用电阻率法评定混凝土的氯离子渗透.pdf

第 2 5卷第 2 期 2 0 0 8年 6月 华中科技大学学报 ( 城市科学版 ) J ．o f HUS T．( Ur b a n S c i e n c e Ed i t i o n ) Vo1 ． 2 5 No．2 J u n ． 2 0 0 8 用 电阻率法评定 混凝 土的氯离子渗透 魏小胜 ， 夏玉英 ， 王延伟。 ( 1 ． 华 中科技 大学a ． 土木工程与力学学 院 ； b ． 控 制结构湖北省重点实验室 ， 湖北武 汉4 3 0 0 7 4 ； 2 ． 湖北鄂东 职业技术学 院 ， 湖北黄石4 3 8 0 0 0 ； 3 ． 湖北省交通厅 ， 湖北武汉4 3 0 0 3 0 ) 摘要 ： 混凝 土电阻率是单位 长度单位面积 混凝 土抵抗 电流通过的能力 ， 它反 映 了混凝土 的密 实度和孔 结构 ， 同 时氯 离子电通量和渗透系数也与混凝土 的孔结构 相关 。 本文通过测定 和 比较水泥混 凝土的电阻率 、 电通量及 氯离子 的扩散系数 ， 建立 了它们 之间的定量关 系 ，并从微 观结构上 用孔 隙率 参数分 析 了电阻率和 电通量及氯 离子的扩散 系数 之间的 内在相关性及物理意义 。采用 电阻率法不仅可 以静态测定 混凝土 的密 实度和抵抗氯离 子的能力 ， 还可 以动态监测钢筋混凝 土在 海水 中腐蚀损伤的失效过 程。 关键词 ： 氯离子渗透 ； 电阻率 ； 电通量 ； 液相 ； 孔 隙率 中图分类号 ： TU5 0 2 ． 5 文献标识码 ： A 文章 编号 ： 1 6 7 2 - 7 0 3 7 ( 2 0 0 8 ) 0 2 - 0 0 1 9 - 0 4 AS TM C1 2 0 2或 AAS HTO T2 7 7试 验 测 量 值是混凝土的 电通量[ 1 ] ， 其规定的抗渗等级 主要 决定 于混凝土的电导率或电阻率 。影响混凝土电 阻率大小的因素有水泥种类 、 水胶比的大小、 养护 条件、 相对湿度、 水化程度、 骨料的体积分数等[ 2 ] 。 水泥浆 的电阻率通常远小于骨料的电阻率 ， 因此 从导电性能看 ，混凝 土可以被看作是由骨料绝缘 体镶嵌在水泥浆导 电基体 中的复合材料[ 3 ] 。对于 水 泥浆 导 电体 来 说 ， 具 有 导 电性 能 的 液 相 为导 电 介质 ， 而未水化 的水泥和水 化产物相对来说 为非 导电介质。 因此 ， 混凝土 电阻率是充满液相的孔结 构的映射， 反映 了孔结构的形成特性[ 4 ] 。 许多研究 已 发 现 电 阻 率 与 强 度 存 在 相 互 关 系D ] 。 T a s h i r o L 6 等 的研 究 表 明电 阻率 与 孔 和 AS TM C1 2 O 2 — 9 7总 电通 量 存 在相关 性 ， 但 没 有 建立 定 量 关 系 。本 文 的 主要 目的 是通过 测定 混凝 土 的 电阻 率和总电通量来建立它们的定量关系模型， 为快 速评定混凝 土的耐久性提供思路与依 据， 并从微 观结 构 解 释这 一 特性 。 1 试 验 1 ． 1试 验 材料 水 泥 ： 湖 北 省 华 新 水 泥 厂 生 产 的 “ 堡 垒 ” 牌 4 2 ． 5级 普 通 硅酸 盐 水 泥 ， 其 力 学性 能 满 足 国家 标 准 GB 1 7 5 — 1 9 9 9 。砂 ： 中粗黄砂、 细度模数 一 2 ． 4 6 ， 含 泥 量 2 ． 9 。石 子 ： 直径 5 ～2 0 mm 碎 石 ， 含 泥 0 ． 5 ， 压 碎 指标 9 ． 5 。 1 ． 2试 验 方案 配 置 四种不 同水 灰 比( w／ c ) 的混凝 土 ( 表 1 ) ， 四种混 凝 土 中砂 石 的体 积分 数 固定 为 6 0 ， 混凝 土用机械拌合 ， 成型 2 4 h后拆模 ， 放人标准养护 室养 护 至 2 8 d 。 表 1 混凝土试样配 合比 1 ． 3试 验方 法 1 ． 3 ． 1电通 量 法 AS TM C1 2 0 2电 通 量 法 ， 即 R C P T ( r a p i d c h l o r i d e p e n e t r a t i o n t e s t ) ， 该方法是将 9 5 mm 5 0 mm 的 混凝 土试 样 侧 面封 闭后 ， 放 人 真 空箱 抽气后再注入蒸馏水浸泡。饱和后的试件置于标 准 夹 中 ， 试件 槽 的一 端 注入 0 ． 3 mo l ／ L 的 Na OH 溶 液 ， 接 电源 的正 极 ； 另一 端 加 入 3 的 Na C 1 溶 液 ， 接电源的负极 。