c_hongbin
范文一：混凝土电阻率的研究进展
doi:10.3969/j.issn.1002-3550.2011.06.011
混凝土电阻率的研究进展
111111李化建 ，谢永江 ，易忠来 ，谭盐宾 ，冯仲伟 ，方 博 ，杨 2鲁
(1. 中国铁道科学研究院，北京 100081;2. 重庆大学 材料科学与工程学院，重庆 400045)
摘 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
凝土性能表征中的应用，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
文章编号: 1002-355(02011)06-0035-06 中图分类号: TU528.01 文献标志码: A
Advance in research on elect rical resist ivit y of concret e
1111112LI Hua-jian ，XIE Yong-jiang ，YI Zhong-lai ，TAN Yan-bin ，FENGZ hong-wei ，FANG Bo ，YANG Lu
(1. China Academyof Railway Sciences，Beijing 100081，China;
2. Departmantof Materials Science andE ngineering，Chong Qing University，Chongqing 400045，China)
Abst ract : Taking concreteas a compleex le ctriochemestry system hadse veloped a new methodto detect preformance of concrete structurela te-
y.Eectrcty theory has been summuped.D erent measurng and testng techniquesof concretee ectrca resstvty are compared.From ramwa - lliiiffiililiii
terial，mix porportion parameter anden vironmental condition three aspec，tksey factors which affect the concretee lectrical resistivity are intro-
duced.Application of electrical resistivity to characterize concretep erformance is put forward.A review of the existing problems and progreof ss
the research on concreelteec trical resistivity is given below.
Key w ords: concrete;electrical resistivity;electricity theory;testing technique
2+ + + - 2- Ca ，Na ，K ，OH 和SO等离子运动形成;电子导电，通过自由 4 0 引言 电子的迁移形成;空穴导电，通过空穴的迁移形成。 因此 ，混凝 混凝土电阻率作为一个电学参数，反应单位长度混凝土阻 ρ 如式(1)所示: 土的电导率 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 ρ=ρ+ρ+ρ(1) 123 中存在大量的连通或不连通的毛细孔，在这些毛细孔中含有大 式中:ρ ——混凝土电导率; 量毛细孔溶液，这些孔溶液为以饱和 Ca(OH)为主并有其他多 2 ρ——离子电导率; 1 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 ρ——电子电导率; 2 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 ρ—空穴电导率。 —3 率、电导率、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 离子电导率、电子电导率和空穴电导率之间的比例随着混 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 凝土组成材料及其配合比的变化而变化。 [1-2]术。本研究在阐明混凝土电学理论的基础上，比较混凝土电 1.2 复合介质电阻理论阻率测试技术的特点，结合混凝土电阻率研究现状，提出了混 复合介质电阻理论出现于 19 世纪，该理论不考虑复合介质 凝土电阻率研究的问题和趋势。
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 1 混凝土电学理论 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 为揭示混凝土导电机理以及电流在混凝土介质中的传输 [4]基体。麦克斯韦关于电阻率可以用式(2)来表达: 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 ρ ρ m m 包括电阻理论、复合介质电阻理论和构成因子理论。 -1 -1 ρ ρ a [3]=V (2) a 1.1 电阻理论 ρρ m m +2 +2 混凝土电阻理论是基于离子在混凝土结构中传输为基础 ρ ρ a
的。在混凝土中，存在三种导电方式:离子导电，通过孔溶液中 式中:ρ —胶凝材料电阻; —m
ρ —复合介质电阻; —
ρ——骨料电阻; a
收稿日期:20101220 --
基金项目:国家自然科学基金项目(5090822)9;铁道部科技开发计划项目(2008G031N-、2010G024)
?35?
V—骨料相对体积。 a
5 骨料电阻率变化较大，一般在 10Ωcm 以上。水泥胶凝材 ?
3 料或砂浆电阻率相对较低，一般不大于 10Ωcm，因此，式(2) ?
可简化为式(3):
3-V m (3) ρ=ρm 2Vm
式中:V骨料相对体积，V=1V。—- m ma
由于混凝土材料中组分较为复杂，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 图 l 直流电电阻率测定法试件示意图 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 [7] Hughs等 对电阻率测定法进行了改进，他使用交流电来消除 [5]对麦克斯韦公式修改后的公式，Fricke 和 Slawinskig 公式与胶 由于极化效应和电容性阻抗所引起的误差。 砂(采用单粒级和吸水率低的砂)的电阻率有很好的相关性。 2.2 二电极法 1.3 构成因子方法 。二电极法包括外贴式和埋入式两种该方法是在试块两端构成因子方法是一种经验公式法。1942 年 Archie 发现，浸 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， 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 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 [4]构成因子(F)，其关系称为 Archie 规则，如式(4)所示: 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
R好置于骨料上那么测得混凝土电阻将高于实际值。 0 -m F= =Φ(4) Rw
式中:R—水浸透后的砂岩电阻; 0
R—浸透砂岩中水的电阻; w
Φ —岩石中含有水的体积比例;
m 形状系数。—
Archie 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):
m-(5) F=AΦ
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 图 2 二电极法测定示意图 水泥胶凝材料电阻的比值，Φ 是混凝土中胶凝材料的体积。根 [8] Millard 的研究表明，有 90%的测量值只能反映直径相当于 据试验结果可以得到式(6): 10 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 -1.20(6) F=1.04Φ 对结果有很大影响。为消除电极接触端半径的影响，Millard 采用 系数 A(1.04)和 m(1.20)均在岩石系数范围内(A 一般为 0.6~ 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 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，而时又费力。 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。2.3 四电极法 2 混凝土电阻率测试技术 四电极法是是在试块内部预埋四块等间距的平行电极，内
混凝土电阻率的测量方法按接触方式可分为接触式和非 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
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 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 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 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“” 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 字型排列，每两个探头间距为 50 mm。而且，每个探头端部都有 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 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 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 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 验室测试法和现场测试法。常见的混凝土电阻率测试方法有端
二电极法的缺点，电极 50 mm间距使得测试的混 凝土区域面积 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
[6]分布变化的影响，电阻率的测量结果往往产生较大误差且复 演性也不尽如人意。Hansson 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。20 世纪 80 年代中期，
36??图 3 温纳四电极电阻率测试法
孔材料的 ACIS 各参数与结构的定量关系，并用强电介质溶液、
[1] 各种多孔材料证实了各个理论方程的正确性。史美伦从荷兰
Sluyters 实验室回国开始交流阻抗谱在混凝土结构和性能方面
[11]的研究工作。
3 混凝土电阻率影响因素
混凝土的导电是通过混凝土孔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
图 4 内埋杆四点电极法示意图 (1)水泥类型。由于不同水泥类型化学成分不同，各矿物成 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， 分含量也不同，水化后混凝土的孔隙和孔溶液成分必然不同，因 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 此，水泥类型将影响混凝土的电阻率。Hammond 和 Robson研究 测量电位差，这样可以消除表面接触电阻对测量结果的影响。 了水胶比为 0.49 的普通硅酸盐水泥、快硬硅酸盐水泥和高铝水 [9]McCarter等人对比研究了二电极法与四电极法在混凝土 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
泥和快硬水泥的电阻率大十倍至几十倍。养护 24 h 以后，其电阻 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(spurious resistance)。 是普通波特兰水泥混凝土的 100 倍，并趋于稳定。到 150 d 时，其
电阻率是普通波特兰水泥混凝土的 10 倍，并趋于稳定，如图 6 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 [12] 、龄期为 3 个 所示。烟台大学的刘志勇、詹镇峰 对相同水灰比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 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 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 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 [10]图 5 所示。该测试方法是采用电磁响应及变压器的原理，将待 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
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电阻率的原因是由于高铝水泥水中水化消耗游离的钙离子产 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 生铝酸钙，孔隙溶液中游离离子较少以及内部孔隙率小所致。 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。
图 6 水泥类型对混凝土电阻率的影响
(2)骨料。骨料的电阻率远高于胶凝材料的电阻率，混凝土
电阻率在很大程度上取决于水泥石的电阻率。骨料的电阻率主
要与骨料母岩特征及其吸水率相关，通常而言，吸水率越大的 [13]骨料，其电阻率越大，不同岩石的吸水率与电阻率如表 1 所示。 图 5 无电极非接触式电阻率测试原理图 当采用高电阻率骨料配制的混凝土，其电阻率越大，混凝土中 2.5 交流阻抗谱法骨料的比例越大，混凝土的电阻率也越大。Hughes 研究了不同骨
交流阻抗谱(A.C.Impedance Spectroscop，缩写承y ACIS)应 料含量混凝土的电阻率，骨料的含量以胶凝材料质量比计算，骨
料的含量从 2.92 增加到 4.36 时，水胶比同为 0.50 混凝土的电阻 用于研究多孔性水泥混凝土材料取得了突破性进展。其原理是 [7]率从 4.86 增加到 5.73 kΩcm。 ?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 表 1 骨料的电阻率和吸水率 2- 2+++-电作用的离子主要为 Ca，Na，K，OH和SO等离子。混凝土 4
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 岩石类型 吸水率(质量百分比)/% 电阻率 (/ Ω?cm) 中的交流阻抗相应获取其特征阻抗谱。90 年代初期，在加拿大工 砂岩 9.20 18 000 作的 Xu Zhongzi、Gu Ping 等开始了交流阻抗谱在水泥基材料 石灰岩 6.00 30 000 方面研究的应用。McCarter 首先发现了硬化水泥浆体中存在交 大理石 0.90 290 000 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 花岗岩 0.34 880 000 研究表明，ACIS 特征与 W/C 和水化时间有关。Gu Ping 等在此
基础上提出了描述水泥水化系统的 ACIS 行为的界面模型和等 3.2 配合比参数 效阻抗回路。Xu Zhongzi 等从电化学基本原理出发，建立了多 。 (1)水灰比水灰比对水泥浆体微结构有着重要的影响。
Monfore 通过研究发现，水灰比越小，水泥浆体的电阻率越大，
37 ??
