Czech Society for Nondestructive Testing NDE for Safety / DEFEKTOSKOPIE 2010 November 10 - 12, 2010 - Hotel Angelo, Pilsen - Czech Republic
LONG-TERM MONITORING OF HYDRATION AND CONCRETE CURING USING METHODS OF IMPEDANCE SPECTROSCOPY DLOUHODOBÉ SLEDOVÁNÍ HYDRATACE A ZRÁNÍ BETONU S VYUŽITÍM METODY IMPEDANýNÍ SPEKTROSKOPIE Ivo KUSÁK*, Miroslav LUĕÁK*, Luboš PAZDERA*, Libor TOPOLÁě*, Vlastimil BÍLEK** *Department of Physics, Faculty of Civil Engineering, Brno University of Technology, VeveĜí 95, 60200 Brno, Czech Republic **ŽPSV a.s. Company, KĜižíkova 68, 60200 Brno, Czech Republic Contact e-mail:
[email protected],
[email protected],
[email protected],
[email protected],
[email protected] Abstract Nondestructive diagnostics of concrete materials and non-cement-based materials is the subject of current research for developed methods of testing building materials. Behavior of concrete components in the early stages of solidification also gives information about future product qualities of concrete. Common methods include monitoring the volume change components, thermal characteristics and approaches to the study of electrical properties. Our comprehensive measurements carried out continuously and at 28 days. The values of electrical quantities of material during solidification and possible association with stress in the material are correlated. Electrical parameters are evaluated: in particular, capacity, resistance and loss factor at frequency of alternating electric field. During hardening of the concrete panel is an internal tension, which is trying to describe by mentioned electric quantities. Key words: impedance spectroscopy, dielectric losses, loss factor, conductivity losses, polarization losses Abstrakt Nedestruktivní diagnostika betonových materiálĤ na cementové i bezcementové bázi je pĜedmČtem souþasného výzkumu v oblasti rozvíjených testovacích metod stavebních materiálĤ. Chování betonového dílce v prvních fázích tuhnutí dává informace také o budoucích kvalitách betonového výrobku. Mezi bČžné metody patĜí sledování objemových zmČn dílce, teplotních charakteristik a pĜistupuje se ke zkoumání elektrických vlastností materiálu. Naše komplexní mČĜení probíhají kontinuálnČ až v délce 28 dní a dále. Do vzájemných souvislostí jsou položeny hodnoty elektrických veliþin materiálu v prĤbČhu tuhnutí a možná souvislost s napČtím v materiálu. Vyhodnocovanými elektrickými veliþinami jsou zejména kapacita, rezistence a ztrátový þinitel pĜi stĜídavé frekvenci elektrického pole. BČhem tuhnutí betonového dílce dochází k vnitĜnímu pnutí, které se snažíme postihnout právČ zmínČnými elektrickými veliþinami. Klíþová slova: impedanþní spektroskopie, dielektrické ztráty, ztrátový þinitel, vodivostní ztráty, polarizaþní ztráty
DEFEKTOSKOPIE 2010
149
1. Úvod Kvalita betonu závisí na tuhnutí a tvrdnutí. Sledování tohoto dČje je možné nČkterými metodami nedestruktivního testování. Metodou impedanþní spektroskopie, která patĜí do skupiny metod Nedestruktivního testování, byly charakterizovány vzorky betonu a sledovány zmČny ve spektru pĜi jeho hydrataci. Byly pozorovány rozdíly ve spektru tan į(f) a C(t), resp. R(T) u vzorkĤ a popsána kvalita pomocí druhu ztrát dominujících v materiálu. ZmČna elektrických veliþin je zpĤsobena chemickým procesem a s tím spojenými aspekty jako je napĜíklad pnutí v materiálu nebo tvorba pórovité struktury. PĜítomnost zámČsové vody pĜi tvorbČ betonové smČsi ovlivĖuje jakost materiálu v podobČ výsledné tahové a tlakové pevnosti, ovlivĖuje pórovitost. PrávČ póry a jejich tvorba poskytují zdroj informací o mnohých vlastnostech látky [1]. Informují o deformacích struktury, stupni mechanických napČtí a o technologických dĤsledcích pórovité látky (pevnost, vodotČsnost, mrazuvzdornost, smrštČní aj.). Pórovitost cementového kamene je složena z pórĤ jednak vzniklých v þerstvém betonu (a které zĤstaly i ve ztvrdlém betonu), a jednak z pórĤ vzniklých pĜi hydrataci cementu. Póry lze rozdČlit na makropóry (prĤmČr d > 1 µm, technologické PT a provzdušĖovací PP) a na mikropóry s prĤmČrem do 1 µm (nČkteĜí autoĜi uvádí až 10 µm), které jsou dále rozdČleny na gelové PG, hydrataþní PH a kapilární PK. Celková pórovitost cementového kamene PCK je souþtem [1]:
PCK
PT PP PG PH PK
(1)
2. Popis mČĜeného materiálu a elektrod Elektrody (Fig. 1) byly vyrobeny dvojího typu. První z mosazného plechu tloušĢky 1 mm a plošných rozmČrech 25x40 mm. Druhé z hlazené oceli o prĤmČru 6 mm a délce 75 mm (zapuštČná délka 65 mm). ZapuštČné elektrody (Fig. 2) jsou zapuštČné za pomoci teflonové desky, která zaruþuje meziosovou vzdálenost elektrod 3 cm a jejich rovnobČžnost.
