混凝土电阻率的研究进展.pdf
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1、2 0 1 1年 第 6 期 (总 第 2 6 0 期 ) Nu mb e r 6 i n 2 0l 1 ( To t a 1 No 2 6 0) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HEORETI CAL RES E ARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 0 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 6 0 1 1 混凝土电阻率的研究进展 李化建 。谢永江 ,易忠来 ,谭盐宾 ,冯仲伟 ,方博 ,杨鲁 ( 1 中国铁道科学研究院 ,北京1 0 0 0 8 1 ;2 重庆大学 材料科学 与 程学 院,重庆 4 0 0 0 4 5 ) 摘
2、要 : 把混凝土作为一种复杂的电化学体系研究其电阻率是近年来混凝土结构性能测试的新 方法 。 总结 了混凝土的电学理论 , 比较 了 混凝 土电阻率检测技术的特点 , 从原材料 、 配合 比参数 以及环境 条件 3个层次 , 阐述了影响混凝 土电阻率 的关键因素 , 提出了电阻率在混 凝土性能表 JE 中的应用 , 指 出了混凝土电阻率研究存在问题及发展趋 势。 关键词 : 混凝土 ;电阻率 ;电学理论;测试技术 中图分类号: T U 5 2 8 0 1 文献标志码 : A 文章编号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 6 0 0 3 5 0 6 Ad va nc
3、e i n r es e a r c h on e l e c t r i c a l r e s i s t i vit y of con c r e t e L I Hu a - j i a n XI EY o n g - j i a n g , Y I Z h o n g l a i , T ANY a n - b i n , F E NGZ h o n g w e i , F A NGBo , Y A NGL u ( 1 C h i n a A c a d e my o f R a i l w a y S c i e n c e s , B e i j i n g1 0 0 0 8 1
4、 , C h i n a ; 2 De p a r t ma n t o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n dE n g i n e e r i n g , C h o n g Qi n gU n i v e r s it y , Ch o n g q i n g4 0 0 0 4 5, C h i n a ) Abs t r a c t : T a k i n g c o n c r e t e a s a c o mp l e x e l e c t r i o c h e me s t r y s y s t e m h a s d e v e l
5、 o p e d a n e w me t h o d t O d e t e c t p e r f o r ma n c e o f c o n c r e t e s t r u c t u r e l a t e l y El e c t ric it y t h e o r y h a s b e e n s u m me d u p Di ffe r e n t m e a s u r i n g a n d t e s t i n g t e c h n i q u e s o f c o n c r e t e e l e c t ric a l r e s i s t i v
6、 i ty a r e c o mp a r e d F r o m r a w ma t e r i a l , m i x p o r p o r t i o n p a r a me t e r a n d e n v i r o n me n t a l c o n d i t i o n t h r e e a s p e c t s , k e y f a c t o r s wh i c h a ffe c t t h e c o n c r e t e e l e c t ri c a l r e s i s t i v i t y a r e i n t r o d u c
