交流阻抗谱法及其在地球深部物质科学中的应用
王多君, 易 丽, 谢鸿森, 李和平2005年3月
中国科学院地球化学研究所,贵州贵阳550002
发表在杂第12卷第1期EarthScienceFrontiers(ChinaUniversityofGeosciences,Beijing;PekingUniversity) 什么是交流阻抗谱方法(频响分析法)交流阻抗谱方法的方法和原理
交流阻抗谱的发展历史
也称频响分析法,frequencyresponseanalysis)是研究地球物质电学性质的一种方法。经过几十年的发展,交流阻抗谱已经在材料研究、表面处理、器件研究、生命科学和地球科学的研究中得到不同程度的应用。
交流阻抗谱在地球科学中的应用相对较晚,直到20世纪80年代,该方法才被应用于水饱和地壳岩的研究中,而将该方法应用于干燥地幔岩电性研究的是Arizon州立大学的Tyburczy 和Roberts,他们在一个大气压下研究了橄榄石单晶样品、橄榄石多晶样品以及天然纯橄榄岩的电导率,并且分析了不同阻抗弧形成的原因。此后,Huebner和Dillenburg等人在1～2GPa下用交流阻抗谱研究了单斜辉石电学性质,结果发现,随压力的升高颗粒边界电阻在显著的降低。Xu等利用交流阻抗谱在超过15GPa条件下对橄榄石高压相的电导率进行了研究。
在国内,该方法已经在地球深部物质的电性研究中有了一定程度的应用,也取得了一些成果。 交流阻抗谱方法是一种以小振幅的正弦波电位为扰动信号的电测量方法。由于以小振幅的电信号对体系进行扰动,一方面可避免对体系产生大的影响,另一方面也使得扰动与体系的响应之间近似呈线形关系,这就使得测量结果的数学处理变得单。
同时它又是一种频率域的测量方法,通过在很宽的频率范围内测量阻抗来研究电极系统,因而得到比其他常规的电化学方法更多的动力学信息及电极界面结构的信息。
如果对系统施加一个正弦波电信号作为扰动信号,则相应地系统产生一个与扰动信号相同频率的响应信号。
为时间。
如果对体系施加如式(1)的正弦信号,则体系产生如式(2)的响应信号
由不同的频率的响应信号与扰动信号之间的比值,可以得到不同频率下阻抗的模值与相位角,并且通过式(4)和式(5)可以进一步得到实部与虚部。通常人们通过研究实部和虚部构成复阻抗平面图及频率与模的关系图和频率与相角的关系图(二者合称为Bode图)来获得研究体系内部的有用信息。
第3 0 卷第4 期 上海师范大学学报( 自然科学版)
2 0 0 1 年1 2 月 Journal of Shanghai Teach ers U niversity( Natural S ciences) 交流阻抗谱的表示及应用 崔晓莉, 江志裕
交流阻抗谱不同的表示形式可依据4种典型的等效电路的理论阻抗绘制Nyquist 图、导纳图、电容图、Bode 图和Warburg 图，然后对数据进行分析形式进行数据解析。
Bode 图是阻抗幅模的对数
Warburg 图是指实部阻抗和相角对相同的横坐标频率的对数logf的图 或虚部阻抗的图.
Nyquist 图是以阻抗虚部( - Z″)对阻抗实部( Z′)作的图, 是最常用的阻抗数据的表示形式。有的书刊将阻抗的复数形式表示为Z = Z′- j Z″。因而Ny quist 图也表示为Z″～ Z′图. 这种图在文献中也被称为Cole- Cole 图、复阻抗平面图、复数阻抗图或Argand 平面图( Argand spaceplot)。 在一些电化学书籍中, 均给出了各种典型等效电路的Ny quist 图, 根据图的形状, 可大致推断电极过程的机理, 还可以计算电极过程的动力学参数.
Nyquist 图特别适用于表示体系的阻抗大小, 对纯电阻, 在Nyquist 图上表现为Z′轴上的一点, 该点到原点的距离为电阻值的大小; 对纯电容体系, 表现为与Z″轴重合的一条直线. 对Warburg阻抗则为斜率为45°的直线.
