چالش‌های اندازه‌گیری پارامترهای الکتریکی بتن‌های ژئوپلیمر

نویسندگان: ۱. میخا اوزول (Michał KOZIOŁ)، ۲. یاروسلاو زیگارلیکی (Jarosław ZYGARLICKI)، ۳. داریوش زمارزوی (Dariusz ZMARZŁY)، ۴. الژبیتا یانووسکا-رنکاس (Elżbieta JANOWSKA-RENKAS) – دانشگاه پلی‌تکنیک اوپول، لهستان
دانشکده مهندسی برق، اتوماسیون و رایانه (۱)
دانشکده مهندسی ساختمان و معماری (۲)

شناسه ORCID: ۱. 0000-0001-9075-8656؛ ۲. 0000-0001-9330-4369؛ ۳. 0000-0001-9421-4277؛ ۴. 0000-0002-1877-6216

چکیده

این مقاله به بررسی چالش‌های اندازه‌گیری پارامترهای الکتریکی می‌پردازد، به‌ویژه در تعیین مقاومت نمونه‌های بتن. در این پژوهش، سری از آزمایش‌ها با سیستم دو الکترود روی نمونه‌های مختلف بتن ژئوپلیمر انجام شده است. نتایج به‌دست‌آمده نشان می‌دهند که برای دستیابی به روشی تکرارپذیر، بهبود الکترودها و بررسی دقیق اتصالات میان الکترود و نمونه ضروری است.

مقدمه

ویژگی‌های کلیدی عملکردی مصالح ساختمانی، از جمله استحکام، دوام و مقاومت در برابر عوامل محیطی، اهمیت بسیاری دارند. با پیشرفت‌های فناوری، امکان تولید مصالحی با خصوصیات اضافی مانند هدایت الکتریکی به‌شدت افزایش یافته است. این قابلیت‌های جدید می‌تواند جنبه‌های عملی و تشخیصی متعددی در صنعت ساخت‌وساز ایجاد کند. برای نمونه، مصالح سیمانی همچون ملات‌ها و بتن‌ها با افزودن مواد هدایت‌کننده الکتریکی، خواص الکتریکی پیدا می‌کنند.

پارامترهای الکتریکی، به‌ویژه مقاومت الکتریکی، اکنون برای ارزیابی دوام و وضعیت بتن به کار می‌روند. در پژوهشی، فرآیندهای تخریب اصلی بتن نظیر نفوذ یون کلرید و خوردگی آرماتور با مقاومت الکتریکی بتن مرتبط دانسته شدند. برای چنین تحلیل‌هایی، معمولاً دو روش اندازه‌گیری مقاومت حجمی و مقاومت سطحی مورد استفاده قرار می‌گیرند. پژوهش‌های دیگر نیز رابطه بین تنش کششی و مقاومت الکتریکی ماتریس سیمانی تقویت‌شده با الیاف کربن را بررسی کرده‌اند. با این حال، مطالعات مربوط به اندازه‌گیری و تحلیل مقاومت الکتریکی در ترکیب‌های ژئوپلیمری بسیار محدودتر است.

در همین راستا، نویسندگان مقاله حاضر رفتار الکتریکی ژئوپلیمرهای مبتنی بر خاکستر بادی و متاکائولین را بررسی کردند و دریافتند که مقاومت الکتریکی ژئوپلیمرهای خاکستر‌بادی به‌مراتب بیشتر از نوع متاکائولینی است. همچنین، تأثیر افزودنی‌هایی مانند اکسید گرافن بر خواص الکتریکی ژئوپلیمرها نیز مورد مطالعه قرار گرفته است.

افزایش استفاده از نانوذرات و نانوافزودنی‌ها در مصالح ساختمانی و سایر حوزه‌های تحقیقاتی، فضای تازه‌ای برای پژوهش گشوده و ضرورت بازبینی و بهبود مستمر روش‌های اندازه‌گیری و آزمایش را بیش از پیش آشکار کرده است.