水灰比 0.4 的水泥浆体电阻率约是水灰比 0.6 水泥浆体电阻率
[1415]-的 2 倍。弓国军、宋晓冰、孔启明研究发现混凝土电阻率随
水灰比减小显著降低。水灰比越大，混凝土中孔隙的数量以及孔
径尺寸越大，混凝土的孔隙率越高，混凝土密实度越差，混凝土
的电阻率越低。 (2)水泥用量。单位立方米混凝土水泥用量对混凝土的电阻
率影响主要表现在，在用水量不变条件下增加了易水解的盐类，
混凝土孔隙溶液中游离态的离子必然越多，混凝土的电阻率就越
3 3 小。研究表明，当水泥用量从 300 kg/m增加到 400 kg/m时，水 图 7 粉煤灰对混凝土电阻率的影响 胶比为 0.50 时的混凝土电阻率降低约 20%(接近 12 000 Ω?m)，
水胶比为 0.55 时的混凝土电阻率降低 25%。事实上，水泥用量
与混凝土电阻率影响并不呈线性变化，应存在水泥用量的最佳
范围，该范围内混凝土强度最高、水泥石的致密度最高，其电阻
率应该出现极值。
(3)矿物掺合料及其掺量。以粉煤灰、矿渣和硅灰为代表的
矿物掺合料能够提高混凝土电阻率已被广泛证明，掺加矿物掺
合料也成为提高混凝土电阻率的主要技术途径。
粉煤灰的电阻率与粉煤灰的化学组成关系比较大，氧化铁 图 8 矿渣对混凝土电阻率的影响 含量较高时其导电率比较高，即电阻率较低，粉煤灰的电导率 912 [16] 混凝土的电阻率高于同水胶比空白混凝土的电阻率，但水胶比为通常在 10~10Ωcm 的数量级。Ehtesham研究了粉煤灰对水 ?0.65 混凝土的试验结果则相反。对比图 7、8 可知，相同水胶比情 泥混凝土孔隙溶液和孔结构的影响，发现以 30%粉煤灰等量取 况下，掺 25%粉煤灰混凝土的电阻率高于掺3 5%的矿渣混凝土。 代水泥的混凝土中孔隙溶液中氢氧根浓度显著降低，而且混 矿物掺合料对混凝土电阻率影响的机理是基于减少混凝 凝土的微孔结显著细化，混凝土的电阻率比基准的提高 2.2 倍。 [17]土中导电离子以及细化混凝土中孔隙结构。掺合料化学组成、 L.Xiao 和 Z.Li对水胶比为 0.4，火山灰掺量为 0、25%和 50% 粒度分布、掺量等对混凝土的电阻率有显著的影响。 的混凝土试件及孔溶液的电阻率进行了测试。试验发现，在水 (4)含气量。含气量是混凝土拌合物的关键参数，关于含气 化初期掺入火山灰的试件电阻率要小于未掺的试件。但是，掺 量对混凝土电阻率影响研究较少。有研究表明，混凝土电阻率 加火山灰的试件的孔隙溶液的电阻率要远大于未掺的试件。分 随着混凝土含气量的增加而增加，混凝土中的含气量可以认为 析其原因主要是由于火山灰活性较低，水化较慢，因此掺入火 是混凝土的骨料，起到阻碍导电离子传播的作用。 山灰的混凝土试件的孔隙率相对较大，故其电阻率较小。相对于水
泥，火山灰中 CaO 含量要小得多(水泥中 CaO 含量为 64.37%， 3.3 服役环境火山灰中 CaO 含量为 3.38%)。因此，掺入火山灰后，孔隙溶液 不同环境下混凝土电阻率差异较大，干燥混凝土是好的绝缘 [18]中游离态 Ca(OH)离子浓相降低，电阻率增大。钱觉时等以 2 体，在烘干条件下混凝土介于绝缘体得下限;在干燥条件下，则处 砂浆为研究对象，研究了掺合料(粉煤灰和硅灰)对钢渣混凝土 于半导体得上限;处于侵湿状况时，其电阻率从最高的 108Ω cm ?电阻率的影响，研究表明硅灰可以提高钢渣砂浆的电阻率，而 34 降底到 10~10Ωcm。服役环境影响因素主要包括环境温度、 ?粉煤灰则降低钢渣砂浆的电阻率，且粉煤灰对钢渣砂浆电阻率
降低的作用则与粉煤灰的组成，特别是粉煤灰中碳含量、氧化 湿度、腐蚀介质(氯盐侵蚀、硫酸盐腐蚀)等。 [19]铁等矿物含量密切相关。王雪芳、郑建岚等采用无电极电阻率 (1)温度。温度对混凝土电阻率的影响主要表现在混凝土 测定仪研究了矿物掺合料(粉煤灰和矿渣)对混凝土电阻率的 孔隙溶液的黏度及溶液中离子的活性受温度控制。温度越高， 影响，粉煤灰和矿渣掺量的提高混凝土电阻率随之增大，电阻 孔隙溶液中各种导电离子活性增强，混凝土的导电性增强，混凝 率变化率则随之降低，从而使得其后期的电阻率随着粉煤灰与 [21]土的电阻率减小。Hope对不同水灰比试件在不同温度下的电 矿渣掺量的提高而降低;在同掺量情况下，掺 II 级粉煤灰混凝
阻率进行了测试，发现电阻率与温度满足式(7): 土的电阻率低于掺 I 级粉煤灰混凝土的电阻率，其电阻率变化 [12]速率也是如此。刘志勇等采用二电极法研究了矿物掺合料对
混凝土电阻率的影响，同水胶比的粉煤灰混凝土比空白混凝土 A(1/T-1/T)12R=Re(7) 21电阻率提高的幅度约 1 倍，当采用粉煤灰和矿渣复掺时的同水 式中:T、T开尔文温度; R、R——1212胶比混凝土电阻率提高幅度近 2 倍。 不同温度对应的电阻率; A系—
Baweja 等研究了不同水胶比(0.45、0.55 和 0.65)粉煤灰和 数，约为 2 889。
[20]矿渣对混凝土电阻率的影响。由图 7 所示，当粉煤灰掺量为胶 [22]Elkey也证实了上述模型的合理性，并研究发现，A 值介 凝材料的 25%时，混凝土的电阻率显著增加。在电阻率测试前， [12]于 2 000~5 000之间 。刘志勇、詹镇峰对掺入大量工业废渣的 混凝土在水中浸泡。在水胶比为 0.45 时，测试龄期为 800 d，水 硅酸盐水泥混凝土的电阻率与温度的关系进行了研究，研究发 胶比为 0.45 粉煤灰混凝土的电阻率是同水胶比空白混凝土的 现随着温度升高，混凝土的电阻率降低明显。在正温时，混凝土 5 倍。由图 8 可知，当矿渣掺量为 35%时，水胶比为 0.45 和 0.55 电阻率和温度的关系基本符合上述公式，在负温条件下，温度 38 ?? 对混凝土电阻率的影响尚待研究。
(2)湿度。湿度对混凝土的电阻率影响是最大的。环境湿度
越高，混凝土孔隙的饱水率越高，混凝土的电阻率越低。弓国军、 [14]宋晓冰、孔启明对氯盐污染环境下混凝土电阻率进行了研究。
锈蚀，加速混凝土的碳化，是影响结构耐久性的一个很重要的 研究发现，湿度是影响混凝土电阻率最主要的因素。刘志勇、詹 [12]因素。在干燥环境下，输入电流方向垂直于裂缝时，电阻率随着 镇峰对硫铝酸盐水泥混凝土电阻率和混凝土饱水度之间的关