施加 6 0 V 直流电压并持续 6 h ， 在 电场的作用下 ， 氯离子会通过混凝 土向正极 迁移， 通过测定混凝土的电通量值来评定混凝土 中氯离子渗透能力 。 ． 收稿 日期 ：2 0 0 7 一 儿一 O 5 作者简 介：魏小 胜( 1 9 6 4 一 ) ， 男 ， 江苏高淳人 ， 副教授 ， 博 士， 研究方向为材料科学及混凝土技术 ， we i x i a o s h e n g @g ma i l ． c o rn。 基金项 目：国家 自然科 学基 金( 5 O 7 7 8 O 7 8 ) 。 ． 维普资讯 2 0 华 中科技大学学报 ( 城市科 学版) 1 ． 3 ． 2电 阻率 将 经 过 2 8 d标 准 养 护 的试 件 先 在 5 0 C的烘 箱中烘干后 ， 在真空条件下排气 3 0 rai n ， 再吸进 5 mo l ／ I 的 Na C 1 溶 液浸 泡 5 h ， 将 表面 溶液 用 干 毛 巾抹去后 ， 采用 四点法 舟 测定其电阻率 ， 测量环 境温度为 2 5 ℃。本试验用 Na C 1 溶液浸泡是为了 使不同样品的孔隙中都具有相同的液相浓度 ， 避 免通过榨取法得到孔溶液的困难或通过计算得到 液相电阻率的不精确 。 1 ． 3 ． 3孔 结 构 用 Mi c r o me r i t i c s Au t o P o r e 一 9 5 0 0水 银 高 压 测孔仪 ， 其最大压力达 4 0 0 MP a 。 水银在多孔介质 中的运动符合 L a p l a c e 公式 r 一7 5 0 ／ P ( 1 ) 式 中， r为毛细孔 半 径 ( n m) ； P为 压力值 ( MP a ) 。 1 ． 3 ． 4抗 压 强 度 按 GB ／ T 5 0 0 8 1 — 2 0 0 2 ~ 普 通 混 凝 土 力 学 性 能 试验 方法标 准 》 进行 抗 压强度 测试 ， 抗 压试 件尺 寸 是 1 5 0 mm 的正立 方体 。 2 试验 结果和分析 表 2列 出 了 四种 2 8 d龄期 的混 凝 土 通 过 相 应 方 法 测得 的 电通 量 、 电阻 率 、 抗 压 强度 、 总进 汞 量以及孔隙率结果 。 表 2 混凝土试样的 电性 能和物理力学性能 2 ． 1 电 阻率值 和 电通置 、 氯 离子 渗透 系数 的关 系 从 表 2可 以发现 ， 随着 混 凝 土水灰 比的增加 ， 电通量和孔隙率值依次增加 ， 而电阻率和抗压强 度依次减少 。 对电通量 Q和电阻率 ID的数据进行 回归分析 ， 发现他们 之间遵 循幂指数 的关 系( 图 1 ) ， 回归方 程如 下 Q一 6 6 9 3 0|D ∞ 。 ( 2 ) 其中Q 以库仑 ( C) 为单位 ， ID以欧姆 米 ( Q I T I ) 为单 位 。因此用 四点法测 得 混凝 土 电阻率后 可 以 通过式( 2 ) 估算 出混凝 土的 R C P T 电通量。四点 法 可 以直 接用 于施 工 现 场 ， 利 用 四点 法及 根 据 这 两个参数之间的定量关 系模 型，可以作为一种评 定 混凝 土氯 离 子 耐 久性 的间 接 、 快 速 方 法 。根 据 Ne r n s t — E i n s t e i n方 程和大 量的实验 ， 文献 [ 9 3 得 到 了氯 离 子 扩 散 系数 D( 1 0 c m ／ s ) 和 电量 Q 之 间 的关 系 ： D一 2 ． 5 7 7 6 5 + 0 ． 0 0 4 9 2 Q ( 3 ) 将式( 3 ) 代入式 ( 2 ) 可 以得到氯离 子扩散系数 D 和电阻率 ID的关系： D 一2 ． 5 7 7 6 5 + 3 2 9 3 ． 4|D 一 。 ( 4 ) 因此 ， 测得 混凝 土 的电阻率后 还 可 以通 过公 式 ( 4 ) 估算 出氯离子的扩散系数。 图 1 混凝土的电阻率与电通量之间 的关 系 2 ． 2混 凝土 的孔 结构 分 析 为 了从 微 观上 进 一 步分 析 混 凝 土 的 电 特 性 ， 对 混凝 土 的孔结 构进行 测试 。图 2是混 凝 土 的孔 隙累计分布 曲线， 水灰 比为 0 ． 3 ， 0 ． 4 ， 0 ． 5 ， 0 ． 6时 的 孔 隙 率 分 别 为 0 ． 0 2 5 ， 0 ． 0 3 3 ， 0 ． 0 4 9和 0 ． 0 5 6 mL ／ g ， 通 过混凝 土 的密度 换算 得 到表 2中的孔 隙 率结 果 。 二 日 面 滕 珀 图 2 混凝土 的孔 隙累计分布 曲线 2 ． 