Chování stavebních materiálů ve střídavém elektrickém poli, IMPEDANČNÍ SPEKTROSKOPIE nový nástroj pro testování kvality stavebních materiálů VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta stavební Ústav fyziky SUPMAT IVO KUSÁK

Obsah Metodika Shrnutí současného stavu problematiky Princip metody Experimenty Výsledky Závěry

Shrnutí současného stavu V současné době se impedanční spektroskopie využívá převážně pro testování roztoků v chemii. Ve stavebnictví není tato metoda příliš prozkoumána a tím ani využívána (pro nedestruktivní vyšetřování stavebních materiálů). Předkládaná teorie je zaměřena na kvalitativní a kvantitativní sledování frekvenční závislosti dielektrických ztrát (jsou provázeny energetickými úbytky), které poskytují informace o sledované látce.

Základní princip metody Metoda je vhodná k nedestruktivnímu sledování kvality stavebních materiálů s nízkou vodivostí, např. plastů, skel, keramiky, cementů, kameniva, kompozitů a řady dalších. Jedná se o metodu, která využívá frekvenční závislosti impedančních charakteristik k analýze vlastnosti látky. Jsou to především tanδ(f), ReZ(f), ImZ(f), ImZ(ReZ).

Dielektrické ztráty Vlivem vnějšího elektrického pole dochází v měřeném materiálu k dielektrickým ztrátám, způsobeným: Polarizací dipólovou-relaxační Polarizací iontovou-relaxační Vodivostí

Zařízení pro testování metodou IS zdroj střídavého napětí (RC Generátor Agilent 33220A) testovaný vzorek dvoukanálový osciloskop (Dvoukanálový osciloskop Agilent 54645A) PC karta ( PC Karta Agilent PCI GP- IB Interface) PC (programově a komunikačně vybaven)

Blokové schéma a vyobrazení sestavy pro testování metodou IS 1.Zapojení přístrojů: plná automatizace měření (RC Generátor Agilent 33220A) vzorek-testovaná soustava pomocí kabelů 2.Zapojení přístrojů: poloautomatizované měření (RC Generátor BM 492) vzorek-testovaná soustava pomocí kabelů

3.Detailní zapojení přístrojů: zdroj střídavého napětí, testovaný vzorek, dvoukanálový osciloskop 4.Testovaná soustava: mosazné elektrody jsou přitlačovány přípravkem k měřenému materiálu. Jde tedy o soustavu kov-stavební látka- kov Blokové schéma a vyobrazení sestavy pro testování metodou IS

Experiment 1 Základem experimentu bylo rozlišení impedančního spektra u betonu s použitím drtě různých frakcí. Vzorky byly postupně vkládány do přípravku (viz. foto) mezi 2 elektrody (přitlačeny pomocí šroubového mechanismu) a podrobeny impedanční analýze. Vzorky byly postupně vkládány do přípravku (viz. foto) mezi 2 elektrody (přitlačeny pomocí šroubového mechanismu) a podrobeny impedanční analýze. Popis betonových vzorků: Rozměry těles byly 100x100x400 mm. Betonové pláty byly nařezány diamantovou pilou z výše uvedené normové kostky na tloušťku 10 mm Rozměry těles byly 100x100x400 mm. Betonové pláty byly nařezány diamantovou pilou z výše uvedené normové kostky na tloušťku 10 mm. R3, 4, 5, 6 množstvíjednotka 1 m 3 cement CEM II 32,5 R325kg písek 0-4 mm Bratčice1125kg drť 4-8 Tovačov253kg drť 8-16 Olbramovice253kg drť Želešice253kg skutečná voda219,2l vodní součinitel v/c0,68-