چالش‌های اندازه‌گیری پارامترهای الکتریکی

اندازه‌گیری مقاومت یک نمونه بتن با سیستم دو الکترود معمولاً با عدم پایداری همراه است. این مشکل به‌عنوان مثال در نمونه‌های سیمانی و همچنین سیمان حاوی زباله‌های فلزی بازیافتی مشاهده شده است؛ جایی که اندازه‌گیری پایدار تنها پس از ۲ ساعت به دست آمد. این ناپایداری مشکلی مهم است که می‌تواند نتایج را به‌طور قابل توجهی تحت تأثیر قرار داده و تفسیر پارامترهای فردی را مخدوش کند. داده‌های موجود در ادبیات نشان‌دهنده تنوع در رویکردهای اندازه‌گیری هستند؛ برای مثال، تفاوت در ابعاد نمونه، فرکانس و مدت زمان اندازه‌گیری در هر بار.

نوع الکترود مورد استفاده و نحوه اعمال آن بر نمونه آزمایش نیز می‌تواند بر مقادیر مقاومت اندازه‌گیری‌شده تأثیر بگذارد. در بسیاری از مقالات، جزئیات این عناصر به‌درستی شرح داده نشده است که این امر باعث می‌شود تکرارپذیری اندازه‌گیری‌ها عملاً غیرقابل تأیید باشد. نمونه‌هایی از مقادیر مقاومت تعیین‌شده با سیستم دو الکترود در جدول ۱ نشان داده شده‌اند.

روش‌شناسی اندازه‌گیری

سیستم اندازه‌گیری (شکل‌های ۱ و ۲) شامل یک نمونه بتن (PB) است که الکترودهای اندازه‌گیری (E1) و (E2) به آن متصل شده‌اند. مقاومت نمونه با استفاده از یک روش فنی اندازه‌گیری شده و کل مدار با ولتاژ ۲۳۰ ولت متناوب (۵۰ هرتز) از طریق یک ترانسفورمر اتوماتیک (Tr) و یک ترانسفورمر ایزوله (Ts) تغذیه می‌شود.

شکل ۱. نمودار شماتیک سیستم اندازه‌گیری

شکل ۲. نمای کلی سیستم اندازه‌گیری

الکترودهای مورد استفاده

الکترودهای E1 و E2 از یک اسفنج انعطاف‌پذیر تشکیل شده بودند که با ورق آلومینیوم پوشانده شده و یک صفحه آلومینیومی اضافی با ابعاد 5.0 سانتی‌متر × 4.5 سانتی‌متر × 0.15 سانتی‌متر (عرض × ارتفاع × عمق) به آن‌ها افزوده شده بود. این طراحی به منظور تأمین نصب پایدار نمونه بر روی پایه با الکترودها انجام گرفته بود (شکل 3). برای بهبود هدایت الکتریکی در نقطه تماس میان الکترود و نمونه، پیش از هر اندازه‌گیری یک ژل رسانا به این نقطه اضافه شد. در آزمایش‌ها از ژل‌های ECG و USG با pH خنثی (6.7 تا 7.3) استفاده گردید. الکترودها به‌صورت اختصاصی برای هر نمونه ساخته شدند. مطالعات بر روی 5 نمونه بتن ژئوپلیمر (GP1 تا GP5) با ابعاد یکسان 5.0 × 4.5 × 5.0 سانتی‌متر (عرض، ارتفاع و طول) و ترکیبات مختلف اجرا شد.

سیستم اندازه‌گیری

یک سیستم دو الکترودی با ولتاژ متناوب (AC) به مقدار 10.5 ولت به کار گرفته شد. مقدار ولتاژ بر اساس تکرارپذیری نتایج در اندازه‌گیری‌های متوالی برای نمونه‌های فردی و به‌صورت تجربی انتخاب گردید. فرآیند اندازه‌گیری شامل ثبت جریان عبوری از نمونه بود که با استفاده از میلی‌آمپرمتر و اسیلوسکوپ اندازه‌گیری شد.