3孔与 电性 能 以及 渗透 性的 关 系 水 泥基材 料 的孔 隙率 和 电阻率 的关 系 [ 2 为 ，， ． ＼ 2 l n F—I n l I+m l n ~ o ( 5 ) ＼ 0 ／ 其 中 F是电阻率的形成因子， r 是 曲折度， 是 限 制性 ， 是孔隙率。混凝土电阻率的形 成因子( F) 主要是由水泥基材料的孔隙率( 和孔结构决定 。 孔 结 构 变 量 可重 新 组 成 一 个 因子 ，所 以式 ( 5 ) 可以 简化 为 维普资讯 第 2期 魏小胜等 ：用 电阻率法 评定 混凝土的氯离子渗透 2 1 l nF— l n + 7 l n ( 6) 公 式 ( 6 ) 可进一 步 表达 为 F— a ( 7 ) 式 ( 7 ) 中 ， a和 m 为 试 验 常数 ， 式 ( 7 ) 即 是 Ar c h i e 法则 。该 关 系式反 映 了混凝 土 电 阻率形 成 因子 与 孔隙率之间的关系。孔隙率越小 ， 形成因子 F值 越高。 对于固液气相的多孔水泥基材料 ， 液相为导 电体 ， 固相可 看作 是非 导 电体 ， 水 泥基 的形 成 因子 ( F) 为 F-- 一 一O " o — D o ( 8 ) P0 o上 式 中 ， P ， ， D 分别 为 系统 的电 阻率 、 电导率 和扩 散 系数 ； P 。 ， ， D。 分别 为孔 液 相 的电 阻率 、 电导 率 和 扩 散系数 。 因此 ， 混凝 土 的 电阻率 、 电通 量和 扩散 系数 本 质 上都 与 混凝 土 内的 孔 隙 率相 关 ， 反 映 了混 凝 土 的密实性 。 随着水灰比的增大 ， 混凝土的电阻率减 小 ， 因为水 灰 比 的增 加 ， 混凝 土 内留下 了更 多 的孔 隙和扩散通道。低水灰 比的混凝土 ， 孔隙率低， 密 实度高， 导电液相离子或氯离子渗透的通道少， 因 而电阻率高， 电通量小 ， 扩散 系数小 ， 所 以电阻率 和电通量存在负指数 的关 系、 与扩散系数成倒数 比例关系是合理的。氯离子扩散在恒定 的温度下 主要受 到 混凝 土 内孔 分 布 及 孔 隙 率 的影 响 ， 四点 法简单、 可携带， 便于用于现场检测 ，因此 ， 建立 混凝土渗透系数与电阻率定量关系模型对评定 混 凝 土 的耐久性 有重 要 的实 际 意义 。 以前 的研 究 工 作 [ 1 对 水 泥 基 材 提 出 了导 电相 ( 液 相 空间 ， Vc ) 和 非导 电相 ( 骨 料 、 未水 化 水 泥、 水化产物 ， Vu c ) 的两相 定量模 型， 其中 Vc和 Vu c为 时 间 的参 数 ， 并 对 孔 随 时 间 的 发展 提 出 了 量化公 式 。 因此 ， 采 用 电阻 率法 不仅 可 以静 态测 定 混凝 土 的密 实 度 和抵 抗 氯离 子 的能 力 ， 还 可 以 动 态监测钢筋混凝土在海水腐蚀损伤的失效过程 。 3 结 论 混凝土的水灰 比增加 ， 电阻率下降 ， 电通量和 氯离子渗透 系数增加 ； 混凝土 的电性能和氯离子 渗透本质上都与混凝土内部 的孔结构相关 ； 电阻 率与电通量成负指数关 系、 与氯离子的扩散 系数 成倒数 比例关 系。 根据建立的定量模型， 电阻率法 可 以用于 确定 混凝 土 的电通 量或 氯 离子 的 扩散 系 数 ， 从而评定混凝土的耐久性 ， 为现场评定 混凝土 的耐久性提供了快速 、 简捷的方法。 参 考 文 献 [ 1 ] AS T M C 1 2 0 2 — 9 7 ， S t a n d a r d T e s t Me t h o d f o r E l e c — t r i c a l I nd i c a t i o n of Con cr e t e’ S Abi l i t y t O Res i s t Chl or i d e I on Pe ne t r a t i o n，Ann ua l Book o f ASTM S t a n d a r d s [ S ] ．P h i l a d e l p h i a ， P a ． ： A me r i c a n S o c i e t y f or Te s t i ng a nd M a t e r i a l s， 1 99 7． [ 2 ]Hu g h e s B P，S o l e i t A K O， B r i e r l e y R W．