系进行了试验研究。研究发现在饱水度小于 50%时，混凝土电阻 裂缝深度的增加而增大，输入电流方向平行于裂缝时，电阻率 率和饱水度之间几乎呈线性关系。当饱水度在 50%以上时，随裂缝深度的增加而减小;在潮湿环境下，输入电流方向垂直 混 凝土的电阻率和饱水度呈指数函数关系。 于裂缝时电阻率不随裂缝深度的变化而改变，输入电流方向平 23[][33](3)腐蚀介质。.Saeem等人研究了分别在氯盐、硫酸盐 Ml行于裂缝时电阻率随裂缝深度的增加而减小。艾亿谋等研究 侵蚀环境下湿度对混凝土电阻率的影响，研究结果显示在氯盐、 结果证实通过电阻率测量不仅可以准确找出裂缝的位置，而且 硫酸盐侵蚀环境下湿度对混凝土电阻率几乎没有影响，意味着在 可以确定的裂缝深度和裂缝密实度。 干燥条件下氯盐和硫酸盐侵蚀同样能加速混凝土内钢筋锈蚀。 5 结束语 4 电阻率用于混凝土性能的表征 以混凝土的电学参数表征混凝土性能及其结构已经成为 4.1 用于钢筋锈蚀的检测与评价 学者的研究热点，然而以电阻率为代表的混凝土电化学参数尚
且没有一个公认的检测方法或评价指标，其原因如下:?电阻 目前在钢筋锈蚀检测方面，电阻率检测技术因其设备简单、 率用于混凝土早期性能的表征更为适合，在养护龄期为 7 d 之后， 应用范围广、适合于现场检测而越来越受到人们重视。高性能 混凝土电阻率随性能变化的相关性不明显;?电场作用下，混凝 钢筋混凝土应该具有高的电阻率，因为混凝土电阻率太低可能 土内部电解质溶液的温度升高，尤其对于密实度较差的混凝土， 影响钢筋保护效果。电阻率和混凝土中钢筋锈蚀速度的关系如 消除电场对混凝土电阻率测试结果的影响是制约该方法应用 [24]表 2 所示。对于湿养护 6 个月的高性能混凝土试件，电阻率在 的关键;?目前不同研究者所采用的检测仪器、检测电压以及 470~530Ω ?m 范围之间，比普通混凝土高 10 倍。当电阻率大于 样品规定各不相同，且缺少以电阻率为依据的量化评定指标。因
此，混凝土电阻率检测方法高效可靠、混凝土电阻理论和模型 500 Ω?m 时，可有效抑制钢筋锈蚀。
的广泛适用、基于电阻率的混凝土性能评价指标的量化将是混 表 2 电阻率和混凝土中钢筋锈蚀速度的关系
凝土电阻率未来研究的热点及发展趋势。
电阻率 (/ Ω?cm) <5 000="" 5="" 000~10000="" 10="" 000~20000="">20 000
锈蚀速度 非常高 高 一般 低
4.2 用于混凝土渗透性能的检测与评价 参考文献: 利用混凝土导电性可以进行氯离子渗透快速测试，这种测 [1] 许仲梓.水泥混凝土电化学进展—交流阻抗谱理论[J].硅酸盐学 试方法最早在 FHWA/RD-81/119中被命名 为“混凝土氯离子渗 报，1994，22(2):173-180.
透快速测试方法”。随着该测试方法的逐渐推广，随之出现基于 [2] 何真，王信刚，梁文泉，等.水泥基材料电特性的研究进展[J].建筑材 混凝土导电性的检测方法有“快速测定混凝土氯离子渗透性的 料学报，2004，7(1):46-51.
[3] SUNM ，LI Z.Study on the hole conduction phenomenonin carbon fiber 标准测试方法”(AASHTO T277)和“混凝土抵抗氯离子渗透能
[25] reinforced concrete[J].Cement& Concrete Researc ，h1998，28(4):549 -力的电学性能表征的标准测试方法”(ASTM C1202)。赵铁军
555. 利用高频低压交流电，通过测量电阻率来反映混凝土的渗透性， [4] WHITINGD A，NAGI M A.Electrical resistivityof concrete[J].ALiter a) 克服了直流电量法的极化反应和溶液温度升高的缺点，缩短了 ture Reviewby PCA R & D Serial，2003(2457):13-14. 试验时间。 [5] HANSSONI L H，HANSSON CM .Electrical resistivity measurementsof 4.3 用于混凝土凝结和硬化的表征 portland cement basedmaterial s [J].Cement and Concrete Research ， 水泥混凝土随水化过程进行，由于自由水的减少，电阻率 1983，13(5):675-683. 也发生比较大的变化，因此可以通过测量混凝土电阻率的发展 [6] KSHMINARAYANAN ，VRAMESH P S，RAJNGOPALAN R.A S new [26] 变化，间接的反映水泥基材料水化反应及凝结硬化情况。现在techniquefor the measurementof the electrical resistivityof concrete[J]. 已有很多研究者采用非接触式测量方法，通过电阻率来表征水 Magazine of ConcreteReseac ，h1992，44(158):47-52. 泥早期的水化行为、混凝土早期力学性能和内部微结构变化。 [7] HUGHSB P，SOLEITA K O，BRIERLEYR W.New techniquefor de ) [27]隋同波等研究认为，电阻率的变化可以反映水化程度的变化。 termining the electrical resistivity of concrete[J].Magazineof Concrete [28]张丽君等研究认为，电阻率—时间曲线不仅可以表现掺矿物 Researc，h1985，37(12):243-248. 掺合料的浆体的水化过程，也可以表现掺合料的活性大小。 [8] MILLARDS G.Reinforced concrete resistivitymeasurement technique s[J]. 4.4 用于混凝土强度的预测Proceeding，sInstituteof Civil Engineers，1991(81):71-88. 用电学的方法来预测水泥基材料的强度，国内外已有大量 [9] MC CARTERW J，FORDEM C，WHITTINGTONH W.Resistivitycha r) [29]研究。肖忠明发现水泥抗压强度与水泥浆体的电导率线性相 acteristics of concrete[J].Proceeding，Institutes ofCivil Engineer，s1981， [30]关;魏小胜等研究了三种水泥在粉煤灰掺量相同情况下 1 d 电阻 71(3):107-117. [10]李宗津，肖莲珍，左彦峰，等.用于混凝土外加[31]率与 28 d 抗压强度的关系;Backe等研究了不同养护温度下油井 剂质量评议和选择的
水泥浆体的电阻率与抗压强度的关系，并将得到的关系用 Powers 新方法无电极电阻率测定方法[C]//混凝土外加剂新技术与新设 —[32]公式、Balshin 公式和 Schiler 公式进行了对比;Princigallo发现混 备研讨会，20-26.