شرایط آزمایش

آزمایش‌ها پس از گذشت 60 روز از زمان بلوغ نمونه‌ها که دارای محتوای رطوبت متوسط 24% بودند، انجام شد. محتوای رطوبت با یک رطوبت‌سنج جهانی مجهز به حسگرهای حالت جامد اندازه‌گیری گردید. کلیه نمونه‌ها در شرایط محیطی یکسان (دمای هوای 20 درجه سانتی‌گراد و رطوبت نسبی 50-55%) نگهداری شدند. همبستگی میان محتوای رطوبت نمونه‌ها و مقاومت ویژه الکتریکی در این مرحله از مطالعه مورد تحلیل قرار نگرفت.

شکل 3. چیدمان نمونه آزمایشی در سیستم دو الکترودی

روش‌های اندازه‌گیری

دو روش مختلف برای اندازه‌گیری جهت ارائه تأیید اضافی بر شدت جریان ثبت شده و حذف خطاهای تصادفی احتمالی به کار گرفته شد. تمامی اندازه‌گیری‌ها تحت شرایط محیطی یکسان (دمای هوای 20 درجه و رطوبت 56%) انجام گرفت. به دلیل ماهیت تجربی این مطالعه، تحلیل دقیقی بر تغییرات رطوبت خود نمونه یا نوسانات محیطی صورت نگرفت.

محاسبه مقاومت الکتریکی

مقاومت الکتریکی تمام نمونه‌ها بر اساس مقدار مقاومت اندازه‌گیری شده و پارامترهای هندسی الکترودها، طبق فرمول زیر محاسبه گردید:

R = ρ * (l / A)

که در آن: R نمایانگر مقاومت (Ω)، A سطح مقطع الکترود (متر مربع) و l فاصله میان دو الکترود (متر) است. مقاومت الکتریکی به‌عنوان یک مقدار نماینده برای هر نمونه، از میانگین 5 اندازه‌گیری در یک سری مشخص محاسبه شد.

نتایج و بحث

در چارچوب این تحقیق، 5 سری اندازه‌گیری طی 5 روز متوالی انجام شد که در آن‌ها مقاومت در فواصل زمانی مشخص و بر اساس مقادیر ثبت شده تجربی، اندازه‌گیری گردید. طی آزمایش‌ها مشاهده شد که مقاومت الکتریکی نمونه‌ها پس از تقریباً 10 دقیقه به مقدار ثابتی می‌رسد. بنابراین، به منظور مقایسه، مقاومت الکتریکی تمام نمونه‌ها در یک بازه زمانی 10 دقیقه‌ای مورد تحلیل قرار گرفت. همچنین مقدار مقاومت الکتریکی قبل و بعد از اعمال ژل رسانا مقایسه شد. نتایج نمونه‌ای برای نمونه GP5 به شرح زیر به دست آمد:

• بدون ژل: ρ = 5.92 (Ωm)،
• با ژل: ρ = 3.78 (Ωm)

اختلاف به دست آمده نسبت به حالت بدون ژل، حدود 36% بود که رقمی قابل توجه و نشان‌دهنده تأثیر بسیار زیاد بر نتایج است. لذا، تمامی نتایج ارائه شده در این مقاله مربوط به اندازه‌گیری‌ها در سیستم دو الکترودی با استفاده از ژل رسانا است.

جدول نتایج

جدول 2، نتایج نمونه‌ای از مقاومت الکتریکی به دست آمده از اندازه‌گیری‌ها برای نمونه GP1 را نشان می‌دهد.

مقادیر جزئی مقاومت الکتریکی به دست آمده برای کلیه نمونه‌های آزمایش شده، دارای پراکندگی پایین بوده و در روزهای اندازه‌گیری متوالی، مقادیر مشابهی نشان می‌دهند.

میانگین مقادیر مقاومت الکتریکی تعیین شده از اندازه‌گیری‌های انجام شده در روز اول، برای نمونه‌های GP1 تا GP5 در شکل 4 ارائه شده است.