史美伦《混凝土阻抗谱》史美伦. 混凝土阻抗谱[M]. 北京: 中国铁道出版社, 2003: 245–246.
SHI Meilun. Concrete Impedance Spectroscopy (in Chinese). Beijing:
China Railway Publishing Home, 2003: 245–246.
混凝土是水泥基材料，因此其在电学性能上具有离子型导体材料特点，即电流在其中传输过程中所需的载流子为离子。由于离子质量大，体积大，在电场或浓度梯度的影响下穿行于毛细孔之间，介质的密实性愈差，间隙越多，越有利于离子的运动，故混凝土的微观结构对其电学性能有重要影响。
《建筑材料学报》2000年04期 新型阻锈剂对钢筋混凝土阻锈作用的研究(Ⅰ)——对电化学阻抗特性的影响
王胜先 林薇薇 李悦 张雄 吴科如
以电化学阻抗谱研究了新型多官能阻锈剂———二乙烯三胺 硫脲缩合物 (DETA TU)对钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀的抑制作用及其对混凝土性能变化规律的影响 .发现加入这些阻锈剂后 ,混凝土的孔隙电阻和钢筋表面的电荷转移电阻同时得到提高 ,表明它既能切断水泥水化产物中的部分毛细管 ,又能在钢筋表面形成缓蚀膜 ,对钢筋具有双重保护作用 。以电化学阻抗谱研究了新型多官能阻锈剂———二乙烯三胺 硫脲缩合物 (DETA TU)对钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀的抑制作用及其对混凝土性能变化规律的影响 .发现加入这些阻锈剂后 ,混凝土的孔隙电阻和钢筋表面的电荷转移电阻同时得到提高 ,表明它既能切断水泥水化产物中的部分毛细管 又能在钢筋表面形成缓蚀膜 ,对钢筋具有双重保护作用 .长期浸泡的结果表明 ,该阻锈剂具有良好的耐水性 ,与常用的亚硝酸盐相比 ,其阻锈机理不同 .水性 ,与常用的亚硝酸盐相比 ,其阻锈机理不同 .
第12卷第1期 2005年3月 地学前缘(中国地质大学,北京;北京大学)
EarthScienceFrontiers(ChinaUniversityofGeosciences,Beijing;PekingUniversity
交流阻抗谱法及其在地球深部物质科学中的应用
王多君, 易 丽, 谢鸿森, 李和平 中国科学院地球化学研究所
有关交流阻抗谱的数据的模拟主要有等效电路法、几何模型(如砖层模型)和有效介质模型。 目前使用最多的还是等效电路模型。
在实际中,常常对一些物质或系统在不同频率下施以小振幅信号并测量其电响应。把实测的结果画成复阻抗平面图和Bode图,将参数元件组成的电路或分布参数电路的交流阻抗谱进行比较,便可把这些物体或系统的电过程用各种元件(电阻、电容、电感)等相互串联或者并联组成的电路来模拟,这个电路对频率的响应与样品对频率的响应是一致的,因此,称之为等效电路。等效电路的优点是比较直观而且比较容易精确地描述较大频率域的电响应,而且能够把所测量的体系同物理参数相联。在寻找一个研究对象以及系统的等效电路时,尽可能从已了解的系统中发生过程的情况出发来进行推测,然后再根据实测的复阻抗平面图和Bode图来进行核对
[1]
从该图中可以看出,每一个半圆弧,都可以用一
个并联RC电路来模拟。对于任意一个理想的并联
RC电路的复阻抗为