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39 ??
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(100081) [23]SALEEM M，SHAMEEMT S ，EHUSSAIN M.Maslehuddin，Effect tof
联系电话: 13581525099 moisture，chloride and sulphate contamination the on electrical resis)
上接第 32 页 ?
于更广泛的应用，还需要进一步深入研究。 Researc，h200(22221):1-8.
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联系地址: 江苏省宿迁市黄河南路 399 号(22380)0 retrofitting effects of reinforced concrete columns damaged by) rebar cor
联系电话: 13101869398 rosion strengthenedwith carbonfiber sheets [J].Cementand Concrete
?上接第 34 页
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联系地址: 河南省洛阳市洛阳理工学院土木工程系(47102)3 [9] GB 5001—02002，混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版
联系电话: 13937966276 社，2002.
40 ??
范文二：混凝土电阻率
基础接地体的应用存在各种不同的看法：有些人认为，在基础内的钢筋被混凝土包住，就不可能与大地沟通，这样怎样起接地体的作用呢？事实上干燥的混凝土是很好的绝缘体。而含有水分的混凝土却是另一种情况。在制造钢筋混凝土基础的过程，硅酸盐水泥和水互相作用，干涸后，混凝土中存在许多细小的分支毛细管。基础的混凝土保持与含水分的土壤接触时，毛细管将水分吸到混凝土里，因而降低了混凝土的电阻率。混凝土的实际电阻率实测值见表
1。
表1混凝土电阻率的实测数据
混凝土所处的条件 电阻率(Ω*m)
放在水中 40～50
埋在潮湿土壤中 100～200
埋在干燥的土壤中 500～1300
从上表实测数据可以看出，钢筋混凝土基础作为接地装置是有利的。较大的楼宇采用基础接地体后的接地电阻一般都能满足要求。若较小的钢筋混凝土建筑，使用它的柱梁结构的埋地钢筋混凝土做接地网，即使它的接地电阻达不到足够小，需要加埋人工接地体补充，这起码也能够起到减少人工接地体的数量，节约投资，是一件有益无害的好事。但有些钢筋混凝土确实不能作为接地装置，如防水水泥，铝酸盐水泥，矾土水泥，以及异丁硅酸盐水泥
等，以人造材料水泥做成的钢筋混凝基础，不能做接地装置。
这里有一点要强调，混凝土浇灌前，各钢筋之间必须构成电气连接。主要是作为接地体的桩筋与承台的连接，选定作为引下线和均压环屏蔽网的梁柱筋驳接处必须作牢固的焊接，使之成为可靠的电气通道。有一种观点认为，建筑物由结构的钢筋经过绑扎即可达到电气连接的要求，并可望经过雷电流冲击后把绑扎点熔接起来，相当于点焊一样。事实上这种做法是不可靠的，据防雷设施检测、验收和灾情调查实例分析，对以上说法有三个疑问：其一是在潮湿多雨的南方，钢筋的锈蚀，水泥浇注时的振动，使钢筋绑扎接口成为不良接触，使应该作为防雷接地系统的各部分钢筋连接体未能形成良好的电气通路，不利于雷电流的泄放；其次，在选作接地装置的桩、梁、柱筋的绑接，各接口的过渡电阻值不同，影响了雷电流的平衡分布；其三，因为雷电冲击使绑扎点发生焊接的可能性是不均匀的，而每次雷电流的“点焊”结果，已经使建筑物经历了一次局部的灾害，无论是墙柱体爆裂，或者是“点焊”处周边产生的强烈电磁感应，对人体或设备的损害，特别是对高层建筑和现在所称的“智能大厦”，其危害是显然的。据广东省气象局与广东省公安厅多年对雷电灾害调查发现；广东省内不少高层建筑因为忽视了这个问题，使建筑物防雷能力不足，从外表看似在完善的防雷针、网、带的“保护”之下，还是发生了建筑物局部损坏的情况，在农村地区这种现象就更为常见。因此，在广东省，对建筑物防雷设施建设质量的验收就包含了对隐蔽工程，主要是选作防雷装置的桩、梁、柱、钢筋的焊接及其焊接质量的验收。事实证明，这种措施是非常必要的。
混凝上的电阻率与其含水量有关, 作为接地装置的钢筋混凝土基础形成后, 混凝土中存在着许多细小的分支毛细管, 基础钢筋混凝土一长期与含水分的土壤接触, 由于毛细管的作用, 混凝土经常保持潮湿状态, 降低了混凝土的电阻率。土壤常年含水率在5%以上时, 即可利用建筑物的基础作为接地装置。土壤愈潮湿, 混凝土的电阻率就愈低 因此, 通过基础地梁钢筋连成整体, 就可能获得一个相当低的接地电阻。知道了不.........
某工地塔吊避雷接地及保护接零安装技术：
1、防雷接地体采用4*40mm镀锌扁铁与桩主筋焊接，接地电阻不得大于1欧姆；
2、避雷引下线采用35mm2铜芯线，一端与镀锌扁铁用m10螺栓锚固，上端与塔帽避雷针锚固，避雷针采用直径20镀锌钢管，下焊70*70*5镀锌角钢，针尖采用直径16镀锌圆钢磨尖，安装长度高于塔帽1米。。
3、保护接地与塔吊连接：在塔基底座上焊一只m12的螺栓，保护接地线一端固定在螺栓上，一端固定在开关箱箱内保护接地端子板上。该线直径与塔吊进线同截面。
这里指明塔吊的避雷接地及保护接地都必须用有足够截面铜芯线上下连接。
还有工地的塔吊、提升架利用建筑物的防雷接地系统作为防雷保护，接地电阻不得大于10欧姆。
这些都说明安全施工中是不允许用塔吊本身来做避雷接地和保护接地的导体。原因有两个：
1. 防雷接地体要专门制作和施工接地电阻要小于10欧姆才符合规范要求。塔吊虽然也埋在地里，但它的接地电阻却达不到规范的要求，不能及时泄导遭遇的雷电，起不到防雷的作用。
2. 塔身是一节一节的拼接而成的，虽然都是钢材制造的，但都刷有多层防腐的油漆，油漆都是不良导体；导电体之间要求但是焊接，而塔身都是拼接也不能保证塔身能够良好地把雷电导接到地下来。
为了保证雷击塔吊的时候塔吊能绝对安全，所以还要另外做防雷接地。
范文三：用电阻率法评定混凝土的氯离子渗透
第25卷第2期2008年6月 华 中 科 技 大 学 学 报(城市科学版)
J. of HU ST. (U rban Science Editi on ) V o l . 25N o. 2
Jun .
