Файл: Ананьин, Г. П. Управление качеством продукции на заводах железобетонных изделий учебное пособие.pdf

- 56 -

где <Ч/- поляризуемость молекулы; Е - напряженность поля;

60 - диэлектрическая проницаемость s вакууме;

Л- количество поляризующихся молекул.

Макроструктурная (объемная) поляризация может возникать в многофазной системе, состоящей иг кристаллов, обладающих рагличными свойствами, и пустот, заполненных жидкостью или вогдухом.

При наложении внешнего электрического поля свободные влекТ' роны и ионы, содержащиеся в проводящих и полупроводящих вклю­ чениях, начинают перемещаться в пределах каждого включения. Включение приобретает дипольный момент, и его можно уподобить большой молекуле.

Время макроструктурной поляризации на порядок больше электронной,и вследствие того, что это время совпадает с ча­ стотой применяемых в практике электромагнитных полей, такую поляризацию называют релаксационной.

Кроме того, в неэатвердевшем бетоне имеет место так называемая электрохимическая поляризация, возникающая при про­ хождении тока через влажные многофазные породы. Причинами электрохимической поляризации являются процессы электроос­ моса (перемещения молекул жидкости с зарядом одного знака к электроду противоположной полярности); электрофореза (смеще­ ния заряженных твердых частиц н электроду 'противоположного знака); перераспределения концентрации растворов; возникнове­ ния продуктов электролиза; окислительно-восстановительные.

Электрохимическая поляризация протекает значительно мед­ леннее, чем другие типы поляризации. Время поляриэации и ее величина тем больше, чем подвижнее молекулы материала, и опре­ деляются по спаду тока в образце через определенный период.

Суммарная поляризация бетона представляет собой средний дипольный момент единицы объема и выражается суммой всех ти­

- 57 -

где (Х0 - условный средний коэффициент поляризации. Некоторые естественные и искусственные кристаллы обладает

особыии поляризационные свойствами, выражающимися в пьезоэф­ фекте, пироэффекте, явлениях сегнетоэлектричества и поляриза­ ции при трении.

Пьезоэлектрический эффект заключается в поляризации крис­ таллов при механических деформациях. При нагружении кристал­ ла пьезоэлектрика на его противоположных плоскостях возникают разноименные заряды, которые после снятия нагрузки исчезают. Эффект обратим, т.е. при помещении кристалла в электрическое поле происходит его деформация.

Подача на плоскости кристалла переменного напряжения вы­ зывает его вибрацию. Наибольшая амплитуда колебаний достигает­ ся в том случае, когда электрическая ось минерала совпадает с направлением силовых линий поля и частота поля соответствует резонансной частоте кристалла. Частота собственных колебаний кристалла определяется его размерами. Так, для типичного пьезо­ электрика - кварцевой пластины - она может быть определена из выражения

где Ек - модуль упругости кварца вдоль оси, перпендикуляр*- ной направлению излучения;

рк - плотность кварца;

d - толщина пластинки кварца.

ваться при изменении температуры. Это явление называется пироаффектом, а минералы - пироэлектриками. При нагревании крис­ талла пироэлектрика на одном конце возникают положительные, а на. .другом отрицательные заряды. При охлаждении пироэлектри-

- 58 -

ка знаки зарядов меняются. Появление зарядов на концах пиро­ электрика связано с дополнительным смещением диполей вдоль электрической оси под влиянием температуры.

Пироэффект обратим, т.е. при помещении пироэлектрика в электрическое поле и совмещении его электрической оси с направ­ лением силовых линий поля происходит нагревание или охлажде­ ние кристалла. Типичным пироэлектриком является турмалин.

Часть пироэлектриков, у которых внешним электрическим полем можно изменять направленность спонтанной поляризации, относится к группе сегнетоэлектриков. Сегнетоэлектрики облаг дают исключительно высокой диэлектрической проницаемостью, зависящей от температуры, при определенных значениях которой они деполяризуются. К сегнетоэлектрикам относятся борацит, • сегнетова соль, титанаты бария и др.

В состав бетона входят, как правило, минералы диэлектри­ ки и слабые полупроводники, поляризующиеся при трении. Это явление называется трибоэлектричеством. Характер поляризации выражается в том, что один из минералов (с большей диэлектри­ ческой проницаемостью)приобретает положительный заряд, а дру­ гой - отрицательный.

Поляризуемость отдельных минералов, в том числе особые поляризационные свойства, широко используются в аппаратуре контроля. Так, в частности, преобразователи акустической1энер­ гии в электрическую (датчики импульсных методов контроля) из­ готавливаются из кристаллов, обладающих пьезоэффектом.

С учетом взаимодействия диполей внутри поляризованного объема выражение для диэлектрической проницаемости принимает

вид формулы Клаузиуса - Мосотти:

где ОС - коэффициент поляризации атома

с

- 59 -

Диэлектрическая проницаемость большинства твердых минера­ лов, составляющих бетон, при небольших частотах электрического поля изменяется в пределах от 2 до 20. Наименьшее значение 5 наблюдается у минералов, обладающих только электронной поляри­ зацией.