多晶样品与单晶样品的显著差别在于颗粒边界的差异。颗粒边界被认为在矿物的许多物理性质(如扩散,电导率等)中起着重要的作用。在交流阻抗谱被引入之前,人们无法区别颗粒边界和颗粒内部的导电机制,在交流阻抗谱被引入之后,多晶样品的颗粒内部的导电机制和颗粒边界的导电机制可以非常容易地被区别开来。Shankland(1977)等认为颗粒边界能增加总电导率;Schock(1977)等[10]认为颗粒边界对电导率几乎没有影响;Roberts和Tyburczy(1991)则认为一定的温度下颗粒边界将减小总电导率。在许多实验中,由于无法准确地获得颗粒边界的电导率,因此颗粒边缘对电导率的影响也就不得而知了。
使用交流阻抗谱法,可以有效地获得颗粒边界的电导率和颗粒内部的电导率,因此可以定量的研究颗粒边界对电导率的影响。矿物多晶的阻抗谱以及等效电路如图2所示。圆弧1等效于R1C1并联电路,代表矿物颗粒内部传导机制;圆弧2等效于R2C2并联电路,代表矿物颗粒边缘传导机制;圆弧3等效于R3C3并联电路,代表样品-电极传导机制,以上3个圆弧的圆心都在实轴上。各个阻抗弧具有不同的弛豫时间D(D=RC)和相应的一个或多个导电过程。由前面讨论可知,任意一
个理想并联RC
电路的复阻抗由式所示。然而,在实际中,由于固体电极的电双层电容的频响特性与纯电容的并不一致,存在或大或小的偏离,这种现象一般称为“弥散效应”。因此,在实际中,圆弧的圆心可能不在实轴上,在这种情况下,等效电路中的电容C需用一常相位角元件CPE(constant phase element)来代替,并联R-CPE
的复阻抗为当n=0时,CPE为理想电阻;当n=1时,CPE为理想电容;当0
在1.0GPa和886K的温度和压力条件下,王多君等研究了石英单晶交流阻抗谱特征,如图4所
示。石英在复阻抗平面(a)上出现了一个完整的半圆弧和一条直线,其中完整的半圆弧代表了样品颗粒内部电学性质,而直线则代表了样品与电极之间的扩散,并不反映样品本身的性质。第一个圆弧出现在高频率段,随着温度的增大,圆弧在收缩,圆弧的直径代表着样品的电阻,直径越来越小,表明其电阻随着温度的增加而减小,因此石英在高温下呈现半导体的性质。从Bode图(b)中可以发现,模随着频率的增大而减小;相角随着频率的增加先增大而后减小,出现了两个时间常数,这两个时间常数分别对应阻抗弧和直线在电解质溶液中的应用对于干燥岩石,电导率由岩石中的所有载流子所决定,但是对于含盐流体的岩石,其电导率却主要由岩石孔隙或裂隙中所含有的电解质溶液所决定。
在电解质溶液中的应用
一般来讲,含有盐溶液岩石的电阻率由Archie's定律得出:
其中,α 和m 为无量纲系数，ρ岩为含水岩石的电阻率,ρ水为孔隙水溶液的电阻率,I 为岩石孔隙的体积与岩石的总体积之比。因此,测量不同温度、压力和盐度条件下的电解
质溶液的电导率,对于探讨岩石电导率的变化机理,以及地震的孕育以及大地电磁测量的解释都有重要的意义。
常压下电解质溶液的电导率研究已经很多,但有关高压下电解质溶液的电导率的研究[20～22]却少得多,这主要是因为在高压下研究电解质溶液的电学性质面临许多困难,比如流体样品
的封装,很难避免流体的泄漏,所以一直是一个非常难解决的问题。从理论上来讲,电解质溶液的阻抗谱如图(6)所示,应该出现一个弧和一条直线,与矿物单晶在复数阻抗平面上的行为相似,但是所表示的意义却不尽相同。在电解质溶液的导电机制中,圆弧代表电解质溶液内部的导电机制,而直线则代表了电极与电解质溶液间的扩散,这种扩散是由于电荷在电解质和电极之间的传递,电解质中离子的分布变得不均匀,从而发生了扩散现象,这种扩散相对应的阻抗被称为扩散阻抗 或Warburg阻抗。
交流阻抗谱辅助混凝土配合比设计
同济大学 贺鸿珠 史美伦 上海建材 2010 第一期
上海宝钢发展有限公司新型材料分公司曹黎颖
混凝土的性能由其结构所决定, 故在配合比设计中对混凝土细观结构的了解十分重要。对 混凝土强度有重要影响的是它的孔结构, 对耐久性有重要影响的除了孔结构外还有毛细结构后者决定了混凝土的抗渗性 抗氯离子扩散性等.前已叙述, 在高频率测量下, 混凝土的典型