7、e d Ap pl i c a t i o n o f e l e c t r ic a l r e s i s t i v i ty t O c h a r a c t e riz e c o n c r e t e p e r f o r m a n c e i s p u t f o r wa r dA r e v i e w o f t h e e x i s t i n g p r o b l e ms a nd p r o g r e s s o f t h e r e s e a r c h o n c o n c r e t e e l e c t r i c a l r e
8、s i s t i v i t y is g i v e n b e l o w Ke ywor d s: c o n c r e t e; e l e c t ri c a l r e s i s t i v i t y; e l e c t ric i ty t h e o r y; t e s t i n gt e c h n i q u e 0 引 言 混凝土电阻率作为一个电学参数 , 反应单位长度混凝土 阻 碍电流通过 的能力 , 可用 于表 征混凝土的结构与性能 。 混凝土 中存在大量的连通或不连通的毛细孑 L , 在这些 毛细孔 中含有大 量毛细孔溶液, 这些孔溶液为以饱和C a
9、 ( OH) : 为主并有其他多 种离子 的电解 质溶 液。 在 电压作用下 , 电解 质溶液 中的离子发 生电解迁移 , 从而使混凝 土具 有不同的 电学特性 , 表征为 电阻 率、 电导葺 墨 、 阻容或阻抗以及节电常数等的不同。 鉴于混凝土电 学特性与其结构性 能之 间关系 , 混凝土电学性能将 成为一种快 速检测 、 在线 监测和有效评 价混凝土微结构形成与发展的新技 术 1 _ z 1 。 本研究在 阐明混凝土电学理论的基础上 , 比较混凝土 电 阻牢测试技术的特点, 结合混凝土电阻率研究现状 , 提出了混 凝土 电阻率研究的问题和趋势: 1 混凝 土电学理论 为揭 示混凝 土导电机
10、理 以及 电流在混凝 土介质中 的传输 特性 , 研究 者提 出了关于混凝土 电学理论 的假说 或理论 主要 包括电阻理论 、 复合介质电阻理论和构成 子理论。 1 1电 阻理 论 混凝 土电阻理论是基于离子在混凝 土结构中传输为基 础 的。 在混凝土中, 存在_二种导电方式: 离子 导电, 通过孑 L 溶液中 C a , Na , K , O H一 和s 0 ; 一 等离子运动形成 ; 电子导 电 , 通过 自由 电子的迁移形成 ; 空穴导电 , 通过空穴的迁移形成 。 因此 , 混凝 土的电导 P如式( 1 ) 所示 : p = pl T p 2 + 卢 3 ( 1 ) 式中 : p 混凝
11、土电导率 ; P 离子电导率 ; p 电子电导率; p 空穴电导率。 离 子电导率 、 电子电导率和空穴电导率之 问的比例随着混 凝土组成材料及其配合 比的变化而变化。 1 2 复合 介质 电 阻理论 复合介质电阻理论出现于 1 9 世纪, 该理论不考虑复合介质 的物理性能, 将电阻率作为复合介质中各种成分的函数。 把混凝 土作为复合介质处理时, 骨料被视为夹杂物, 胶凝材料被视为 基体。 麦克斯韦关于电阻率可 以用式 ( 2 ) 来表达【 1 : 一一1 pm 一 1 _p 一: , ( 2) +2 Pm +2 P Pa 式 中: P 胶凝材料 电阻 ; p 复合介质电阻; 骨料 电阻 ;
12、收稿 日期 :2 0 0 1 2 2 O 基金项 目:同家 自然科学基金项 目( 5 0 9 0 8 2 2 9 ) ; 铁道部科技开 发计划项 目( 2 0 0 8 G 0 3 1 一 N、 2 0 1 0 G0 2 4) 35 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 骨料相对体积。 骨料电阻率变化较大, 一般在 1 0 s Q c m以上。 水泥胶凝材 料或砂浆电阻率相对较低, 一般不大于 l 0 n c m, 因此, 式( 2 ) 可简化为式( 3 ) : T, p = p ( 3 ) m 式中: 骨料相对体积, V m - 1 一 V 。 由于混凝土材料 中组分