Диэлектрическая проницаемость бетона является функцией значений проницаемости отдельных входящих в его состав мине­ ралов, их концентрации и взаимного расположения. Учитывая хао* тичное расположение минеральных образований в бетоне, следует для расчета Вер пользоваться формулой Лихтеннеккера:

Диэлектрической проницаемостью можно пользоваться в электрических методах контроля при определении влажности ис­ ходных материалов и при наблюдениях за твердением и набором прочности бетона. Установлено, что значения Вер являются ли­

цементом, когда образуются различные химические соединения, не являющиеся нейтральными. В большинстве случаев получающий­ ся раствор носит щелочной характер. Кислотные или щелочные

- 60 -

свойства водных растворов обычно выражаются с помощью водород­ ного показателя pH-Jiov&pitfym степени истинной концентрации

водородных ионов, взятого с обратным знаком. Электрохимическая активность проявляется в поляризации водных растворов под воз­ действием тех или иных физико-химических факторов при отсутст­ вии внешнего электрического поля. По мере твердения бетона сни­ маются концентрация pH и количество воды, изменяется также степень поляризации раствора. Это явление используется в ме­ тоде pH -метрии, который можно применять для контроля про­ цесса нарастания прочности бетона в любых условиях.

§ 12. Методы контроля, основанные на электрическом сопротивлении (проводимости)

Изменение электрических свойств бетона, которое в опреде­ ленных условиях может быть замерено соответствующими прибора- . ми, позволяет-контролировать степень уплотнения бетонной сме­ си, шероховатость поверхности изделия, прочностные характе­ ристики.

Контроль степени уплотнения бетонной смеси по всей длине изделия при продольно-горизонтальном вибрировании иожет быть осуществлен методом измерения омического сопротивления.

При этом методе в момент формования устанавливают в бе­ тонную смесь по всей длине изделия плававшие, электроды. Глу­ бина опускания электродов должна быть такой, чтобы их концы размещались в середине сечения изделия, где предполагается наименьшая степень уплотнения.

На рис. 19 представлен плавающий электрод типа "вилка”.

Рис. 19. Плававший элект­ род типа "вилка" для измере­ ния электрического сопротив­

ления бетонной смеси:

I - колодка; 2 - электрод; 3 - провод

- 61 -

Проведенные на Дубовском заводе железобетонных конструк­ ций исследования уплотнения крупногабаритных изделий на резо­ нансной виброплощадке с нелинейными горизонтальными и верти­ кальными колебаниями показали, что омическое сопротивление на

соответствуют полному уплотнению бетонной смеси в колоннах энергетического строительства с жесткостью 15 - 40 сек. Иэ диаграммы следует, что минимальное сопротивление уплотненной бетонной смеси составляет 250 - 270 ом. Дальнейшее вибрирова­ ние не приводило к уменьшению сопротивления, это свидетельст­ вовало о полном уплотнении смеси.

Контроль шероховатости поверхности готовых железобетон­ ных изделий связан с необходимостью выполнения требований соответствующих СНиП.

В ЛИСИ создан ряд образцов приборов для измерения шеро­ ховатости бетонной поверхности. На рис. 21 представлена схе­ ма прибора для контроля качества поверхности бетонных изделий, разработанная на основе шагового метода ощупывания поверхности при помощи подпружиненных игл.

На передвижном датчике 3 смонтированы подпружиненные иг­ лы и изолированные от корпуса датчика контактные кольца 5. Датчик соединен с измерительным устройством. Один полюс ис­ точника тока соединен постоянно с иглами, другой через пе­ реключатель может соединяться со станиной или с контактными кольцами. Кроме того, в цепь включен сигнализатор I, показываю­ щий замыкание электрических цепей игл.

При измерении твердой поверхности переключатель 2 ста­ вится в положение, замыкающее один полюс источника тока с контактными кольцами 5. До начала касания поверхности иглами электрические цепи всех игл под действием пружин замкнуты, так как иглы 4 соединены с одним полюсом, а кольца 5 - с дру­ гим полюсом источника тока. Когда одна из игл коснется по­ верхности бетона и будет перемещаться вверх относительно дат­ чика 3, электрическая цепь между иглой и ее контактным коль­ цом раэоыкнется. Показания отмечаются как начальная координа­ та шероховатости поверхности. Аналогичная картина произойдет

- 62 -

6)

Омы

Рис. 20. Измерение электрического сопротивления бетонной смеси при ее уплотнении продольно-горизонтальным

вибрированием:

а - электрическое сопротивление на плавающем электроде типа "рамка"; б - электрическое сопротивление на плавающем элект­ роде типа "вилка"; в - электрическое сопротивление бетонной смеси жесткостью 30 - '*0 сек, измеренное "вилкой"