Reálné vyobrazení vzorku a pracoviště

Graf závislosti ztrátového činitele na frekvenci

Graf závislosti kapacity na frekvenci

Graf závislosti odporu (reálné složky impedance) na frekvenci

Elektrické parametry pro referenční frekvenci 1 KHz Kapacita vzorku při frekvenci 1000 Hz C/pF Odpor vzorku při frekvenci 1000 Hz R/ M  Absolutní hodnota impedance při frekvenci 1000 HZ |Z‌‌‌ |/M  Ztrátový činitel při frekvenci 1000 Hz tan δ/- Fázorový úhel při frekvenci 1000 Hz -φ/° R3E22,903,803,81 0,55 2,28 R4B44,202,562,57 0,71 1,56 R5E48,302,442,45 0,74 1,45 R6B111,00, ,63 1,46

Experiment 2 Základem experimentu bylo rozlišení impedančního spektra keramické tašky před a v průběhu vlhkostního cyklu. Vzorky byly postupně vkládány do přípravku (viz. foto) mezi 2 elektrody (přitlačeny pomocí šroubového mechanismu) a podrobeny impedanční analýze. Popis vzorku tašky Jedná se o hladkou střešní krytinu, která se dá pokládat na tzv. husté či řídké laťování (tj. šupinové či korunové krytí). Slouží k vykrytí různých, i oblých tvarů (volské oko, kužel, úžlabí). Materiál:pálená Povrchová úprava: režná Barva: odstíny červené Hmotnost na m 2 : 64 kg Typ:bobrovka Šířka:180 mm Délka:380 mm Objem: cca 8,208  m 3 Hmotnost: cca 1,5 kg Bezpečný sklon ve stupních: 30 Spotřeba na m 2 36 ks

Reálné vyobrazení vzorku a pracoviště

Graf závislosti ztrátového činitele na frekvenci

Parametry suchého a navlhlého vzorku Hmotnost vzorku m/kg Absolutní vlhkost Φ / kg.m -3 Odpor vzorku při frekvenci 1000 Hz R/ M  Kapacita vzorku při frekvenci1000 Hz C/pF Suchý vzorek 1,4675-2,414203,8 1. den schnutí 1,512054,2160,161481,6 2. den schnutí 1,502542,6410,222464,5 5. den schnutí 1,46800,6092,267218,3 Absolutní hodnota Impedance |Z‌‌‌|/kΩ Fázorový úhel -φ/° Vodivost při frekvenci 1000 Hz G/  S Relativní permitivita při frekvenci 1000 Hz  r Suchý vzorek 74372,300,41495,2 1. den schnutí 14425,456,246012,1 2. den schnutí 18334,824,467012,7 5. den schnutí 69572,250,44165,6

Ilustrativní graf závislosti imaginární složky impedance na reálné složce impedance

Závěry Metoda IS říká, že je schopna srovnáním spektra v materiále kvalifikovat (kvantifikovat) vlhkost, změnu technologie výroby a porušení struktury. Experiment potvrdil, že vybrané stavební parametry lze metodou impedanční spektroskopie porovnávat, přičemž výsledky jsou reprodukovatelné. Při měření tanδ(f) není třeba znát rozměry a geometrii vzorku. Důležitá je pouze úprava kontaktního místa, případně zesílení vstupního signálu. Sledování impedančních charakteristik kov-stavební látka- kov je poměrně rychlé (jedno měření trvá cca 10 minut).

Jaké jsou další cesty a perspektivy rozvoje metody? Další cestou bude snaha použít technické standarty (týkající se především výběru stavebních materiálů) aby bylo možné tuto srovnávací metodu používat plnohodnotně. Nedořešenou otázkou zůstává změna chování měřeného dielektrika ve střídavém elektrickém poli. Je to především určení relativní permitivity ε r, která má podstatný vliv na velikost námi měřených parametrů. Dále proniknout hlouběji do problematiky pórovitosti a její charakterizaci touto metodou. Dalším krokem bude také možnost využití u materiálů vodivějších R < MΩ (tuhnoucí beton). Na toto téma je řešen postdoktorský grant.

Děkuji za pozornost