Таблица 3.3

Название минерала

Удельное электрическое сопротивление. Ом м

Кварц Ю - Ю

Полевой шпат 10" - 10*

Слюда (мусковит) ю" - ю

Кальцит

таблица 3.4

Горная порода

Удельное электрическое сопротивление. Ом м

Сухая порода

Влажная порода

ни закристаллизованности новообразований, определяемой условиями твердения, и количества адсорбционно связанной воды может достигать 10 - 10" Ом-м [44]. Охедовательно, изменяя в нужном направлении фазовый состав и структуру цементного камня, можно получить материал с повышенными диэлектрическими свойствами. Результаты экспериментальных исследований электрических свойств цементного камня, полученного при различных условиях твердения, полностью подтвердили выводы, сделанные на основании анализа свойств отдельных кристаллогидратов. Действительно, переход от "нормальных" режимов твердения портландцемента к гидротермальным (в среде насыщенного пара при атмосферном, а также при повышенном давлении) приводит к улучшению диэлектрических свойств цементного камня. Электрическое сопротивление последнего возрастает при зтом на 2-3 порядка, резко уменьшаются диэлектрические потери в образцах как в воздушно-сухом состоянии, так и высушенных до постоянной массы при Т= 378 К [45].

Входящие в состав бетона зерна крупного и мелкого заполнителей представлены, как правило, плотными изверженными, осадочными или метаморфическими породами: гранитом, базальтом, известняком, кварцевым или кварц-полевошпатным песком, кварцитом, мрамором и др. Породообразующие минералы, составляющие основу указанных пород, представлены оксидами (кварц), силикатами и алюмосиликатами (полевые шпаты, слюды) и карбонатами (кальцит). В сухом состоянии они имеют очень высокое удельное электрическое сопротивление (табл. 3.3), в связи с чем некоторые из шх (например, слюда, мрамор) широко используются в технике в качестве диэлектриков.

Удельное же электрическое сопротивление горных пород (табл. 3.4) даже в воздушно-сухом состоянии значительно ниже, чем у образующих их минералов- Объясняется это тем, что эти породы обладают пористостью, внутренняя поверхность которой адсорбирует влагу, в резульга-

те чего и происходит снижение электрического сопротивления. Этот параметр у влажных пород еще более снижается, сохраняя, однако, достаточно высокое абсолютное (более 10* Ом-м) эначение. Следовательно, все эти материалы можно также отнести к классу диэлектриков, обладающих ионной электрической проводимостью.

В бетоне в определенных условиях возможно присутствие кристаллов льда, имеющих молекулярную решетку. Она также обладает очень высоким удельным электрическим сопротивлением, которое изменяется от 3-10 до З-Ю Ом-м при изменении окружающей температуры от О до 253 К [46].

Таким образом, твердая фаза в обычном бетоне обладает очень низкой электрической проводимостью ионного характера и может быть классифицирована как диэлектрик, а вклад ее в суммарную проводимость системы будет незначительным.

Влага, заполняющая норовое пространство бетона, представлена электролитом, содержащим находящиеся в метастабильном равновесии ионы Са*, ОН", AIO2, FeOj, SiOl", SOj" и др., причем первые два значительно преобладают над остальными [46].

И.Н. Ахвердов и Ф.Я. Ковалев [47] установили, что электрическая проводимость электролита в бетоне отражает кинетику физико-химических процессов при твердении цементного камня. В.И. Бабушкин [48] указывает, что из-за сложной макро- и микрокапиллярной структуры бетонный электролит сильно отличается по физико-химическим свойствам от обычных жидких электролитов, причем свойства эти непрерывно изменяются во времени.

В [44] предложено все носители тока жидкой фазы разбить на три группы:

свободные ионы, обладающие концентрацией и подвижностью, свойственными ионам обычного раствора; наличие их пропорционально содержанию "свободной" воды в порах, поэтому роль их в проводимости системы незначительна и становится заметной только в насыщенных водой крупнопористых бетонах;

ионы диффузной части двойного слоя, определяющие в основном электрическую проводимость системы; они представлены в основном катионами кальция, подвижность которых уменьшается по мере приближения к стенкам пор;

противоионы адсорбированной части двойного слоя и ионы его внутренней обкладки, не участвующие в переносе тока при малых напря-женностях электрического поля, так как для их перемещения необходимо преодолеть мощные электростатические силы, сравнимые со связями твердого тела. Таким образом, электрическая проводимость жидкой фазы в бетоне будет зависеть от его влажности. При малом ее значении ионы находятся в связанном состоянии, а молекулы воды жестко ориентированы и, следовательно система будет иметь малую электрическую проводимость. Рост влажности приводит к утолщению

адсорбированной пленки воды, что сопровождается появлением диффузной части двойного слоя, увеличением подвижности ионов и проводимости системы.

Кроме влажности, электрическая проводимость бетона будет также зависеть от его структуры и возраста, а также от температуры окружающей среды. Действительно, как показано в [44], подвижность ионов вдоль поверхности твердого тела под действием электростатических сил понижена и зависит от удаления их от последней. Кроме того, она обратно пропорщюнальна вязкости воды, которая возрастает с уменьщением радиуса капилляров. Следовательно, снижение пористости бетона будет сопровождаться ростом его удельного сопротивления. С увеличением возраста бетона, в случае, если он не подвергается воздействию агрессивной среды, приводящей к его коррозии, под действием продолжающихся процессов твердения цементного камня происходит уплотнение его структуры и, следовательно, рост удельного электрического сопротивления системы.

Повьинение температуры бетона приводит к увеличению подвижности носителей и некоторому падению вязкости воды, что способствует росту электрической проводимости. При снижении же температуры происходит сначала медленное, а при переходе в область низких температур все более интенсивное уменьщение проводимости по мере образования льда в порах бетона.

Электрическая проводимость пор, заполнен1£ых воздухом или водяным паром, практически незначительна, так как все газы в нормальном состоянии не являются проводниками электрического тока. Заметно электропроводными они становятся только при сравнительно высоких напряженностях электрического поля, когда под влиянием последнего будет происходить электрический разряд в них [73]. Влияние пористости, таким образом, проявляется при сравнительно небольшом ее удельном содержании в пропорциональном уменьшении электрической проводимости системы, при высокой же пористости ее влияние выражено более сильно.

Таким образом, на основании проделанного анализа можно сделать вывод, что электрическая проводимость обычного бетона отличается большой нестабильностью как во времени, так и в зависимости от температурно-влажностных условий окружающей среды. Сразу после затворения водой удельное электрическое сопротивление смеси сначала (до окончания схватывания цемента) падает и зависит практически от состава бетона и температуры. В процессе образования кристаллизационной структуры электрическое сопротивление системы начинает возрастать, что объясняется уменьшением количества жидкой фазы как за счет взаимодействия с клинкерными материалами, так и испарения ее в окружающую среду. При насыщении водой бетона, в котором закончились процессы твердения, он становится проводником с низким удельным электрическим сопротивлением, около