satНАУКА и ТЕХНИКАScience & Technique2227-10312414-0392Belarusian National Technical Universitysat-886Research ArticleСТРОИТЕЛЬСТВОCIVIL AND INDUSTRIAL ENGINEERINGИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТВЕРДЕНИЯ ЦЕМЕНТОБЕТОННОГО КОНГЛОМЕРАТА МЕТОДОМ ИМПЕДАНСНОЙ СПЕКТРОСКОПИИINVESTIGATION OF CEMENT CONCRETE CONGLOMERATE SOLIDIFICATION PROCESS BY IMPEDANCE SPECTROSCOPY METHODБондаренкоС. Н.BandarenkaS. N.

Кандидат химических наук

PhD in Chemistry

Ander250@mail.ruЧулкинП. В.ChulkinP. V.

Аспирант

Graduate student

Ander250@mail.ruРагойшаГ. А.RagoishaG. A.

Кандидат химических наук

PhD in Chemistry

Ander250@mail.ruКоликовА. О.KolikovA. O.

Студент

Student

Ander250@mail.ruБондаренкоА. С.BandarenkaA. S.

Кандидат химических наук

PhD in Chemistry

Ander250@mail.ruБелорусский национальный технический университетБеларусьBelarusian National Technical UniversityBelarusБелорусский государственный университетБеларусьBelarusian State UniversityBelarusНИИ физико-химических проблем БГУ, МинскБеларусьResearch Institute for Physical Chemical Problems, Belarusian State University, MinskBelarusМюнхенский технический университетГерманияMunich Technical UniversityGermany201507122015065462Copyright © Бондаренко С.Н., Чулкин П.В., Рагойша Г.А., Коликов А.О., Бондаренко А.С., 20152015Бондаренко С.Н., Чулкин П.В., Рагойша Г.А., Коликов А.О., Бондаренко А.С.Bandarenka S.N., Chulkin P.V., Ragoisha G.A., Kolikov A.O., Bandarenka A.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://sat.bntu.by/jour/article/view/886

Одним из перспективных направлений в обеспечении сохранности и увеличения сроков службы дорожных одежд является строительство автомобильных дорог с цементобетонными покрытиями. Современные тенденции обеспечения качества дорожного строительства предусматривают необходимость контроля и управления процессами твердения и последующего разрушения материала при формировании и эксплуатации цементобетонного конгломерата, составляющего основу дорожного покрытия. Актуальность мониторинга процессов формирования и разрушения цементобетонных материалов показывает и многолетняя практика эксплуатации автомобильных дорог на их основе. В качестве инструмента для решения данной задачи предложен и опробован метод импедансной спектроскопии.

Для проведения испытаний изготавливали экспериментальные образцы цементобетона, в которых в качестве мелкого заполнителя использовали фракционированный кварцевый песок и гранитный отсев с размерами частиц от 0,63 до 2,5 мм. Изучены зависимости сопротивления (импеданса) от частоты переменного тока для образцов различной природы и гранулометрического состава. Комплексную величину импеданса измеряли с использованием потенциостата Gamry G300, а анализ спектров и расчет параметров эквивалентной схемы проводили с использованием программы EIS Spectrum Analyzer.

Сравнение спектров импеданса изготовленных образцов цементобетона позволило выявить тенденции изменения параметров спектра при твердении и последующем контакте с влагой для образцов каждого типа. Установлена эквивалентная электрическая схема, характеризующая физико-химические процессы, сопровождающиеся переносом заряда в цементобетонном конгломерате. Показана возможность использования импедансной спектроскопии для решения ряда актуальных задач в области технологии цементобетона, в частности связанных с использованием техногенных отходов (гранитных отсевов в качестве мелкого заполнителя), а также оптимизации минерального и гранулометрического состава цементобетонной смеси для дорожных покрытий. Развитие подхода к исследованию свойств цементобетонных материалов на основе анализа спектров импеданса позволит количественно характеризовать протекающие в них процессы, в частности твердение и коррозию бетона.

One of the most prospective directions in preservation  and increase of service live of  road pavements is a construction of  automobile roads with cement concrete surface. Modern tendencies for provision of road construction quality presuppose a necessity to control processes of solidification and subsequent destruction of the material while forming and using cement concrete conglomerate being considered as a basic element of the road surface.  Multiyear practical experience of  automobile road operation using cement concrete pavements reveals an importance for monitoring  such processes as formation and destruction of cement concrete materials. An impedance spectroscopy method has been tried out and proposed as a tool for solution of the given problem.

