早龄期混凝土材料介电常数与试验测试频率关系研究

袁 磊 荆旖昕 曲成平 钟国麟

(青岛理工大学土木工程学院 山东 青岛 266033)

早龄期混凝土材料介电常数与试验测试频率关系研究

袁 磊 荆旖昕 曲成平 钟国麟

(青岛理工大学土木工程学院 山东 青岛 266033)

近年来，实验科学对非破坏性测试青睐有加。介电常数作为基本材料特性，常被作为微波近场无损检测技术的测量对象用以表征测试材料的性能。本文旨在研究早龄期混凝土材料介电常数的实部和虚部与试验测试频率的关系，为非破坏性测试的进一步发展提供理论研究思路与技术支撑。

非破坏性测试；介电常数；测试频率

一、引言

应用微波近场无损检测技术的先决条件是不同混凝土材料间介电性能的差异。譬如密实度、空隙含量、含水量等材料参数均可通过材料介电常数的测量来反映[1]。此外，理想的多相复合介质介电常数模型是应用微波近场无损检测技术进行非破坏性测试的理论关键。介电常数作为微波近场无损检测技术所反映的材料最基本和最重要性质可以表示为式(1)：

(1)

针对以上研究现状，本文着重研究了早龄期混凝土材料介电常数的实部和虚部与测量频率之间的关系，且研究成果将为微波近场无损检测技术的实际应用提供理论研究思路和技术层面的支撑。

二、试件的测量设计与准备

(一)测量设计

为便于研究早龄期混凝土材料的介电常数与测量频率的关系，试验将制备构件尺寸为150mm×150mm×150mm的标准混凝土试块。混凝土试块配合比取水:水泥:砂子:石子=0.5:1:1.79:3.63，水泥标号为P.O 42.5。将试块置于标准养护条件(温度20°C±2°C、相对湿度95%RH以上)分别养护7天、14天、28天。养护结束后将不同龄期混凝土试块将分别使用Keysight E5080A网络分析仪进行不同频率下的介电常数测量，在完成对测量数据的拟合工作之后，将得到早龄期混凝土材料介电常数与测量频率的关系。

(二)试件的准备

试验过程中，混凝土试块在经机械搅拌形成，振动台振动均匀之后，置于标准条件下在固化箱中进行混凝土试块的养护，24h后脱模，脱模后在养护室中养护7天、14天、28天。养护结束后，取测量频率范围为500MHz～5GHz，分别测量混凝土试块4个侧面的介电常数值，并计算平均值作为该试块介电常数代表值。

(三)介电常数的测定方法

本试验通过Keysight E5080A网络分析仪采用同轴探头法进行介电常数的测量工作，如图1所示。网络分析仪与3mm同轴传输电缆线相连，传输线末端接有同轴高温探头，并使用夹具固定同轴探头，通过移动混凝土试块实现探头对不同测点的测量。在使用E5080A网络分析仪测量介电常数前，需先进行空气、短路件及25°C纯水的校准工作。在完成系统误差的校准工作后，使用反射系数计算被测材料的介电常数。

图1 E5080A网络分析仪及其他试验仪器

三、介电常数与测量频率的关系

(一)早龄期混凝土介电常数测量值

图2 介电常数(实部)与测量频率图

(二)数据的拟合与分析

介电常数的虚部ε″r与测量频率具有二次多项式关系。不同龄期的混凝土介电常数与测量频率之间的关系的相关系数如表2所示。相关系数的数据均大于0.9，从中不难看出，介电常数与频率之间的关系曲线拟合较好。

表和测量频率的相关系数表

表2 ε″r和测量频率的相关系数表

混凝土材料的介电常数在探地雷达的测量过程中具有明显的频散特性，随着反映频率增加，介电常数下降。随着测试频率的增加，随着电荷和放电时间的变短，其变化的影响变弱，介电常数值呈减小趋势。

从试验结果得知，混凝土材料的介电常数与频率有明显的函数关系，随着频率的增加，介电常数降低。

四、结论

1.水泥混凝土试样介电常数的实部与测量频率呈对数关系。2.水泥混凝土试样介电常数的虚部与测量频率呈二次多项式关系。3.水泥混凝土的水泥比与介电常数有关，介电常数随水灰比的增加而增加。

[1]张勇.路面结构层材料介电特性试验研究[D].郑州：郑州大学，2005.

[2]张蓓.路面结构层材料介电特性及其厚度反演分析的系统识别方法——路面雷达关键技术研究[D].重庆：重庆大学，2003.

袁磊(1991-)，男，汉族，山东青岛，在读研究生，青岛理工大学，国标混凝土介电常数研究；荆旖昕(1992-)，女，汉族，山东青岛，在读研究生，青岛理工大学，土木工程结构与成本控制研究。