Nyquist 图如图l 所示, 是一个圆心在实轴上的第一象限的半圆, 半圆左端与实轴的焦点为RS, 它的大小(也就是半圆所处的位置)反映了混凝土孔隙率的大小, RS 越小, 混凝土的孔隙率越大,
图1 的半圆是一种理想状况, 对于实际的混凝土样品往往是压扁的或偏转的半圆, 见图3
对于混凝土的细观结构除上述孔结构和分形结构以外, 还要考虑毛细结构, 它直接与混凝土的气渗渗水性与氯化物扩散性有关.混凝土的毛细结构在交流阻抗谱的反映表现在低频段。
从图4 可见, 混凝土在低频测试时可得到一条斜率为l 的直线, 对于这样的Nyquist 图, 其等效电路为图5 图4等效电路。从图中可见, 与Rp相串联有一个称为Warburg阻抗的元件Zw , w arb urg 阻抗又称为扩散阻抗, 它的大小反映了混凝土的毛细结构以及渗透和扩散的特性与频率的关系为:式中 称为扩散阻抗系数或Warbur 系数, 它与氯离子扩散系数D的关系是 式中R 为气体常数,T 为绝对温度,F 为法拉第常数, A 为电极面积, C 为氯化物溶液的浓度, 为扩散阻抗系数。在实验上,可通过图4 中的斜线的延长线与实轴交点的截距来确定。代
综上所述, 通过对混凝土试样的交流阻抗谱测试, 可以详细了解在该配合比情况下混凝土的细观结构,包括孔分形结构和毛细结构, 它提供了混凝土结构设计所需的抗压强度与耐久性等的信息
交流阻抗谱法及其在地球深部物质科学中的应用
王多君, 易 丽, 谢鸿森, 李和平2005年3月
中国科学院地球化学研究所,贵州贵阳550002
发表在杂第12卷第1期EarthScienceFrontiers(ChinaUniversityofGeosciences,Beijing;PekingUniversity) 什么是交流阻抗谱方法(频响分析法)交流阻抗谱方法的方法和原理
交流阻抗谱的发展历史
也称频响分析法,frequencyresponseanalysis)是研究地球物质电学性质的一种方法。经过几十年的发展,交流阻抗谱已经在材料研究、表面处理、器件研究、生命科学和地球科学的研究中得到不同程度的应用。
交流阻抗谱在地球科学中的应用相对较晚,直到20世纪80年代,该方法才被应用于水饱和地壳岩的研究中,而将该方法应用于干燥地幔岩电性研究的是Arizon州立大学的Tyburczy 和Roberts,他们在一个大气压下研究了橄榄石单晶样品、橄榄石多晶样品以及天然纯橄榄岩的电导率,并且分析了不同阻抗弧形成的原因。此后,Huebner和Dillenburg等人在1～2GPa下用交流阻抗谱研究了单斜辉石电学性质,结果发现,随压力的升高颗粒边界电阻在显著的降低。Xu等利用交流阻抗谱在超过15GPa条件下对橄榄石高压相的电导率进行了研究。
在国内,该方法已经在地球深部物质的电性研究中有了一定程度的应用,也取得了一些成果。 交流阻抗谱方法是一种以小振幅的正弦波电位为扰动信号的电测量方法。由于以小振幅的电信号对体系进行扰动,一方面可避免对体系产生大的影响,另一方面也使得扰动与体系的响应之间近似呈线形关系,这就使得测量结果的数学处理变得单。
同时它又是一种频率域的测量方法,通过在很宽的频率范围内测量阻抗来研究电极系统,因而得到比其他常规的电化学方法更多的动力学信息及电极界面结构的信息。
如果对系统施加一个正弦波电信号作为扰动信号,则相应地系统产生一个与扰动信号相同频率的响应信号。
为时间。
如果对体系施加如式(1)的正弦信号,则体系产生如式(2)的响应信号