Experimental samples of cement concrete have been prepared for execution of tests, graded silica sand and granite chippings with particle size from 0.63 to 2.5 mm have been used as a fine aggregate in the samples. Dependencies of resistance (impedance) on AC-current frequency  have been studied for samples of various nature and granulometric composition. The Gamry  G300 potentiostat has been used for measurement of complex impedance value. A spectrum analysis and calculation of equivalent circuit parameters calculation have been carried out while using EIS Spectrum Analyzer program.

Comparison of impedance spectra for the prepared cement concrete samples have made it possible to reveal tendencies in changing spectrum parameters during solidification and subsequent contact with moisture in respect of every type of the sample. An equivalent electrical circuit has been developed that  characterizes physical and chemical processes which are accompanied by charge transfer in cement concrete conglomerate. The paper demonstrates a possibility to use an impedance spectroscopy for solution of a number of actual problems in the field of cement concrete technology problems. Particularly, the problems are connected with usage of technogenic wastes (e.g. granite chippings as a fine aggregate) and optimization of mineral and granulometric mix composition for road pavement. Development of an approach for investigation of properties on cement concrete materials on the basis of an impedance spectrum analysis will permit  quantitatively to characterize processes which are occurring in them including such processes as concrete solidification and corrosion.

цементобетонимпедансная спектроскопияэквивалентная схемамелкий заполнительтвердение бетонакоррозия бетонагранитный отсевкварцевый песокгранулометрический состав заполнителяcement concreteimpedance spectroscopyequivalent circuitfine aggregateconcrete solidificationconcrete corrosiongranite chippingssilica sandaggregate granulometric compositionReferencesСычев, М. М. Твердение вяжущих веществ / М. М. Сычев. – Л.: Стройиздат (Ленинградское отд-е), 1987. – 80 с.Sychev, M. M. (1987). Binding agents solidification. Lenibgrad, Stroiizdat (Leningradskoe otdelenie). 80 p. (in Russian).Ковалев, Я. Н. Физико-химические основы технологии строительных материалов / Я. Н. Ковалев. – Минск: Новое знание ; М.: ИНФРА-М, 2012. – 285 с.Kovalev, Ia. N. (2012). Physico-Chemical basis of technology of building materials. Minsk, Novoe znanie; Moscow, INFRA-M. 285 p. (in Russian).Сычев, М. М. Твердение цементов / М. М. Сычев. – Л.: ЛТИ, 1981. – 65 с.Sychev, M. M. (1981). Hardening of cements. Leningrad, LTI. 65 p. (in Russian).Сычев, М. М. Современные представления о механизме гидратации цементов / М. М. Сычев. – М. : ВНИИЭСМ, 1984 – 51 с. – (Обзорная информация. Сер. I: Цементная промышленность; Вып.3).Sychev, M. M. (1984). An overview of Modern views on the mechanism of hydration of cement. Moscow, VNIIESM. 51 p. (in Russian).Розенталь, О. М. Радиочастотная диэлькометрия цементных паст. Использование результатов для микроструктурного анализа / О. М. Розенталь, Е. И. Федингин, И. Ф. Ефремов // Коллоидный журнал – 1978. – № 5. – С. 891–897.Rozental', O.M., Fedingin, E. I., & Efremov, I. F. (1978). Radiofrequency dielkometriya cement pastes. Using the results of microstructural analysis. Kolloidnyi zhurnal [Colloid journal], 5, 891-897 (in Russian).Жуковский, В. М. Импедансная спектроскопия твердых электролитических материалов: метод. пособие / В. М. Жуковский, О. В. Бушкова. – Екатеринбург: Уральский госуд. ун-т, 2000. – 35 с.Zhukovskii, V. M., & Bushkova O.V. (2000). Impedance spectroscopy of solid electrolytic materials. Ekaterinburg: Ural state University. 35 p. (in Russian).Ragoisha, G. A. Potentiodynamic Electrochemical Impedance Spectroscopy for Solid State Chemistry / G. A. Ragoisha, A. S. Bondarenko // Solid State Phenomena. – 2003. – Vol. 90–91. – P. 103–108.Ragoisha, G. A., & Bondarenko, A. S. (2003). Potentiodynamic electrochemical impedance spectroscopy for solid state chemistry. Solid State Phenomena, 90-91, 103-108. doi: 10.4028/www.scientific.net/SSP.90-91.103.