2008
用电阻率法评定混凝土的氯离子渗透
魏小胜1, 夏玉英2, 王延伟3
(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 430074;
2. 湖北鄂东职业技术学院, 湖北 黄石 438000; 3. 湖北省交通厅, 湖北 武汉 430030)
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:TU 502+. 5 文献标识码:A 文章编号:167227037(2008) 0220019204
A STM C 1202或AA SH TO T 277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、条件、相对湿度、水化程度[2, 从导电性能看, 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[2, 3, 5]。等的研究表明电阻率与孔和A STM
C 1202297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T ash iro
[6]
2. 46, 含泥量2. 9%。石子:5～20mm 碎石,
含泥0. , 1. (w c ) 的混凝土(表1) , 60%, 混凝土用机械拌合, 成型24h 后拆模, 放入标准养护室养护至28d 。
表1 混凝土试样配合比
样品代号
C 3C 4C 56
w c
( 材料用量 3)
水水泥砂石212199195183
705497390305
482482482482
1008100810081008
密度
(3) 2387235123342284
0. 30. 40. 50. 6
1. 3 试验方法1. 3. 1 电通量法
A STM C 1202电通量法, 即RCPT (rap id ch lo ride p enetrati on test ) , 该方法是将 95mm
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。
×50mm 的混凝土试样侧面封闭后, 放入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. 3m o l L 的N aO H 溶液, 接电源的正极; 另一端加入3%的N aC l 溶液, 接电源的负极。施加60V 直流电压并持续6h , 在电场的作用下, 氯离子会通过混凝土向正极
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
42. 5级普通硅酸盐水泥, 其力学性能满足国家标准GB 17521999。砂:中粗黄砂、细度模数M x =
收稿日期:2007211205
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。
作者简介:魏小胜(19642) , 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, w eixiao sheng @gm ail . com 。基金项目:国家自然科学基金(50778078) 。
(城市科学版) 2008年 华 中 科 技 大 学 学 报?20?
1. 3. 2 电阻率
将经过28d 标准养护的试件先在50℃的烘
箱中烘干后, 在真空条件下排气30m in , 再吸进5m o l L 的N aC l 溶液浸泡5h , 将表面溶液用干毛
到了氯离子扩散系数D (×10-9c m 2 s ) 和电量Q
之间的关系:
(3) D =2. 57765+0. 00492?Q
将式(3) 代入式(2) 可以得到氯离子扩散系数D 和电阻率Θ的关系:
D =2. 57765+3293. 4?Θ
-0. 939
巾抹去后, 采用四点法[7, 8]测定其电阻率, 测量环境温度为25℃。本试验用N aC l 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
(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
。
用M icrom eritics A u toPo re 29500水银高压测孔仪, 其最大压力达400M Pa 。水银在多孔介质中的运动符合L ap lace 公式
r =750 P
(1)
式中, r 为毛细孔半径(nm ) ; P 为压力值(M Pa ) 。1. 3. 4 抗压强度
按GB 《普通混凝土力学性能T 5008122002试验方法标准》进行抗压强度测试, 抗压试件尺寸是150mm 的正立方体。
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
, 2是混凝土的孔
水灰比为0. 3, 0. 4, 0. 5, 0. 6时0. 025, 0. 033, 0. 049和0. 056mL g , 通过混凝土的密度换算得到表2中的孔隙率结果
。
2表2列出了四种d 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样品代号C 3C 4C 56
电通量
电阻率抗压强度总进汞量孔隙率
67554134
) 0. 0250. 0330. 0490. 056
3846242. 87356123. 91700847. 32423735. 75. 87. 611. 212. 6
2. 1 电阻率值和电通量、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Θ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 =66930?Θ
-0. 939
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
(2)
水泥基材料的孔隙率和电阻率的关系[2]为2
(5) +m ?ln Υln F =ln
其中F 是电阻率的形成因子, Σ是曲折度, ?是限制性, Υ是孔隙率。混凝土电阻率的形成因子(F )
) 和孔结构决定。主要是由水泥基材料的孔隙率(Υ
孔结构变量可重新组成一个因子Λ, 所以式(5) 可以简化为
其中Q 以库仑(C ) 为单位, Θ以欧姆?米(8?m ) 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RCPT 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N ern st 2E in stein 方程和大量的实验, 文献[9]得
第2期魏小胜等:用电阻率法评定混凝土的氯离子渗透
?21?
ln F =ln Λ+m ?ln Υ(6) (7)
公式(6) 可进一步表达为
F =a ?Υ
-m
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
式(7) 中, a 和m 为试验常数, 式(7) 即是A rch ie
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 =ΘΡD 0
(8)
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[4], 式中, Θ, Ρ, D 分别为系统的电阻率、电导率和扩散
系数; Θ、电导率和0, Ρ0, D 0分别为孔液相的电阻率扩散系数。
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, , , 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[10, 11]对水泥基材提出了导电相(液相空间, V c ) 和非导电相(骨料、未水化水泥、水化产物, V uc ) 的两相定量模型, 其中V c 和V uc 为时间的参数, 并对孔随时间的发展提出了
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[9] 冯乃歉, 刑 锋. 高性能混凝土的氯离子渗透性和
Bu ilding and
Indian
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
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(城市科学版) 2008
年 华 中 科 技 大 学 学 报?22?
A ssess m en t for Chlor ide Perm eab il ity of Concrete by Electr ica l Resistiv ity M ea surem en t
W E I X iao 2sheng , X IA Y u 2y ing , W A N G Y an 2w ei
1
2
3
(1. a . Schoo l of C ivil Engineering and M echan ics ;
b . H ubei Key L abo rato ry of Con tro l Structu re , HU ST , W uhan 430074, Ch ina ;
2. Edong Co lloge of T echno logy , H uangsh i 438000, Ch ina ; 3. H ubei B u reau of Comm un icati on , W uhan 430030, Ch ina )
Abstract :T he electrical resistivity of concrete is a resistance of cu rren t p er un it area and length . It is an indicato r of den sity and po re structu re of concrete , and the C l electric flux and the C l p erm eati on coefficien ts are also related to the po re structu re . T he relati on sh i p s betw een the electrical resistivity and the C l
---
electric flux , and the C l p erm eati on coefficien ts w ere p lo tted acco rding to the test
-
. B ased on the po ro sity m easu rem en t , the p hysical m ean ing and in ternal co rrelati on betw een resu lts
-the electrical p rop erties and C l p erm eab ility w ere analyzed . T he electrical resistivity can be u sed no t
on ly to determ ine the den sity and C l p erm eab ility resistance statically , bu t also to m on ito r and assess the service life and the du rab ility of m arine reinfo rced concrete dynam ically .
-Key words :C l p erm eab ility ; electrical resistivity ; electric flux ; liqu id p hase ; po ro sity
-
(上接第4页)
Si m pl l M odel for Pla sterboard F illed w ith Concrete
J IA N G X in 2liang , J IA N G Z hen 2ha i
(Schoo l of C ivil Engineering , T ian jin U n iversity , T ian jin 300072, Ch ina )
Abstract :In o rder to so lve the p rob lem of the calcu lati on of the p lasterboards filled w ith concrete structu re system better , in th is p ap er the p lasterboard filled w ith concrete w as si m p lified as
o rthogonal an iso trop ic p late . T he rep resen tative vo lum e elem en t (RV E ) m odel w as estab lished by com po site m aterial m echan ics and the influence of the bars w as con sidered , then a si m p lified com p u tati onal m odel w as p u t fo rw ard fo r fin ite elem en t m ethod (FE M ) and the generalized H ill yield . T h rough the com p arison analysis betw een the RV E ru le w as adop ted in the com p u tati onal p rocess
com p u tati onal resu lts and the test resu lts of six ho les concrete p lasterboard , the m odel ’s feasib ility and sup eri o rity are testified .