شکل 4. نمونه‌ای از نتایج اندازه‌گیری (اندازه‌گیری‌های روز اول)

تحلیل نهایی

تمرکز کار تحقیقاتی ارائه شده در این مقاله عمدتاً بر مسئله اندازه‌گیری پارامترهای الکتریکی نمونه‌های بتن بوده است، بنابراین تأثیر ترکیبات نمونه بر مقادیر اندازه‌گیری شده و همچنین نیروی فشرده‌سازی وارد بر نمونه مورد تحلیل قرار نگرفته است. نیروی فشرده‌سازی اعمال شده در طول آزمایش برای محدوده پذیرفته شده در این پروژه، کافی و قابل تکرار بود. تحلیل دقیق‌تر نیروی فشرده‌سازی نیازمند انجام آزمایش‌های جداگانه و اختصاصی است.

مقایسه مقادیر مقاومت

با مقایسه مقادیر مقاومت حاصل از اندازه‌گیری‌ها با میلی‌آمپرمتر و اسیلوسکوپ، می‌توان نتیجه گرفت که سیستم اندازه‌گیری به کار رفته، به‌درستی انتخاب شده است. شکل 5، مقایسه نمونه‌ای از مقادیر میانگین مقاومت الکتریکی محاسبه شده بر اساس داده‌های هر دو روش را نشان می‌دهد.

شکل 5. مقایسه مقادیر میانگین مقاومت الکتریکی اندازه‌گیری شده با میلی‌آمپرمتر و اسیلوسکوپ (اندازه‌گیری‌های روز اول)

مقایسه محدوده مقاومت و استحکام

به منظور مقایسه، پارامترهای مقاومت و استحکام نمونه‌های آزمایش شده با یکدیگر مقایسه شدند (شکل 6). ذکر این نکته ضروری است که این مقایسه صرفاً جنبه اکتشافی دارد، زیرا پیش از این مطالعه مشابهی در این زمینه انجام نشده است. یافتن چنین همبستگی‌ای نیازمند انجام آزمایش‌ها و تحلیل‌های چندگانه و همچنین توسعه یک روش قابل تکرار و بازتولید برای اندازه‌گیری مقاومت نمونه‌ها است.

شکل 6. خلاصه‌ای از پارامترهای مقاومت و استحکام نمونه‌های آزمایش شده.

نتیجه‌گیری

بر اساس تحقیق انجام شده، می‌توان به نتایج زیر دست یافت:

• برای اندازه‌گیری در سیستم دو الکترودی، استاندارد ASTM C1760 [16] وجود داشت که در سال 2021 لغو شد و دیگر به طور گسترده مورد استفاده قرار نمی‌گیرد. لذا، تیم‌های تحقیقاتی مجبورند پیکربندی آزمایشگاهی خود را ایجاد کنند. استانداردسازی مشخصی برای نمونه‌های بتن ویژه جهت اندازه‌گیری پارامترهای الکتریکی ضروری است، تا امکان توسعه یک روش‌شناسی استاندارد برای دستیابی به اندازه‌گیری‌های مقاومت پایدار و تکرارپذیر با ولتاژ ثابت فراهم گردد،

چالش‌ها و توصیه‌های اجرایی

– همچنین، تحلیل تأثیر فشار الکترودها بر نمونه آزمایشی از حیث تکرارپذیری و قابلیت بازتولید اندازه‌گیری‌ها ضروری است.

– توصیه می‌شود تحقیقات بیشتری برای توسعه الکترودهای بادوام و قابل استفاده مجدد صورت گیرد. این الکترودها باید مقاومت ذاتی بسیار پایینی داشته باشند، از قابلیت انعطاف کافی برخوردار باشند و بتوانند با دقت بالا به سطح نمونه بچسبند. نویسندگان در مراحل بعدی تحقیق، ساخت الکترودهایی بر پایه پلاتینیوم و لاستیک‌های رسانا را پیش‌بینی می‌کنند که می‌تواند سناریوی آزمایشی تکرارپذیر و قابل بازتولیدی را برای بررسی بتن‌های حاوی افزودنی‌های نانوی مختلف فراهم آورد.