Obr. 1 Typy elektrod zapouštČných do betonu Fig. 1 Type of electrodes sunk into concrete
150
DEFEKTOSKOPIE 2010
Receptura betonu
1 m3
Vodní souþinitel
0,33
Mechanické vlastnosti Zpracovatelnost
F4
CEM I 42,5 R Mokrá 420 Metakaolin Mefisto K05 35
fc1 [MPa] E1 [GPa]
48,4 29,0
Voda Superplastifikátor Písek 0/4 Kinsky
150 7,5 625
fc2 [MPa] E2,rh=95 [GPa] E2,rh=60 [GPa]
60,5 30,4
DrĢ 4/8 Litice DrĢ 8/16 Litice
245 975
fc28 [MPa] E28,rh=95 [GPa] E28,rh=60 [GPa]
105,1 40,5 37,3
Tab. 1 Receptura betonu a jeho mechanické vlastnosti Tab. 1 Recipe of concrete and its mechanical properties
Obr. 2 Zobrazení pracovištČ (betonové vzorky, pĜístroje a zapuštČné elektrody). Vzorek vpravo oznaþen þíslo 1, vzorek vlevo oznaþen þíslo 2 a v prĤbČhu experimentu obalen smršĢovací folií Fig. 2 Display of work place (concrete samples, devices and embedded electrodes). Sample No. 1 is labeled on the right, left sample is labeled number 2 during the experiment wrapped in shrink foil Beton byl míchán v laboratorní míchaþce v množství 35 l. Pro mČĜení pevnosti v tlaku fc byly zhotoveny krychle o hranČ 150 mm a pro mČĜení metodou impedanþní spektroskopie a pro mČĜení statických modulĤ pružnosti E hranoly o rozmČrech 100x100x400 mm. První hodnoty pevností a modulĤ pružností byly mČĜeny ve stáĜí
DEFEKTOSKOPIE 2010
151
24-26 hodin, další ve stáĜí 2 dny a 28 dní, obojí na vzorcích uložených ve vlhkém uložení (r.h. 95 %) a na vzduchu v laboratoĜi (r.h. 60 %). Elektrody byly do mČĜené smČsi vloženy za cca 15 minut od namíchání, pĜiþemž vlastní mČĜení zapoþalo po 1,5 hodinČ. U této smČsi s vodním souþinitelem 0.33 je patrné, že statické moduly pružnosti a pevnosti v tlaku se se stáĜím zvyšují. Svoji roli zde patrnČ hraje voda ve struktuĜe a utváĜení výše zmínČné pórovité struktury. 3. Výsledky Realizovaná kontinuální mČĜení v rozsahu až 1080 hodin poskytla Ĝadu þasových závislostí elektrických veliþin. K analýze byly zvoleny níže prezentované závislosti. Graf na obrázku 3 srovnává elektrickou kapacitu vzorku v oblasti elektrod pĜi frekvenci elektrického pole 1 kHz. Kapacita se mírnČ liší pro plošné elektrody a trubiþkové elektrody. Je to zpĤsobeno tvarem elektrod, jejich plochou, vzdáleností elektrod a vlivem orientace elektrod vzhledem ke kovové formČ pro výrobu experimentálního vzorku. Není naším zámČrem srovnávat absolutní hodnoty elektrické kapacity mezi rozdílnými elektrodami. 10
-6
10
-7
10
-8
10
-9
1 plain 2 cilindrical
C/F
R /:
1000
100
1 plain 2 cilindrical
0.1
1
10 t / hour
100
1000
0.1
1
10
100
1000
t / hour
Obr. 4 Elektrický odpor vzorku za použití Obr. 3 Kapacita vzorku za použití dvou dvou typĤ elektrod, f=1 kHz typĤ elektrod, f=1 kHz Fig. 3 El. capacity of sample for two Fig. 4 El. rezistance of sample for two different type of electrodes, f=1 kHz different type of electrodes, f=1 kHz V obrázku 3 pozorujeme v prvních hodinČ minimální nárĤst kapacity u obou použitých elektrod, po první hodinČ od zapoþetí mČĜení, což odpovídá pĜibližnČ 1,5 hodiny od namíchání, dochází k poklesu kapacity o jeden Ĝád. Krátce pĜed 10 hodinou pozorujeme u plošných elektrod nárĤst kapacity, který mĤže být zpĤsoben pĜechodem mezi mČĜícími rozsahy použitého RLCG mostu, ale také možnou manipulací se vzorkem pĜi aplikaci þidel metody akustické emise. Podstatný je však nárĤst hodnot kapacity u plošných elektrod po 10 hodinČ, u hodnot kapacity válcových elektrod k nárĤstu nedochází, pouze se zvolĖuje klesání hodnoty kapacity. ZámČsová voda dosud zaplĖuje prostor mezi þásticemi smČsi, vzorek je dosud plastický a napČtí ve vzorku je minimální, je kompenzováno transportem vody a zmČnou polohy nČkterých þástic. Voda se stále více váže na þástice pojiva. Pórovitost roste.
