrodek wieloskładnikowy jakim jest zaczyn cementowy na skutek obecności składników naładowanych elektrycznie jest przewodnikiem prądu. Wynikające w przewodniku pole elektromagnetyczne opisywane jest równaniami Maxwella [1], które mają postać:

    ,

    (4)

    ,

    gdzie , - natężenia elektrycznej oraz magnetycznej składowych natężenia pola elektromagnetycznego, , - indukcje, - sumaryczny prąd przepływający w przewodniku, - gęstość objętościowa ładunków.

    Prąd elektryczny, wynikający w przewodniku jest skutkiem ruchu naładowanych cząstek. Dla cząstek, poruszających się z prędkościami i mających ładunek elektryczny gęstość prądu elektrycznego oznaczymy jako:

    (5)

    gdzie - oznacza prąd w przewodniku, wynikający przy działaniu zewnętrznego pola elektromagnetycznego (prąd przewodności). Składnik drugi jest prądem związanym z ruchem makroskopowym ośrodka jako całości.

    Z równań elektrodynamiki bezpośrednio wynika następujący związek:

    gdzie (6)

    który jest wyrażeniem prawa zachowania ładunku elektrycznego. Jeżeli na powierzchni , to . Przyjmując, że przy otrzymujemy iż ładunki makroskopowe w przewodniku nie występują w czasie trwania procesu przepływu prądu i zapewniony jest warunek lokalnej elektrycznej obojętności ośrodka, czyli

    (7)

    Wynik ten jest sprawiedliwy dla każdego przewodnika w tym także dla rozważanych ośrodków wieloskładnikowych [6].

    W rozważanym medium na składniki naładowane elektrycznie (jony) ze strony pola elektromagnetycznego działa siła objętościowa wyrażona następująco:

    (8)

    która powoduje przyśpieszony ruch składnika równoważony oporem środowiska ciekłego:

    (9)

    gdzie - współczynnik oporu, zależny od lepkości cieczy. Dlatego możemy przyjąć że średnia prędkość poruszania się cząstek naładowanych jest proporcjonalna natężeniu pola elektrycznego

    (10)

    Współczynnik proporcjonalności jest nazywany ruchliwością jonów [2] wprowadzony w elektrochemii i wyznacza zdolność składnika do przenoszenia ładunku elektrycznego. Przy tym

    (11)

    jest strumieniem ładunku elektrycznego związanego z transportem składnika . Sumaryczny strumień ładunku elektrycznego (prąd elektryczny) wyznaczymy jako sumę strumieni parcjalnych:

    lub (12)

    Przy tym możemy rozważyć wprowadzenie zastępczego współczynnika

    (13)

    będącego odpowiednikiem współczynnika przewodności elektrycznej dla rozważanego ośrodka wieloskładnikowego. Jak wynika z przytoczonych rozważań wielkość ta jest zależna od stężenia składników ośrodka oraz parametrów wyznaczających ich ruchliwość. Dla pomiaru doświadczalnego wielkości wykorzystano metody stosowane do pomiarów elektrotechnicznych. Zmiany w czasie tego parametru wykorzystywane do szacowania kinetyki przebiegu przemian w ośrodku wieloskładnikowym, szczególnie związanych z przemianami składu i struktury materiału [3-5].