– همچنین، نیاز به بررسی همبستگی میان اندازه‌گیری‌های مقاومت الکتریکی در جریان متناوب (AC) و جریان مستقیم (DC) وجود دارد، زیرا نوع جریان ممکن است بر دقت نتایج تأثیرگذار باشد.

– برنامه آزمایشی باید زمان بلوغ نمونه‌ها را نیز در نظر بگیرد، چرا که در این دوره، مقاومت الکتریکی ممکن است به دلیل رسوب رطوبت از مواد تغییر کند. انجام تحقیقات برای تأیید این همبستگی ضروری است.

– به نظر می‌رسد آزمایش در شرایط محیطی متنوع که شرایط کاری واقعی عناصر سازه‌ای را شبیه‌سازی کند، جنبه مهم دیگری باشد.

– تحلیل تغییرات مقاومت الکتریکی یک نمونه بتن در طول آزمایش‌های استحکام، یک مسیر تحقیقاتی جالب به شمار می‌رود، هرچند توسعه یک روش اندازه‌گیری جداگانه برای آن الزامی است.

مراجع

1. Saleem M., Shameem M., Hussain S.E., et al., تأثیر رطوبت، آلودگی کلراید و سولفات بر مقاومت الکتریکی بتن سیمان پرتلند، Constr. Build. Mater. 10 (3) 209–214, 1996
2. Oleiwi, H.; Wang, Y.; Xiang, N.; Augusthus-Nelson, L.; Chen, X.; Shabalin, I. مطالعه تجربی مقاومت بتن و تأثیر پیکربندی الکترود و فرکانس جریان بر اندازه‌گیری. در Proceedings of the 6th International Conference on Durability of Concrete Structures, ICDCS 2018
3. Cosoli, G.; Mobili, A.; Tittarelli, F.; Revel, G.M.; Chiariotti, P. اندازه‌گیری مقاومت الکتریکی و امپدانس الکتریکی در عناصر ملات و بتن: یک بررسی نظام‌مند. Appl. Sci. 2020, 10, 9152
4. Azarsa P, Gupta R. مقاومت الکتریکی بتن برای ارزیابی دوام: یک مرور. Adv Mater Sci Eng 2017;2017:1–30
5. Payakaniti P, Pinitsoontorn S, Thongbai P, Amornkitbamrung V, Chindaprasirt P. رسانایی الکتریکی و مقاومت فشاری کامپوزیت‌های ژئوپلیمر مقاوم‌شده با الیاف کربن. Constr Build Mater 2017;135:164–76
6. Teomete, E. همبستگی طول ترک و کرنش کششی با مقاومت الکتریکی کامپوزیت‌های ماتریس سیمانی مقاوم‌شده با الیاف کربن که توسط آزمایش خمش سه‌نقطه‌ای و آزمون کشش شکاف اندازه‌گیری شده‌اند. Cem. Wapno, Bet. 2017, 1
7. Cai, J.; Pan, J.; Li, X.; Tan, J.; Li, J. مقاومت الکتریکی ژئوپلیمرهای مبتنی بر خاکستر پرواز و متاکاولین. Constr. Build. Mater. 2020, 234, 1–9
8. Krystek, M.; Dawczyński, S.; Górski, M.; Stepien, M. تحقیق تجربی بر روی خواص مکانیکی و الکتریکی کامپوزیت GO-ژئوپلیمر. در Proceedings of the NICOM6 – Sixth International Symposium on Nanotechnology in ConstructionAt: Hong Kong; 2018
9. Janowska-Renkas, E., & Kaliciak, A. (2020). خواص ژئوپلیمرها از خاکستر پرواز متداول که در دمای افزایش یافته با هیدروکسید سدیم فعال شده و با پودر شیشه حاصل از بازیافت شیشه‌های دورریختنی تهیه شده است. MATEC Web of Conferences, 322, 1–14
10. Norambuena-Contreras J, Quilodran J, Gonzalez-Torre I, Chavez M, Borinaga-Treviño R. ویژگی‌های الکتریکی و حرارتی ملات‌های بر پایه سیمان که حاوی زباله‌های فلزی بازیافتی هستند. J Clean Prod 2018;190:737–51
11. Nagi Ł, Płużek A. قدرت الکتریکی استرهای طبیعی دوز شده با نانوپودر آهن در پوسته کربنی هیدروفوبیک. Materials. 2020;13(8):1–12.
12. Kalus W, Zygarlicki J, Nagi Ł, Kozioł M. کاربرد ساختارهای نانوکربن برای بهینه‌سازی پارامترهای طراحی سطوح رسانا از پدهای الکتروالاستیک. در 2021 6th International Conference on Nanotechnology for Instrumentation and Measurement (NanofIM). 2021. ص. 1–4
13. Jingming Cai, Jinlong Pan, Xiaopeng Li, Jiawei Tan, Jiabin Li, مقاومت الکتریکی خاکستر پرواز و متاکاولین مبتنی بر ژئوپلیمرها، Construction and Building Materials، Volume 234، 2020، 117868،
14. Zainal, Farah Farhana, et al. “مقاومت الکتریکی خمیر ژئوپلیمر با استفاده از روش پروب چهارگانه ونر.” Key Engineering Materials، vol. 660، Trans Tech Publications, Ltd., Aug. 2015، pp. 28–33
15. McCarter, WJ, Taha, HM, Suryanto, B & Starrs, G 2015, ‘اندازه‌گیری‌های مقاومت بتن دو نقطه‌ای: پدیده‌های سطحی در ناحیه تماس الکترود-بتن’, Measurement Science and Technology, vol. 26, no. 8, 085007
16. ASTM C1760—12 روش آزمایش استاندارد برای رسانایی الکتریکی حجمی بتن سخت‌شده.