由不同的频率的响应信号与扰动信号之间的比值,可以得到不同频率下阻抗的模值与相位角,并且通过式(4)和式(5)可以进一步得到实部与虚部。通常人们通过研究实部和虚部构成复阻抗平面图及频率与模的关系图和频率与相角的关系图(二者合称为Bode图)来获得研究体系内部的有用信息。
第3 0 卷第4 期 上海师范大学学报( 自然科学版)
2 0 0 1 年1 2 月 Journal of Shanghai Teach ers U niversity( Natural S ciences) 交流阻抗谱的表示及应用 崔晓莉, 江志裕
交流阻抗谱不同的表示形式可依据4种典型的等效电路的理论阻抗绘制Nyquist 图、导纳图、电容图、Bode 图和Warburg 图，然后对数据进行分析形式进行数据解析。
Bode 图是阻抗幅模的对数
Warburg 图是指实部阻抗和相角对相同的横坐标频率的对数logf的图 或虚部阻抗的图.
Nyquist 图是以阻抗虚部( - Z″)对阻抗实部( Z′)作的图, 是最常用的阻抗数据的表示形式。有的书刊将阻抗的复数形式表示为Z = Z′- j Z″。因而Ny quist 图也表示为Z″～ Z′图. 这种图在文献中也被称为Cole- Cole 图、复阻抗平面图、复数阻抗图或Argand 平面图( Argand spaceplot)。 在一些电化学书籍中, 均给出了各种典型等效电路的Ny quist 图, 根据图的形状, 可大致推断电极过程的机理, 还可以计算电极过程的动力学参数.
Nyquist 图特别适用于表示体系的阻抗大小, 对纯电阻, 在Nyquist 图上表现为Z′轴上的一点, 该点到原点的距离为电阻值的大小; 对纯电容体系, 表现为与Z″轴重合的一条直线. 对Warburg阻抗则为斜率为45°的直线.
史美伦《混凝土阻抗谱》史美伦. 混凝土阻抗谱[M]. 北京: 中国铁道出版社, 2003: 245–246.
SHI Meilun. Concrete Impedance Spectroscopy (in Chinese). Beijing:
China Railway Publishing Home, 2003: 245–246.
混凝土是水泥基材料，因此其在电学性能上具有离子型导体材料特点，即电流在其中传输过程中所需的载流子为离子。由于离子质量大，体积大，在电场或浓度梯度的影响下穿行于毛细孔之间，介质的密实性愈差，间隙越多，越有利于离子的运动，故混凝土的微观结构对其电学性能有重要影响。
《建筑材料学报》2000年04期 新型阻锈剂对钢筋混凝土阻锈作用的研究(Ⅰ)——对电化学阻抗特性的影响
王胜先 林薇薇 李悦 张雄 吴科如
以电化学阻抗谱研究了新型多官能阻锈剂———二乙烯三胺 硫脲缩合物 (DETA TU)对钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀的抑制作用及其对混凝土性能变化规律的影响 .发现加入这些阻锈剂后 ,混凝土的孔隙电阻和钢筋表面的电荷转移电阻同时得到提高 ,表明它既能切断水泥水化产物中的部分毛细管 ,又能在钢筋表面形成缓蚀膜 ,对钢筋具有双重保护作用 。以电化学阻抗谱研究了新型多官能阻锈剂———二乙烯三胺 硫脲缩合物 (DETA TU)对钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀的抑制作用及其对混凝土性能变化规律的影响 .发现加入这些阻锈剂后 ,混凝土的孔隙电阻和钢筋表面的电荷转移电阻同时得到提高 ,表明它既能切断水泥水化产物中的部分毛细管 又能在钢筋表面形成缓蚀膜 ,对钢筋具有双重保护作用 .长期浸泡的结果表明 ,该阻锈剂具有良好的耐水性 ,与常用的亚硝酸盐相比 ,其阻锈机理不同 .水性 ,与常用的亚硝酸盐相比 ,其阻锈机理不同 .