13、较为复杂 , 在原有 四组分的基础上 又增 加了矿物掺合料和各种改善混凝 土性能 的外加剂 , 采用上 述复合介质电阻理论一直未能取得与试验相一致的结果。但经 对麦克斯韦公式修改后的公式, F r i c k e和 S l a w i n s k i g公式5 1 与胶 砂( 采用单粒级和吸水率低的砂) 的电阻率有很好的相关性。 1 3构成 因子 方法 构成 因子方法是一种经验公式法。 1 9 4 2年 A r c h i e 发现 , 浸 湿的砂岩电阻和浸湿用液体电阻存在一定的关系, 其比值称为 构成 因子 ( F ) , 其关系称 为 Ar c h i e规 IJ 4 1 , 如式( 4
14、) 所示 : D 旦 _ = 一 ( 4) 式中 : R 。 水浸透后的砂 岩电阻 ; R 浸透砂岩 中水的电阻; 岩石 中含有水的体积 比例 ; m形状系数 。 A r c h i e 规则主要确立岩石电阻和水含量的关系 , 适用于坚 硬材料。 对于松散岩石和河沙, 应表示为式( 5 ) : F = A 一 ( 5) 式 中: A附加常数 将上式用于混凝土, 需要将 F定义为混凝土实测电阻率与 水泥胶凝材料电阻的比值, 是混凝土中胶凝材料的体积。 根 据试验结果可以得到式( 6 ) : F =I 0 4 ( 6) 系数 A( 1 0 4 ) 和 m( 1 2 0 ) 均在岩石系数范围内 一般
15、为 0 6 3 5 , m一般为 1 3 2 0 ) , 通过大量试验还发现, 系数 A相对稳定 , 而 m波动比较大, 主要由混凝土不同的配合比和环境条件决定。 2 混凝 土电阻率测试技 术 混凝 土电阻率 的测量方 法按接触方式可分 为接触式 和非 接触式两类 , 按 照施加 电压可分为直流电测试 法和交流电测试 法。 接触式方法是一种传统的测试方法 , 非接触式方法是近年来 开始采用的新方法, 但 目前主要采用接触式方法。 对于接触式电 阻率测试方法, 采用交流电桥测量可消除直流电流的极化作用 对测试值的影响。 按照适用场合分类, 电阻率测试方法可分为实 验室测试法和现场测试法。 常见的
16、混凝土电阻率测试方法有端 电极 电阻率测定法 、 二 电极法 、 四电极法 、 无电极电阻率测定法 和交流阻抗法 。 二 电极法 和四电极法适用于现场混凝 土结构 电 阻率的测试 。 2 1 端 电极 电阻率测 定法 端电极电阻率测定方法的原理是在混凝土试件上施加直 流 电压 , 根据 欧姆定律计算其 电阻率 , 如 图 1 所示 。 在基 于直流 电的测定方法中, 由于极化效应、 放气效应、 电容性阻抗和离子 分布变化的影响, 电阻率的测量结果往往产生较大误差网 且复 演性 也不尽如人 意。 Ha n s s o n采用建立测 试电压与 电流 之间 的 关系, 来消除采用直流电对极化的影响。
17、 2 0世纪 8 0年代中期 , 3 6 图 I 直流 电电阻率测定法试件示意 图 Hu g h s 等 7 1对电阻率测定法进行了改进 , 他使用交流电来消除 由于极化效应和电容性阻抗所引起 的误差。 2 2二 电 极 法 二 电极法包括外贴式和埋人式两种。 该方法是在试块两端 外贴或是在试块 内部预埋两平行 电极 , 通过测量 电压和电流值 , 根据欧姆定律计算试块的电阻值 , 如图 2 , 其方法简单 , 但最大 的缺点是测量值受电极与混凝土的接触面积影响。 如果电极正 好置于骨料上那么测得混凝土电阻将高于实际值。 有机玻 璃板 不锈 钢电极 海绵 图 2二电极法测定示意图 Mi l l
18、 a r d L8 1 的研究表明, 有 9 0 的测量值只能反映直径相当于 1 0 倍 电极触端半径的接触面 , 因此采用该法 电极触端半径大小 对结果有很大影 响。 为消除电极接触端半径的影响 , Mi l l a r d 采 用 预钻孔并填充导电介质的方法以获得密切接触, 但这种方法耗 时又费力 。 2 3四 电 极 法 四电极法是是在试块内部预埋四块等间距的平行电极, 内 侧 两电极 间连接测 电压 V , 外侧两 电极 间连接测 电流 , 由欧姆 定律 , 内段电阻值为R = V I , 其检测原理如图 3所示。 在混凝土 结构质量监测中, 四电极混凝土电阻率测试仪的4个探头呈“ 一
19、” 字型排列 , 每两个探头间距为 5 0 IT l l n 。 而且 , 每个探头端部都有 泡沫垫层 , 试验之前 , 将泡沫垫层充分湿润可消除接触电阻对 测量结果的影响, 其测试示电极排列如图4所示。 该方法克服了 二电极法的缺点, 电极 5 0 mm间距使得测试的混凝土区域面积 图 3 温纳四电极 电阻率测试法 土 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 竺 I 图 4内埋杆 四点电极法示意图 相对大得多。 因此, 所测混凝土电阻率值受骨料尺寸影响较小, 测量更加准确。 电流从外侧两个探头流入, 内侧两个探 头则用来 测量电位差 , 这样可 以消除表面接触 电阻对