152
DEFEKTOSKOPIE 2010
Po 15 hodinČ však kapacita vzorku u plošných elektrod opČt klesá. Po 23,5 hodinČ nastává u obou kĜivek výraznČjší pokles, kĜivka však naváže na pĤvodní trend poklesu ve 35. hodinČ. Zbývající zámČsová voda pĜipomínající nyní spíše elektrolyt s permitivitou vyšší než permitivita vzduchu se navazuje na pojivo a mizí z makropórĤ. V materiálu klesá permitivita a tím elektrická kapacita. Lze se domnívat, že ve vzorku narĤstá výraznČ pnutí, vzorek pĜestává být plastický, roste þetnost mikrotrhlin. Po pĜibližnČ 100 hodinách mČĜení nabývají hodnoty kapacit srovnatelných hodnot a po zbytek doby zrání betonu se hodnoty výraznČ neliší. Tvar kĜivek v logaritmických souĜadnicích na obou osách v þase od 10. hodiny není v celém intervalu pĜímkový, nelze použít aproximaci logC=k*logT + q, kde k a q jsou koeficienty, proto zmČny elektrické kapacity neprobíhají exponenciálnČ v celé zbylé þásti intervalu. V grafu logaritmické závislosti elektrického odporu na logaritmu þasu log R(log t) srovnáváme elektrický odpor pĜi frekvenci budícího elektrického pole 1 kHz obou typĤ použitých elektrod. OpČt nelze porovnávat hodnoty mČĜené veliþiny, pouze zmČny ve spektru a trendy. OpČt pozorujeme srovnatelný tvar spektra u obou typĤ elektrod do doby 8 hodin. Následuje nárĤst a na nČkolik hodin pokles u kĜivky elektrického odporu urþeného pomocí válcových elektrod, zatímco hodnoty odporu u druhé kĜivky neklesají. NapČtí v betonovém dílci je malé, je kompenzováno plastiþností materiálu. Od 10 hodiny drží obČ kĜivky stejný trend. Roste elektrický odpor, roste pórovitost a napČtí v materiálu. Po 13 hodinČ až do doby 100 hodin jsou hodnoty elektrického odporu srovnatelné. Hodnoty elektrického odporu mČĜeného deskovými elektrodami rostou více prudce než u válcových elektrod. V závČru intervalu pozorujeme hodnoty 6000 ȍ a 3500 ȍ. PĜi pohledu na celá spektra opČt nelze nahradit prĤbČh zmČn elektrického odporu pĜi hydrataci pĜesnČ exponenciální závislostí, mĤžeme zatím Ĝíci, že nejblíže k exponenciálnímu prĤbČhu je kĜivka odporu betonu u válcových elektrod od 8. hodiny. PĜi hledání trendu u této kĜivky docházíme k tvaru pomyslné obálky kĜivky v podobČ: logR = +0.832log T +0.971. po odlogaritmování: R=9.4*(T^0.8). NejpodstatnČjší je parametr exponentu 0.8, který se ukazuje velmi podobný i u jiných cementových smČsí. V grafu na obrázku 4 pozorujeme od pĜibližnČ páté hodiny hydratace exponenciální nárĤst elektrického odporu vzorku. PĜedpokládá se úzká souvislost s nárĤstem pórovitosti, ke kterému dochází pĜítomností gelových pórĤ, hydrataþních pórĤ a kapilární pórovitosti. Za využití Fagerlundova empirického vztahu pro stupeĖ hydratace cementu bude hledán podíl druhĤ pórĤ na celkové pórovitosti a její závislost na þase hydratace. Velmi zajímavými a komplexními jsou spektra ztrátového þinitele tan į na frekvenci pro celé období hydratace. Na obrázcích 5 a 6 jsou znázornČna spektra u válcových elektrod.