第12卷第1期 2005年3月 地学前缘(中国地质大学,北京;北京大学)
EarthScienceFrontiers(ChinaUniversityofGeosciences,Beijing;PekingUniversity
交流阻抗谱法及其在地球深部物质科学中的应用
王多君, 易 丽, 谢鸿森, 李和平 中国科学院地球化学研究所
有关交流阻抗谱的数据的模拟主要有等效电路法、几何模型(如砖层模型)和有效介质模型。 目前使用最多的还是等效电路模型。
在实际中,常常对一些物质或系统在不同频率下施以小振幅信号并测量其电响应。把实测的结果画成复阻抗平面图和Bode图,将参数元件组成的电路或分布参数电路的交流阻抗谱进行比较,便可把这些物体或系统的电过程用各种元件(电阻、电容、电感)等相互串联或者并联组成的电路来模拟,这个电路对频率的响应与样品对频率的响应是一致的,因此,称之为等效电路。等效电路的优点是比较直观而且比较容易精确地描述较大频率域的电响应,而且能够把所测量的体系同物理参数相联。在寻找一个研究对象以及系统的等效电路时,尽可能从已了解的系统中发生过程的情况出发来进行推测,然后再根据实测的复阻抗平面图和Bode图来进行核对
[1]
从该图中可以看出,每一个半圆弧,都可以用一
个并联RC电路来模拟。对于任意一个理想的并联
RC电路的复阻抗为
多晶样品与单晶样品的显著差别在于颗粒边界的差异。颗粒边界被认为在矿物的许多物理性质(如扩散,电导率等)中起着重要的作用。在交流阻抗谱被引入之前,人们无法区别颗粒边界和颗粒内部的导电机制,在交流阻抗谱被引入之后,多晶样品的颗粒内部的导电机制和颗粒边界的导电机制可以非常容易地被区别开来。Shankland(1977)等认为颗粒边界能增加总电导率;Schock(1977)等[10]认为颗粒边界对电导率几乎没有影响;Roberts和Tyburczy(1991)则认为一定的温度下颗粒边界将减小总电导率。在许多实验中,由于无法准确地获得颗粒边界的电导率,因此颗粒边缘对电导率的影响也就不得而知了。
使用交流阻抗谱法,可以有效地获得颗粒边界的电导率和颗粒内部的电导率,因此可以定量的研究颗粒边界对电导率的影响。矿物多晶的阻抗谱以及等效电路如图2所示。圆弧1等效于R1C1并联电路,代表矿物颗粒内部传导机制;圆弧2等效于R2C2并联电路,代表矿物颗粒边缘传导机制;圆弧3等效于R3C3并联电路,代表样品-电极传导机制,以上3个圆弧的圆心都在实轴上。各个阻抗弧具有不同的弛豫时间D(D=RC)和相应的一个或多个导电过程。由前面讨论可知,任意一
个理想并联RC
电路的复阻抗由式所示。然而,在实际中,由于固体电极的电双层电容的频响特性与纯电容的并不一致,存在或大或小的偏离,这种现象一般称为“弥散效应”。因此,在实际中,圆弧的圆心可能不在实轴上,在这种情况下,等效电路中的电容C需用一常相位角元件CPE(constant phase element)来代替,并联R-CPE
的复阻抗为当n=0时,CPE为理想电阻;当n=1时,CPE为理想电容;当0
在1.0GPa和886K的温度和压力条件下,王多君等研究了石英单晶交流阻抗谱特征,如图4所