Key words :p lasterboard filled w ith concrete ; gyp sum w allboard ; RV E m odel ; generalized H ill yield
ru le
范文四：一种改进的混凝土电阻率测量方法
，:,,，,，:, ,,，,， ,，，,，,,，,,: ,,，:，，:，:,, ,;:,,:,, 年月 ,:,, ,,
,,,:,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,:,,,,,,
一种改进的混凝土电阻率测量方法
,,, 王立霞
,河南建筑职业技术学院工程管理系,郑州,河南省建筑工程学校,郑州,,,,,::,,,,,,::,, 摘 要, 通过改进混凝土电阻率测量的方法,采用小电极形式埋入混凝土内部不同深度,用恒电位仪进行电阻测量,可 以实现对混凝土内部不同深度处电阻的连续监测。 比较分析了依据和两个电极间距测量的混凝土电阻率结 ,:, ,:,
。 研究了环境湿度对混凝土试件不同深度电阻率的影响及在自然和标准两种养护条件下混 果所计算的变异系数的变化,,,并且对浸水前后不同深度混凝土电阻率的变化率进行了分析分析表 明表层混凝土的电阻 凝土电阻率随深度的变化。 ,,。率对干燥行为非常敏感从而证实该方法有效可行重现性好结果稳定
, , , , 关键词混凝土电阻率测量方法改进
, , 中图分类号 文献标识码 文章编号,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,:,,,,::,,:, ,,,,,，,,:,;, ,;,～:,,:,,;,,～,,,,～;，,;:,,,:,,,;,,,,,,,,:,::,:,;,; ,,!,,,,,，, ，,,,,,
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,, , , :，;,:,,,::,:,;,;;,;:,,,:,,,;,,,,,,,,,;,,～,,,,;,～:,,;,,,:,,,, !!,,
。 , 混凝土电阻率是混凝土抵抗电流通过的能力电阻率是混凝土的一种重要特性与混凝土的其它性能
。 ,,有密切的关系其测量原理是在一已知电压作用下测量流经混凝土的电流利用欧姆定律计算出混凝土的
。 ,,电阻和电阻率通过测量混凝土的电阻率建立电阻率与混凝土其他性能的联系从而推断混凝土拌合物的 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,性能和硬化混凝土的力学性能和耐久性能反映外界环境对混凝土的侵蚀以及混凝土中钢筋的
,,,,,锈蚀状况或者利用交流电在水泥基材料中产生的阻抗谱图的变化建立混凝土其它性能与阻抗谱之间的 ,,,:,,,,。 ,,关系进而推断混凝土的性能由于混凝土内部湿度的分布不同混凝土内外的电阻率不同根据混凝 ,,,,,,,,。 ,土内外电阻率的差异判断混凝土养护质量的好坏因电阻率测量方法具有快捷和操作简便等特点其
,。作为混凝土检测技术在实际工程中会得到越来越广泛的应用
,,,,。 混凝土的含水率或混凝土内部的湿度大小是决定其电阻率高低的最主要因素等的研 ,～,,,,,,,:,
收稿日期,,:,,,:,,, ,,,,,基金项目国家自然科学基金 ,:,:,::,,,,,,,,,作者简介王立霞,,,,女高级工程师硕士,，,,,,,,,,,,,,,,,::, ,,,
王立霞,一种改进的混凝土电阻率测量方法第第期 卷 ,,,, ,,
,,,。究表明,潮湿混凝土的电阻率约为,而当其经过,其电阻率可高达 对干燥后?? ,:,,:, ? ,:,, ::ΩΩ
,、,于早龄期混凝土受环境湿度混凝土的水灰比大小以及胶凝材料水化程度不同的影响混凝土从外到内存 ,,,,,,,在湿度梯度其表层的电阻率与内部电阻率存在显著的差异然而传统的电阻率测量方法无论是接触式
,,还是非接触式都是对混凝土整体或者表面电阻率的测量因此只能反映出混凝土整体的情况或者混凝土内
。部钢筋锈蚀对混凝土表面电阻率的影响
,。 ,、 该文提出了一种新的混凝土区域电阻率测定方法即采用二电极接触法使用小电极大试件分区域
。 、,, 分层次测量混凝土的电阻率通过各区域各层次的电阻率差异来反映出混凝土内部各区域性能的差异
,,,尤其反映早龄期混凝土从外到内的湿度梯度与混凝土养护状态建立联系进而评价混凝土的养护效果还
,。原混凝土的养护历史适时反映混凝土内部性能的变化
混凝土电阻率测量原理, ,,早龄期混凝土由于胶凝材料与水发生水化反应产生大量的导电离子液相中导电离子的浓度几乎接近
,,,,,。,饱和电流在混凝土中的传导过程主要是导电离子的迁移过程等的研究表明在高湿度及导电 ，:;,,,
,,离子浓度足够高的情况下导电离子的种类和多少对混凝土电阻率的影响甚微决定混凝土电阻率大小的主
。 ,,要因素是混凝土的含水率混凝土内部离子迁移的难易程度决定早龄期混凝土电阻率的大小也就是说测
,。 量早龄期混凝土的电阻率即是一种离子在混凝土孔隙中扩散过程的测量传统的直流电对混凝土电阻率 ,,。 的测量是通过在电极之间施加一恒定电压进而测得电极之间通过电流的大小来实现的早龄期混凝土的
,,,液相是一种类似与电解质性质的导体电流在电解质溶液中通过要产生极化即由于正负离子迁移后在电
,。 ,极之间产生电势差使准确测量混凝土的电阻率成为困难为了消除离子的作用特别是消除电极间的极化 ,,。作用需要采用交流电但是交流电并不能使电极间的极化作用完全消失
,,,恒电位仪是一种电化学分析测试仪器它通过双层电容串联抵抗电极间的极化作用把工作电极和参
。。比电极之间的电位控制在某一固定的电位文中研究采用 在两电极之间 恒电位仪进行电阻率测量, ,,,
,,。施加测量流经两电极之间混凝土电流的大小用欧姆定律计算电阻率的电压,,,,
, 试 验 材料 ,,,
水泥采用平顶山天瑞集团水泥有限公司 。 掺合料为焦作热电厂产的 级粉普通硅酸盐水泥,:,,,, ? 。 ,,。煤灰水泥和粉煤灰的化学成分和物理力学性能在文献中已经给出,,
,。 细集料选用产自平顶山鲁山的天然河砂粗集料选用产自郑州贾峪的破碎石灰石细集料和粗集料的
,,。性能指标与文献中相同,,
混凝土配合比和试件尺寸,,,
。,,,,,,,,, 混凝土配合比为水泥细骨料粗骨料水其中粉煤灰 ,,,,,,?,,,,?,,:,?:,,,???
。 。 掺量为胶凝材料总量的使用郑州产的脂肪族高效减水剂将新拌混凝土的坍落度调整到 ,,, ,,:,:,:
。混凝土标准养护条件下的抗压强度为,,,, ,,,
。 混凝土电阻率测量采用尺寸为的长方体试件用于分析电阻率测试结果变异系 ,::,×,::,×,::,
,,,数试件个每个电极间距各成型个试件变异系数分别由个数据计算得出用于分析种湿度条件下 , , ,: ,
,,混凝土电阻率与湿度关系的试件各结果均为两次试验的平均值用于混凝土表面不同深度电阻率变化 个,
,。 。的自然养护和水中养护试件各结果均为两次试验的平均值所有试件成型后个拆模,,,, ,,～
试件的养护,,,
,,,,用于分析电阻率测试结果变异系数的试件在标准养护条件下养护养护温度为相对湿度 ,:?,? ,,,、,用于分析其湿度分别为温度均 种湿度条件下混凝土电阻率与湿度关系的试件和,,, , ,:, , ,::, ,:
,,,,为自然养护试件成型后内的最低和最高温度分别为和水中养护试件水温 ,:?,? ,,,,, ? ,, ? ,,,
,,。为,:?,?