20、测量结果的影响 。 Mc C a r t e r tg 1 等人 对比研究 了二 电极法与 四电极法在混凝土 电阻率测量中的结果 , 发现使用二电极法的测量结果均高于 四 电极法 , 并将其原因归结 为四电极法可减小表面接触造成的误 差电阻( s p u r i o u s r e s i s t a n c e ) 。 2 4无 电极 电阻率测 定法 无 电极 电阻测定 技术采用变压器原理来测定混凝 土或其 他 水泥基材 料的电阻率。 测试 系统主要 由变压器主极 、 水泥基 材料 ( 混凝土 ) 环形试件组成的次极 以及非接触电流计组 成 , 如 图 5所示【 j 0 】 。 该测试方法是
21、采用 电磁响应及变压器的原理 , 将待 测 试的水泥基材料浇筑在环形试模 中并将其作 为变 压器的次 级线圈。 当在变压器 的初级施加交流电压时, 混凝土环内就会产 生一个感应电流, 测出该环电流, 再利用一个精确的解析器就 可以计算出材料的电阻率 。 利用连续监测的电阻率 曲线 的特征 点、 变化趋势及规律的分析, 来表征混凝土的性能。该方法 消除 了传统 电阻率测试 中电极与水泥基材料接触所产生的极 化 、 收 缩分离和对电极的腐蚀等问题, 提高了电阻率测试的精度。 转 换铁芯 初 电流表 感应 电动势测试值 图 5无电极非接触式电阻率测试原理图 2 5交流 阻抗谱 法 交流阻抗谱( A
22、C I mp e d a n c e S p e c o s c o p y , 缩写承 A C I S ) 应 用 于研究多孑 L 性水泥混凝土材料取得 了突破性进展。 其原理是 将水 泥石固相近似于绝缘体 , 而液相是强 电解质溶 液 , 起到导 电作用的离子 主要 为 c a , Na , l ( + , O H 和S 0 ; 一 等离 子。 混凝土 作为一种动态材料, 随着其内部水化过程的进行 , 其结构和性 能一直是随时间变化 的函数 , 通过检测水泥基材料在水化过程 中的交流阻抗相应获取其特征阻抗谱。 9 0年代初期 , 在加拿大工 作的 x u Z h o n g z i 、 G
23、 u P i n g等开始了交流阻抗谱在水泥基材料 方 面研究的应用 。 Mc C a r t e r 首先发现了硬化水泥浆体中存 在交 流阻抗半圆, 但其大小等特征与结构的关系尚未清楚。 随后的 研 究表 明, AC I S特征与 W C和水 化时间有 关。 G u P i n g等在此 基础上提出了描述水 泥水化系统的 AC I S行 为的界面模型和等 效阻抗 回路。 Xu Z h o n g z i 等从 电化学 基本原理 出发 , 建立 了多 孑 L 材料 的 A C I S各参数与结构的定量关系 , 并用强电介质溶液 、 各种多孔材料证实了各个理论方程 的正确性 1 】 。 史 美伦
24、从荷兰 S l u y t e r s 实验室回国开始交流阻抗谱在混凝土结构和性能方面 的研究_T作 】 。 3 混凝土电阻率影响因素 混凝土 的导 电是通过混 凝土孑 L 隙溶液中离子 的迁移 实现 的。 因此 混凝土电阻率与混凝土原材料、 配合比参数以及混凝 土结构服役环境条件( 温度和湿度 ) 密切相关 。 3 1 原 材 料 ( 1 ) 水泥类型。 由于不同水泥类型化学成分不同 , 各矿物成 分含量也不同, 水化后混凝土的孑 L 隙和孔溶液成分必然不同, 因 此 , 水泥类型将影 响混凝土的电阻率。 H a mmo n d和 R o b s o n研究 了水胶比为 0 4 9的普通硅酸
25、盐水泥 、 快硬硅酸盐水泥和高铝水 泥的电阻率, 研究表明: 高铝水泥的电阻率要 比普通硅酸盐水 泥和快硬水泥的电阻率大十倍至几十倍 。 养护 2 4 h以后 , 其电阻 是普通波特兰水泥混凝土的 l o 0 倍, 并趋于稳定。 到 1 5 0 d时, 其 电阻率是普通波特兰水泥混凝土的 1 O倍, 并趋于稳定 , 如图6 所示。 烟台大学的刘志勇、 詹镇峰1 引 对相同水灰比、 龄期为3个 月的普通硅酸盐水泥混凝土和硫铝酸盐水泥混凝土的电阻率 进行了对 比。 试验发现 , 硫铝酸盐水泥混凝土的电阻率要 比普通 硅酸盐水泥混凝土的电阻率大得多。 高铝水泥显著提高混凝土 电阻率的原因是 由于高铝
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