Ne w Te c hni qu e f or Det e r m i ni ng t he El e c t r i c a l R e s i s t i v i t y o f C o n c r e t e[ J ] ． Ma g a z i n e o f Co n c r e t e Re s e a r c h，1 9 8 5，3 7 ( 1 3 3 ) ： 2 4 3 — 2 4 8 ． [ 3 3 Wi l s o n J G， Wh i t t i n g t o n H W ， F o r d e M C ． P h y — s i c a l I nt e r pr e t a t i o n o f M i c r oc o mput e r - c o nt r ol l e d Aut o ma t i c El e c t r i c a l Re s i s t i vi t y M e a su r e me nt s o n C o n c r e t e[ J ] ．NDT I n t e r n a t i o n a l ， 1 9 8 5 ， 1 8 ( 2 ) ： 7 9 — 84 ． [ 4 ] 刘 志勇 ， 詹镇峰．混凝土 电阻率 及其 在钢 筋混凝 土 耐久性评价 中的应用研究 [ J ] ．混凝 土 ， 2 0 0 6 ， ( 1 0 ) ： 1 3 — 1 6 ． [ 5 3 R e n g a s wa my N S ，S r i n i v a a s a n S ，Ma h a d e v a I y e r Y，et a 1 ． No n— de s t r uc t i ve Te s t i ng of Co nc r e t e by E l e c t r i c a l R e s i s t i v i t y Me a s u r e me n t s[ J] ． I n d i a n Co n c r e t e J o u r n a l ，1 9 8 6 ，6 0 ( 1 ) ： 2 3 — 2 7 ． [ 6 3 Ta s h i r o C， I s h i d a H， S h i ma mu r a S ．D e p e n d e n c e o f t h e El e c t r ic a l Re s i s t i v i t y o n Ev a p o r a b l e W a t e r C o n t e n t i n H a r d e n e d C e me n t P a s t e s [ J ] ．J o u r n a l o f M a t e r i a l S c i e n c e Le t t e r ，1 9 8 7 ，6 ( 1 2 ) ，1 3 7 9 — 1 3 8 1 ． [ 7 ] We n n e r F ．A Me t h o d o f Me a s u r i n g E a r t h R e s i — s t i vi t y， Rep or t No．25 8， Bu l l e t i n of Bur e au of S t a n d a r d s J R] ． 1 9 1 5 ， 1 2 ( 3 ) ： 4 6 9 — 4 7 8 ． [ 8 ] Mc C a r t e r W J ．A s s e s s i n g t h e P r o t e c t i v e Qu a l i t i e s o f Tr e a t e d a nd Unt r e a t e d Con c r e t e Sur f ac e s u nde r C y c l i c We t t i n g a n d Dr y i n g [ J ] ． B u i l d i n g a n d E n v i r o n me n t ， 1 9 9 6， 3 1 ( 6 ) ： 5 5 1 - 5 5 6 ． [ 9 ] 冯乃歉 ， 刑 锋． 高性 能混 凝 土的 氯离 子渗 透性 和 导 电性 [ J ] ． 混凝土 ， 2 0 0 1 ， 1 4 5 ( 1 1 ) ： 3 - 7 ． [ 1 o ]魏小胜 ，肖莲珍 ，李宗津 ．采 用 电阻率 法研 究水 泥 水化过程 [ J ] ．硅酸盐学报 ， 2 0 0 4 ，3 2 ( 1 ) ： 3 4 — 3 8 ． [ 1 1 ]WE I X i a o s h e n g ， L I Z o n g j i n ．