,,, 电极及其埋入位置
。 ,。 电极为使用前用砂布打磨并用有机溶剂清洗干净铜片电极的上部用绝缘薄膜厚的铜片:,, ,,
武 汉 理 工 大 学 学 报年月 ,:,,,, ,,
,。 ,绝缘确保电极与混凝土的接触面积为采用每个试件按不同 和两个电极间距 ,:,,×,:,,,, ,, ::
,。 深度设置在试件成型时小心埋入混凝土中图对电极表示电极间距为时电极在试件中的设置及 , , ,, :
。 ,。 埋入深度用于分析电阻率测试结果变异系数的试件电极的埋入深度均为拆模及从试模中取出 ,,,:,,,,。试件时应采取措施确保不要触动或损坏电极更不能破坏电极和混凝土的接合
结果与讨论, 混凝土电阻率测试结果的变异系数 ,,,
图给出了电极间距分别为和电阻率测试结果, ,, ,, ::
。 ,,的变异系数电极埋入深度每个电极间 个养护龄期,,,, :,
,。 距每个龄期测试个数据计算电阻率测试结果的变异系数,:
,从图中可以看出和两个电极间距电阻率测试结 , :, ,:, ,
,果的变异系数均较小电极间距电阻率测试结果的变异系 , :,
,数略高于说明较小的电极间距增加 电极间距测试的结果,, :
,。 ,了测量结果的变异性因此影响了试验的重复性然而所有测
,, 试结果的变异系数都小于 变异系数小于 的占多数, , ,,,:
,,这样小的变异系数对于混凝土电阻率测试方法来说已经非常 。 ,,难得因 此这 种 测 试 混 凝 土 电 阻 率 的 方 法具 有 较 好 的 重 复 ,。性说明该方法用于混凝土电阻率的测量是稳定和有效的
,,, 混凝土电阻率与环境湿度的关系
处于不同湿度环境条件下的混凝土其表面湿度应受到环境湿度 。 的影响图给出了处于不同湿度条件下混凝土的电阻率随深度的 ,
。 ,变化从图可以看出表面深的电阻率受外部湿度的影响 , ::,:,
,。 较强再 往 内部环 境 湿度 对混 凝 土的电阻率影响不大由 于 处 在
,因此处在湿度条件下的混凝土其内外部湿度变化很小湿 ,::,,::,
。 , 度条件下混凝土的电阻率未发现随深度有明显变化也进一步说明
。早龄期混凝土内部湿度是决定混凝土电阻率的关键因素
,,, 混凝土表面不同深度的电阻率变化
通过将混凝土试件直接暴露在室外自然环境和水中养护 两,,,
,,,种条件下比较测量的电阻率是否存在变化以及距离表面不同深度混凝土的电阻率是否存在差异可以反
。 ,,,,映该方法的有效性图和图给出了拆模后自然和水中两种养护条件下混凝土电阻率随深度的变 ,,,,
。化试验结果
,,,,,,从图和图中可以看出对于水养的混凝土试件混凝土电阻率的大小与电极的埋入深度 ,,,,,,,
,,,,关系不大这是因为水养的试件拆模后即放入水中混凝土内部保持足够的湿度混凝土内外湿度差 ,,,
,,,,很小因此混凝土电阻率与电极的埋入深度无大的关系水养主 的试件电阻率随龄期的延长而增大,,,
。 ,,,要是由混凝土密实度的提高造成的相反对于自然养护的混凝土试件自 拆模后即放在自然环境中, ,
,,,、然条件下由于混凝土表面的水分迅速蒸发因此处在 和 混凝土 的 电 阻 率 远 大 于 处 在 ,:, ,:, ,:,
。 和混凝土的电阻率两种养护条件下电阻率差异显著的原因几乎可以肯定是由混凝土内外部湿 ,:,,:,
。 ,度不同引起的同时也反映出混凝土试件的不同深度电阻率在自然养护条件下存在较大的差异如果对整
王立霞,一种改进的混凝土电阻率测量方法第第期 卷 ,,,, ,,
,,,,,,, 个试件的电阻进行测量因为电流趋向于一个较小电阻的路径传输因此对整个试件电阻的测量结果主
。要反映的也只是较小部位的电阻
浸水后混凝土电阻率的变化率,,,
。 为了验证电阻率变化主要是由混凝土内部的湿度变化所引起的用于混凝土表面不同深度的电阻率变
,,,化的自然和水中两种养护条件各在龄期时测试浸水前各对电极的电阻率随后将其 个试件,,,, ,:,: ρ
,,,,,浸入温度为的水中到需要进行测试的时间迅速将试件从水中取出测试泡水时刻电极所在位 ,:?,? ,
。 ,,。 ,,置的混凝土电阻率分 析 浸 水 前 后的 变 化从 而 进 一 步 验 证 电 阻 测 试 方 法 的 有 效 性图 和 ,,: ,,ρρρ
,。 , ,,图给出了自然和水中 的 变 化 曲 线从 图 两种养护条件下浸水 试 件可 以 看 出,,,,, ,,: ,, : , ,,ρρ
,,,,随时间的相应曲线可以分成第说明在浸水的初始阶段这个阶段 个部分部分为曲线的平滑部分,: , , ρρρ
,,,,,基本保持定值表明水份还未渗到电极所在的位置第这个阶段逐渐减 部分为曲线的下降部分 :,:,,ρρρ,,,,,小表明水份已经渗到电极所在的位置第这个阶段值较小且再一 部分为曲线的再一次平滑阶段, : ,ρρ
,。 ,,,,,次保持较小的变化表明水头已经超越了电极所在的位置比较图和图可以看出养护较好与没 ,,,,
,,,,有养护的混凝土相比相同电极深度混凝土的值养护较好要比养护差的小特别是对于距离混凝土表 ,: ρρ
、,。面和的电极所在位置混凝土的值 ,:,:, ,:, ,: ,ρρ
,,,,从图无论养护条件如何靠近混凝土表面的电极因为水会很快渗到电极所在的位置 中还可以看出,
,,,,因此值在浸水后即迅速变小距离混凝土表面较远的电极因为水分渗入混凝土内部电极所在 ,: , ,,,ρρ,,,,,,的位置需要的时间较长因此值随时间降低得较慢但随着试件在水中时间的延长水分会逐渐渗到 ,: ρρ,,。 ,,较深电极所在位置的混凝土值逐渐变小从上面分析明显可以说明值的变化仍然是由于混凝 : : ,,ρρρρ,,,土内部湿度的变化造成的这就进一步证明了改进的电阻率测量方法判断混凝土内部湿度的变化情况是
。有效可行的
结语,
,、、、, 改进的电阻率测量方法具有简单快速有效重现性好的特点它可以有效地反映混凝土内部湿度变
武 汉 理 工 大 学 学 报年月 ,:,,,, ,,
,。 , 化情况 并进一步反映混凝土的密实度等性能通过混凝土电阻率的分层测量可以反映侵蚀气体和液体渗
,,,入混凝土的深度和速度对混凝土的耐久性进行判断尤其通过分层电阻率测量方法可以有效地评价混凝
,,,土的养护效果实时监测混凝土的养护状态甚至还原混凝土的养护历史为混凝土的质量事故判定提供依 。据
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,,史美伦 混凝土阻抗谱,,北京,中国铁道出版社,, ,,,,,::,,
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,, ,钱觉时陈 ,,,,,,,,,,,伟汪宏涛等,电阻率用于混凝土养护状态与效率评价方法研究，,功能材料,,,,,,,,,,, ,:,,,,,,, ,,,,,,,～,:, ， ,,::,;，,:,; , :,,～;::,,～::,:，;::,～:～～::,:;;，,,,,,,;:::,:;; ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,!,,,
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,,李美利 混凝土潮湿养护效率的电阻率评价方法研究,,重庆,重庆大学,,,,,, ,:,,,
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范文五：低碳纤维掺量智能混凝土的电阻率研究
理 论 研 究
THEORETICAL RESEARCH
混
凝
土
Concrete
庞文彬,侯作富,陈
强,谢世涛
(长江大学 机械工程学院,湖北 荆州 434023)
Abstract:
The resistivity of smart concrete with low-carbon fiber fraction is studied , including the influence of the hydration time on the resis-