DEFEKTOSKOPIE 2010
153
Obr. 5 Ztrátový þinitel v þase - vzorek þ.1, Obr. 6 Ztrátový þinitel v þase - vzorek þ.1, mČĜeno válcovými elektrodami, pohled 1 mČĜeno válcovými elektrodami, pohled 2 Fig. 6 Dielectric loss factor at time Fig. 5 Dielectric loss factor at time dependency - sample no.1, cylindrical dependency - sample no.1, cylindrical electrodes measured, face 1 electrodes measured, face 2 Po desáté hodinČ se hodnoty zvyšují, to odpovídá nárĤstu pevnosti v tlaku, napČtí ve vzorku narostlo. Odtud se objevené maximum plochy pĜesunuje s þasem k nižším þástem spektra a jeho absolutní hodnota klesá. PĜítomnost obloukového tvaru kĜivky svČdþí o dominujících polarizaþních ztrátách pĜed vodivostními.
Obr. 7 Ztrátový þinitel v þase - vzorek þ.1, Obr. 8 Ztrátový þinitel v þase - vzorek þ.1, mČĜeno plošnými elektrodami, pohled 2 mČĜeno plošnými elektrodami, pohled 1 Fig. 8 Dielectric loss factor at time Fig. 7 Dielectric loss factor at time dependency - sample no.1, planar dependency - sample no.1, planar electrodes measured, face 1 electrodes measured, face 2 Na obrázcích 7 a 8 vidíme opČt spektra ztrátového þinitele v plošném grafu pro mČĜení pomocí deskových elektrod, velmi podobného prĤbČhu i hodnotami pĜedchozímu pĜípadu. Velmi znepokojivými jsou pĜítomnosti úzkých extrémĤ. První se nachází pĜi první fázi tuhnutí pouze u nejvyšších frekvencí elektrického pole, které však pouze ukazují na vliv tvaru elektrod na výsledek mČĜení. Daleko komplikovanČjší se jeví pĜítomnost úzkého valu kolem 10 hodiny, který však zaþíná dĜíve u nižších frekvencí a konþí pozdČji u vyšších frekvencí. Koresponduje
154
DEFEKTOSKOPIE 2010
s pozorovanou anomálií u závislosti elektrické kapacity na þase ve stejném intervalu tuhnutí, stejnČ jako s poklesem elektrické vodivosti v uvedeném intervalu.
Obr. 9 Ztrátový þinitel v þase - vzorek þ.2, mČĜeno válcovými elektrodami, pohled 1 Fig. 9 Dielectric loss factor at time dependency - sample no.2, cilindrical electrodes measured, face 1
Obr. 10 Ztrátový þinitel v þase - vzorek þ.2, mČĜeno válcovými elektrodami, pohled 2 Fig. 10 Dielectric loss factor at time dependency - sample no.2, cylindrical electrodes measured, face 2
Obr. 12 Ztrátový þinitel v þase - vzorek Obr. 11 Ztrátový þinitel v þase - vzorek þ.2, mČĜeno plošnými elektrodami, þ.2, mČĜeno plošnými elektrodami, pohled 2 pohled 1 Fig. 11 Dielectric loss factor at time Fig. 12 Dielectric loss factor at time dependency - sample no.2, planar dependency - sample no.2, planar electrodes measured, face 1 electrodes measured, face 2 V grafech na obrázcích 9 a 10 jsou vyjádĜena spektra ztrátového þinitele mČĜeného za použití válcových elektrod, pro hydrataci vzorku þ.2, který byl v po celý þas experimentu obalen. Spektra mají opČt hladkou návaznost, maximální hodnota, které dosáhnou je 166, která je srovnatelná s hodnotou u neobaleného vzorku þ.1, která
DEFEKTOSKOPIE 2010
155
byla 140. U neobaleného vzorku (þ.1) pozorujeme v prvních 10 hodinách hydratace pĜi nejvyšších použitých frekvencích vyšší hodnoty ztrátového þinitele a na konci mČĜení(doba t~1000h) je vidČt rychlejší pĜesun maxima kĜivek k nižším frekvencím, než u spekter pro obalený vzorek (v grafu to znaþí užší oblast jediné barvy). U obaleného vzorku dochází pouze k autogennímu smršĢování, zatímco u neobaleného vzorku se projeví plastické smrštČní a smrštČní vysycháním. Každé smrštČní je dĤsledkem mimo jiné zmČn kapilárního tlaku. Lze se domnívat, že vysoké hodnoty ztrátového þinitele u neobaleného vzorku, pĜi použití plošných elektrod k realizaci mČĜení, jsou projevem více druhĤ smršĢování a vyššího pnutí, kdežto u obaleného vzorku není dosahováno tak vysokých hodnot ztrátového þinitele a pnutí ve vzorku je nižší. 