نویسندگان: dr inż. Michał Kozioł، Politechnika Opolska، Katedra Elektroenergetyki i Energii Odnawialnej، ul. Prószkowska 76، 45- 758 Opole، E-mail: m.koziol@po.edu.pl; dr hab. inż. Jarosław Zygarlicki، Politechnika Opolska، Katedra Elektroenergetyki i Energii Odnawialnej، ul. Prószkowska 76، 45-758 Opole، E-mail: j.zygarlicki@po.edu.pl; prof. dr hab. inż. Dariusz Zmarzły، Politechnika Opolska، Katedra Elektroenergetyki i Energii Odnawialnej، ul. Prószkowska 76، 45-758 Opole، E-mail: d.zmarzly@po.edu.pl; dr hab. inż. Elżbieta Janowska-Renkas، Politechnika Opolska، Katedra Inżynierii Materiałów Budowlanych، E-mail: e.janowska-renkas@po.edu.pl.

منبع و شناسنامه ناشر: PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY، ISSN 0033-2097، R. 98 NR 10/2022. doi:10.15199/48.2022.10.52

منتشر شده توسط PQBlog

مهندس برق

بیشتر بخوانید

پرسش‌های متداول

چگونه می‌توان مقاومت الکتریکی بتن را اندازه‌گیری کرد؟

مقاومت الکتریکی بتن را می‌توان با استفاده از سیستم دو الکترود اندازه‌گیری کرد.

چه عواملی بر مقاومت الکتریکی بتن تأثیر می‌گذارند؟

نوع افزودنی‌ها، اندازه نمونه و شرایط محیطی بر مقاومت الکتریکی بتن تأثیر دارند.

بتن ژئوپلیمر چه مزایایی دارد؟

بتن ژئوپلیمر دارای خواص الکتریکی بهتر و مقاومت بیشتری در برابر عوامل محیطی است.

منبع: powerquality.blog