Разработка электрохимических методов мониторинга процессов твердения и коррозии в цементобетонных материалах / С. Н. Бондаренко [и др.] // Переработка минерального сырья. Инновационные технологии и оборудование - материалы 5-й Междунар. науч.-техн. конф. Минск, 24–25 сент. 2014 г. – Минск: НПО «Центр», 2014. – С. 114.Bondarenko, S. N., Ragoisha, G. A, & Chulkin, P. V. (2014). Development of electrochemical methods for monitoring of processes of hardening and corrosion in cement-concrete materials. Materials of 5-th International scientific-technical conference "Processing of mineral raw materials. Innovative technologies and equipment". Minsk, NPO Tsentr, 114 p. (in Russian).Коррозия бетона и железобетона, методы их защиты / В. М. Москвин [и др.]. – М.: Стройиздат, 1980. – 536 с.Moskvin, V. M., Ivanov, F. M., Alekseev, S. N., & Guzeev, E. A. (1980). Corrosion of concrete and reinforced concrete, methods of their protection. Moscow, Stroiizdat. 536 p. (in Russian).Coupling Between Leaching and Creep of Concrete / J. M. Torrenti [et al.] // Cement and Concrete Research. – 2008. – Vol. 38, №6. – P. 816–821.Torrenti, J. M., Nguyen, V. H., Colina, H., Le Maou, F., Benboudjema, F., & Deleruyelle, F. (2008). Coupling between leaching and creep of concrete. Cement and Concrete Research, 38 (6), 816–821. doi:10.1016/j.cemconres.2008.01.012.Song, H. W. Corrosion Monitoring of Reinforced Concrete Structures / H. W. Song, V. Saraswathy // International Journal of Electrochemical Science. – 2007. – Vol. 2, №1. – P. 1–28.Song, H. W., & Saraswathy, V. (2007). Corrosion Monitoring of Reinforced Concrete Structures. International Journal of Electrochemical Science, 2 (1), 1- 28.Impedance Spectroscopy of Hydrating Cement-Based Materials: Measurement, Interpretation and Application / B. J. Christensen [et al.] // Journal of the American Ceramic Society – 1994. – Vol.77, №11. – P. 2789–2804.Christensen, B. J., Coverdale, R.T., Olson, R. A., Ford, S. J., Garboczi, E. J., Jennings, H. M., Mason, T. O. (1994). Impedance spectroscopy of hydrating cement-based materials: measurement, interpretation, and application. Journal of the American Ceramic Society, 77 (11), 2789-2804. doi: 10.1111/j.1151-2916.1994.tb04507.x.Impedance Measurements on Cement Paste / M. Keddam [et al.] // Cement and Concrete Research. – 1997. – Vol. 27. – P. 1191–1201.Keddam, M., Takenouti, H., Novoa, X. R., Andrade, C., & Alonso, C. (1997). Impedance measurements on cement paste. Cement and Concrete Research, 27, 1191-1201. doi:10.1016/S0008-8846(97)00117-8.Comparative Study of an Experimental Portland Cement and ProRoot MTA by Electrochemical Impedance Spectroscopy / K. P. Seong [et al.] // Ceramics International. – 2014. – Vol. 40, №1. – P. 1741–1746.Seong, K. P., Jeon, S. Y., Singh, B., Hwang, J. H., & Song, S. J. (2014). Comparative study of an experimental Portland cement and ProRoot MTA by electrochemical impedance spectroscopy. Ceramics International, 40 (1), 1741–1746. doi: 10.1016/j.ceramint.2013.07.073.Ragoisha, G. A. Potentiodynamic Electrochemical Impedance Spectroscopy / G. A. Ragoisha // Electrochemical Dictionary / A.J. Bard, G. Inzelt, F. Scholz. - Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, 2008. – 991 p.Ragoisha, G. A. (2008). Potentiodynamic electrochemical impedance spectroscopy. Electrochemical Dictionary. Berlin Heidelberg, Springer-Verlag. doi:10.1007/978-3-540-74598-3.Ragoisha, G. A. Potentiodynamic electrochemical impedance spectroscopy / G. A. Ragoisha, A. S. Bondarenko // Electrochimica Acta. – 2005. – Vol. 50. – P. 1553–1563.Ragoisha, G. A., & Bondarenko, A. S. (2005). Potentiodynamic electrochemical impedance spectroscopy. Electrochimica Acta 50 (7-8), 1553-1563. doi:10.1016/j.electacta.2004.10.055.Barsoukov, E. Impedance Spectroscopy: Theory Experiment, and Applications / E. Barsoukov, J. R. Macdonald. - 2nd Edition. - Wiley, 2005. – 616 p.Barsoukov, E., & Macdonald, J. R. (2005). Impedance Spectroscopy: Theory, Experiment, and Applications. 2nd Edition. Wiley. 616 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.