4. ZávČr V prĤbČhu 45 dní byla sledována hydratace a tuhnutí betonu uvedeného složení, pomocí dvou typĤ elektrod. Získané þasové a frekvenþní závislosti ukázaly nČkteré rozdíly ve spektrech elektrických veliþin závislé na typu elektrod. BČhem hydratace betonového vzorku nedocházelo v prvních hodinách k výrazným zmČnám v mČĜených elektrických veliþinách, ke zmČnám dochází v intervalu 4 až 50 hodin (pĜibližnČ). ZmČna elektrického odporu a kapacity vzorku znaþí zmČny napČtí ve vzorku, které dosahují vyšší intenzity rĤznČ rychle. Odformování vzorku nemČlo zásadní vliv na prĤbČh hydratace. 5. PodČkování Tento pĜíspČvek vznikl za podpory projektĤ GAýR Project No. 104/10/P012 “Impedance spectroscopy of concrete featuring various capillary porosity levels” a 103/09/P263 “Concrete impedance spectroscopy model design and its interpretation”. AutoĜi pĜíspČvku za tuto podporu dČkují. Literatura [1] [2]
[3] [4]
[5]
[6] [7]
[8] [9]
[10]
156
Pytlík P., Technologie betonu (Vysoké uþení technické v BrnČ, VUTIUM, Brno, 2000). ISBN 80-214-1647-5 Kusák I., LuĖák M., Impedance Spectroscopy Measurement Of Concrete Hydration By Miscellaneous Medium, in: InterTech 2008 - I International Interdisciplinary Technical Conference of Young Scientist, 122-124, Politechnika Poznan, Polsko, 2008, ISBN 978-83-926896-0-7 Kusák, I., LuĖák, M., Pazdera, L., Impedanþní spektroskopie samozhutnitelného betonu pĜi tuhnutí, in: NDT Welding Bulletin 2/2008, roþník 18, 22-25, vydáno 10.2008, ISSN 1213-3825 LuĖák M., Kusák I., Pazdera L., Bílek V., Sledování hydratace betonu v odlišném prostĜedí metodou impedanþní spektroskopie, in: The E-Journal of Nondestructive Testing, 141-146, 2008 ndt.net, ISSN 1435-4934 Kusák, I., LuĖák, M., Impedance Spectroscopy of Ceramic (Plain) Roofing Tiles, pĜíspČvek na konferenci I International Interdisciplinary Technical Conference of Young Scientist Intertech 2009, ISBN 978-83926896-0-7, Politechnika Poznan, Poznan, Polsko, 2009 Kusák, I., LuĖák, M., Matysík, M.; TopoláĜ, L., Stanovení topného faktoru tepelného þerpadla, þlánek v Media4u Magazine, ISSN 1214-9187, http://www.media4u.cz/, 2010 LuĖák, M., Kusák, I., Pazdera, L., Non Destructive Testing of Cetris-Basic Wood-Cement Chipboards by Using Impedance Spectroscopy, pĜíspČvek na konferenci The 10th International Conference of The Slovenian Society for Non-Destructive Testing "Application of Contemporary Non-Desructive Testing in Engineering", ISBN 978-961-90610-7-7, Slovensko drustvo, Slovinsko Ljubljana, 2009 Kusák, I., LuĖák, M., Impedanþní spektroskopie samozhutnitelného betonu, pĜíspČvek na konferenci MVK 2009, ISBN 978-80-7204-629-4, CERM, Brno, 2009 LuĖák, M., Kusák, I., Debye's model of impedance spectroscopy, pĜíspČvek na konferenci II International Interdisciplinary Technical Conference of young scientist Proceedings, ISBN 978-83-926896-1-4, Uczelniany Samorzad Doktorantow Politechniki Poznanskiej, Poznan, 2009 LuĖák, M., Kusák, I., Electric And Temperature Properties Of Concrete Setting Measurement Set, pĜíspČvek na konferenci Defektoskopie 2009 - NDE for Safety, ISBN 978-80-214-3973-3, BETIS, Praha, 2009
DEFEKTOSKOPIE 2010