S t u d y o n Hy d r a t i o n o f Po r t l a n d Ce me nt wi t h Fl y As h Usi ng El ec t r i c a l Me a s u r e me n t [ J ] ．Ma t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s ，2 0 0 5 ， 3 8( 27 7)： 4 1 1 — 417 ． 维普资讯 2 2 华 中科技大学学报 ( 城市科学 版) 2 0 0 8焦 As s e s s m e nt f o r Ch l o r i d e Pe r me a b i l i t y o f Co nc r e t e b y El e c t r i c a l Re s i s t i v i t y M e a s u r e m e nt W EI Xi a o - s he n g1 ，xI A Yu - yi n g ，W ANG Yan — we i 3 ( 1 ．a ． S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g a n d Me c h a n i c s ： b．H u be i Ke y La bo r a t o r y o f Co nt r o l St r u c t u r e，HUST ，W u ha n 4 3 00 7 4， Ch i na； 2 ． Edo ng Col l o g e of Te c h no l og y， H u a ng s hi 4 38 0 0 0，Ch i na； 3 ． Hub e i Bur e a u of Commun i c a t i on，W uh a n 4 3 0 03 0，Chi n a) Ab s t r a c t ：The e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y of c o nc r e t e i s a r e s i s t a nc e o f c u r r e nt p e r u ni t a r e a a n d l e ng t h． I t i s a n i n d i c a t o r o f d e ns i t y a nd po r e s t r u c t u r e of c o nc r e t e，a n d t h e C1 一e l e c t r i c f l ux a nd t he C1 一 p e r me a t i on C o e f f i c i e n t s a r e a l s o r e l a t e d t O t h e p o r e s t r uc t ur e ． The r e l a t i o ns hi p s be t we e n t he e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y a n d t he C1 一 e l e c t r i c f l ux， a n d t h e C1 一 p e r me a t i o n c o e f f i c i e n t s we r e pl o t t e d a c c or d i ng t o t he t e s t r e s u l t s ． Ba s e d o n t h e por os i t y me a s u r e me nt ，t h e ph ys i c a l me a n i ng a nd i nt e r n a l c o r r el a t i on b e t we e n t he e l e c t r i c a l pr o p e r t i e s a nd C1 一p e r me a bi l i t y we r e a n a l yz e d．