示。石英在复阻抗平面(a)上出现了一个完整的半圆弧和一条直线,其中完整的半圆弧代表了样品颗粒内部电学性质,而直线则代表了样品与电极之间的扩散,并不反映样品本身的性质。第一个圆弧出现在高频率段,随着温度的增大,圆弧在收缩,圆弧的直径代表着样品的电阻,直径越来越小,表明其电阻随着温度的增加而减小,因此石英在高温下呈现半导体的性质。从Bode图(b)中可以发现,模随着频率的增大而减小;相角随着频率的增加先增大而后减小,出现了两个时间常数,这两个时间常数分别对应阻抗弧和直线在电解质溶液中的应用对于干燥岩石,电导率由岩石中的所有载流子所决定,但是对于含盐流体的岩石,其电导率却主要由岩石孔隙或裂隙中所含有的电解质溶液所决定。
在电解质溶液中的应用
一般来讲,含有盐溶液岩石的电阻率由Archie's定律得出:
其中,α 和m 为无量纲系数，ρ岩为含水岩石的电阻率,ρ水为孔隙水溶液的电阻率,I 为岩石孔隙的体积与岩石的总体积之比。因此,测量不同温度、压力和盐度条件下的电解
质溶液的电导率,对于探讨岩石电导率的变化机理,以及地震的孕育以及大地电磁测量的解释都有重要的意义。
常压下电解质溶液的电导率研究已经很多,但有关高压下电解质溶液的电导率的研究[20～22]却少得多,这主要是因为在高压下研究电解质溶液的电学性质面临许多困难,比如流体样品
的封装,很难避免流体的泄漏,所以一直是一个非常难解决的问题。从理论上来讲,电解质溶液的阻抗谱如图(6)所示,应该出现一个弧和一条直线,与矿物单晶在复数阻抗平面上的行为相似,但是所表示的意义却不尽相同。在电解质溶液的导电机制中,圆弧代表电解质溶液内部的导电机制,而直线则代表了电极与电解质溶液间的扩散,这种扩散是由于电荷在电解质和电极之间的传递,电解质中离子的分布变得不均匀,从而发生了扩散现象,这种扩散相对应的阻抗被称为扩散阻抗 或Warburg阻抗。
交流阻抗谱辅助混凝土配合比设计
同济大学 贺鸿珠 史美伦 上海建材 2010 第一期
上海宝钢发展有限公司新型材料分公司曹黎颖
混凝土的性能由其结构所决定, 故在配合比设计中对混凝土细观结构的了解十分重要。对 混凝土强度有重要影响的是它的孔结构, 对耐久性有重要影响的除了孔结构外还有毛细结构后者决定了混凝土的抗渗性 抗氯离子扩散性等.前已叙述, 在高频率测量下, 混凝土的典型
Nyquist 图如图l 所示, 是一个圆心在实轴上的第一象限的半圆, 半圆左端与实轴的焦点为RS, 它的大小(也就是半圆所处的位置)反映了混凝土孔隙率的大小, RS 越小, 混凝土的孔隙率越大,
图1 的半圆是一种理想状况, 对于实际的混凝土样品往往是压扁的或偏转的半圆, 见图3
对于混凝土的细观结构除上述孔结构和分形结构以外, 还要考虑毛细结构, 它直接与混凝土的气渗渗水性与氯化物扩散性有关.混凝土的毛细结构在交流阻抗谱的反映表现在低频段。
从图4 可见, 混凝土在低频测试时可得到一条斜率为l 的直线, 对于这样的Nyquist 图, 其等效电路为图5 图4等效电路。从图中可见, 与Rp相串联有一个称为Warburg阻抗的元件Zw , w arb urg 阻抗又称为扩散阻抗, 它的大小反映了混凝土的毛细结构以及渗透和扩散的特性与频率的关系为:式中 称为扩散阻抗系数或Warbur 系数, 它与氯离子扩散系数D的关系是 式中R 为气体常数,T 为绝对温度,F 为法拉第常数, A 为电极面积, C 为氯化物溶液的浓度, 为扩散阻抗系数。在实验上,可通过图4 中的斜线的延长线与实轴交点的截距来确定。代
综上所述, 通过对混凝土试样的交流阻抗谱测试, 可以详细了解在该配合比情况下混凝土的细观结构,包括孔分形结构和毛细结构, 它提供了混凝土结构设计所需的抗压强度与耐久性等的信息