Th e e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y c a n be us e d n ot on l y t o d e t e r m i ne t h e d e ns i t y a nd C1 一p e r me a b i l i t y r e s i s t a n c e s t a t i c al l y，bu t a l s o t O moni t or a n d a s s e s s t he s e r v i c e l i f e a nd t he dur a b i l i t y o f ma r i n e r e i nf or c e d c o nc r e t e d yn a m i c al l y ． Ke y wo r ds：C1 一p e r me a bi l i t y；e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y；e l e c t r i c f l u x；l i qu i d ph a s e；po r o s i t y ( 上接 第 4页) Si m pl i f i e d Co m p ut a t i o na l M o d e l f o r Pl a s t e r b o a r d Fi l l e d wi t h Co nc r e t e JI ANG Xi n- l i a n g， JI ANG Zh e n - h a i ( S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g，Ti a n j i n Un i v e r s i t y，Ti a n j i n 3 0 0 0 7 2，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：I n or d e r t o s o l ve t h e p r o bl e m of t h e c a l c u l a t i o n of t h e p l a s t e r bo a r d s f i l l e d wi t h c o nc r e t e s t r u c t ur e s ys t e m be t t e r， i n t hi s p a p e r t h e p l a s t e r b o a r d f i l l e d wi t h c on c r e t e wa s s i mpl i f i e d a s o r t h o g o n a l a n i s o t r o p i c p l a t e ．Th e r e p r e s e n t a t i v e v o l u me e l e me n t( RVE) mo d e l wa s e s t a b l i s h e d b y c omp o s i t e m a t e r i a l me c h a ni c s a nd t he i nf l ue nc e o f t h e ba r s wa s c o n s i d e r e d， t he n a s i mpl i f i e d c o mp u t a t i o n a l mo d e l wa s p u t f o r wa r d f o r f i n i t e e l e me n t me t h o d ( F EM )a n d t h e g e n e r a l i z e d Hi l l y i e l d r u l e wa s a d op t e d i n t he c o m pu t a t i on a l pr oc e s s ． Thr o ugh t he c omp a r i s on a na l y s i s b e t we e n t h e RVE c o m p u t a t i o n a l r e s ul t s a nd t he t e s t r e s u l t s of s i x ho l e s c o nc r e t e p l a s t e r bo a r d，t h e m o d e l ’S f e a s i bi l i t y a nd s up e r i or i t y a r e t e s t i f i e d． Ke y wo r d s：pl a s t e r bo a r d f i l l e d wi t h c on c r e t e；g yp s u m wa l l bo a r d；RVE mo de l ；g e n e r a l i z e d Hi l l y i e l d r t 1 1 e 维普资讯