tivity of concrete with different carbon fiber content , the influence of the selected voltage on the resistivity of concrete with different carbon fiber content ,
the choice of the electrode design and its influence on the electrical resistivity.The change in resistivity of smart concrete with low-carbon fiber fraction is obtained and it will play a basic function in the future's practical application. Key w ords:
carbon fiber ; conductive concrete ; two electrodes and four electrodes ; resistivity
Electrical resistivity of smart concrete w ith low carbon fiber fraction
PANG Wen-bin , HOU Zuo-fu , CHEN Qiang , XIE Shi-tao
(School of Mechanical Engineering , Yangtze University , Jingzhou 434023, China )
低碳纤维掺量智能混凝土的电阻率研究
2010年 第 6期(总 第 248期 ) Number 6in 2010(Total No.248)
doi :10.3969/j.issn.1002-3550.2010.06.010
摘 要:研究了低碳纤维掺量智能混凝土的电阻率, 包括随固化龄期的增加不同碳纤维含量混凝土电阻率的变化规律, 测量选取的电压 对电阻率变化的影响以及在电阻的测试中电极的选用对试样电阻率的影响研究 。 通过这些研究, 得到了低碳纤维掺量水泥基复合材料电 阻变化的基本规律, 为其实际应用打下良好基础 。 关键词:碳纤维;导电混凝土;二电极和四电极;电阻率 中图分类号:TU528.01
文献标志码:A
文章编号:1002-3550(2010) 06-0034-03
收稿日期:2010-01-27
基金项目:国家自然科学基金项目 (50878170) ; 湖北省教育厅重点项目 (D20101301) ; 长江大学 2009年大学生创新性实验计划项目基金资助 (091048903)
0引言
碳纤维水泥基复合材料是在普通水泥基材料中加入适量 的导电相材料而制成的一种新型复合材料 。 碳纤维水泥基材料 具有明显的导电性, 而且其电阻率会随着外界条件的变化而变 化 。 这就使碳纤维水泥基复合材料产生了像压敏性 、
温敏性 、 电 磁屏蔽等一系列优良的性能 [1]。 利用压敏性, 可对其自身的应力 状况和损伤程度进行诊断检测 [2],
其具有独特的特性, 成本低 廉, 综合功能强大, 所以具有较广的应用前景 。
本研究致力于研究低碳纤维掺量导电混凝土的电阻率, 分 析了不同碳纤维含量混凝土的电阻率随龄期的变化, 测量选取 的电压对电阻率变化的影响以及在电阻的测试中电极的选用 对试样电阻率的影响研究 。 通过这些研究, 试图得到低碳纤维 掺量水泥基复合材料电阻的基本规律, 为其实际应用打下良好 基础 。
1试样的制作
本次试验制作了碳纤维质量分别占水泥质量 0.2%、 0.4%、 0.6%的三组试件 (以下所涉及的含量均为碳纤维占胶凝材料的 质量百分含量 ) 。 试件尺寸为 70mm ×70mm ×70mm 的立方体, 试样配合比为水 ∶ 水泥 ∶ 砂 ∶ 硅灰 =0.52∶ 1∶ 1∶ 0.15, 水胶比 =水:(水 泥 +硅灰 ) =0.452。 其中硅灰占水泥质量的 20%。
水泥采用湖北华新水泥厂生产的保垒牌 42.5水泥; 主分散 剂采用天津市化学试剂分公司提供的甲基纤维素; 砂子为一般
的标准砂; 减水剂和除泡剂采用武汉浩源化工有限公司的 FDN-1高效减水剂和一般除泡剂 。 减水剂掺量为胶凝材料的 1.2%(质 量之比 ) , 除泡剂掺量为整个混凝土体积的 0.13%, 分散剂掺量 为整个胶凝材料 (含水泥和硅灰 ) 质量的 0.4%。 采用湿拌方法制 作混凝土 [3]。 制作过程如下:首先将分散剂甲基纤维素放入已装 有一定量水的量杯中 (甲基纤维素含量通常为水泥质量的 0.4%) , 充分搅拌使其溶解, 随后将除泡剂 (约为水泥质量的 0.13%) 加 入进行搅拌 。 然后加入已称好的碳纤维并搅拌至碳纤维基本上 分散均匀 。 倒入搅拌器并加入已称好的水泥搅拌 。 2min 后加入 已称好的砂子搅拌 2min ,
然后将搅拌好的混凝土倒入涂了少 许脱膜剂的模具, 埋置尺寸为 65mm ×75mm 的网状钢丝电极 。 最后将模具放在振动台上固定好后开启振动台 3min , 以进行压 实和消除气泡 。 1d 后脱模并在室温 (25℃ 左右, 湿度 70%) 下浇 水养护至 28d 龄期 。
测试电源采用交流稳压电源, 电压和电流的测量采用的是 M-9105A 型数字万用表 。
2结果分析
2.1随固化龄期的增加不同碳纤维含量混凝土电阻
率的变化
图 1反映了不同碳纤维含量的导电混凝土随固化龄期的 增大电阻率的变化规律 。 测量时除碳纤维含量外其他因素均相 同 。 从图中可以看出随碳纤维含量的增加碳纤维混凝土电阻率
34··
图 8
电阻率与电压的关系曲线 (碳纤维含量 0.6%)
图 4两电极和四电极法测电阻率结果 (碳纤维含量 0.4%)
逐渐减小 。 3种碳纤维含量试样的电阻率变化趋势非常相似, 电 阻率在初期随固化龄期的增加而增大, 90d 以后电阻率变化只 呈现一定的上下波动, 可认为电阻率趋于稳定 。 产生波动的原 因主要是环境湿度和温度的影响 。 同时也可以发现, 随着碳纤 维含量的增加, 电阻率随固化龄期的变化越小 。
2.2测试中电极的选用对试样电阻率的影响研究
电阻测量结果的精确度和真实性不仅受电阻测试方法的 影响, 还与电极的制作形式密切相关 [4-5]。
由图 2可见, 所谓的网状埋入式电极的两电极形式是在两 平行面边缘埋入两电极, 对应于这种电极布置方式的电阻测试 方法称为两电极法 。 而四电极形式是在混凝土内部埋入 4个电 极,同样对应于这种电极布置方式的电阻测试方法称为四电极 法 。 它们的差别在于:两电极法的两个电极既充当电流极又充 当电压极, 即电压极和电流极重合, 而四电极法的外侧两个电 极充当电流极, 内侧的两个电极充当电压极, 即电流极和电压极 没有重合 。 为了比较两电极与四电极两种设置形式对电阻测试 结果的影响, 依照图 2的电极布置形式对试样进行测量 。 图 3~5是分别应用两电极法和四电极法测得的试件的电阻率值 。
根据图 3~5中的数据可得出:两电极法测得的电阻率的结 果比四电极偏大, 四极法测得的电阻率比两电极测得的电阻率 变化更稳定, 波动幅度更小 。 两电极法的电阻值不符合串联关 系, 四电极法测试结果符合电阻串联关系, 这是由于四电极法 可以消除在两极法测试中所存在的电极的欧姆接触电阻 。 此结 论与文献 [5]中结论吻合,
所以导电混凝土试件的电极布置方式 及相应的电阻率测试方法采用四电极形式更为合理 。
2.3测量电压的选取对电阻率变化的研究
采用交流变压电源, 利用四电极法对碳纤维含量为 0.2%、 0.4%、 0.6%的试件电阻率进行测量, 电压变化范围 7.2~36V 。 由 图 6~8可以看出,
3种试件的电阻率均随电压的增加而降低, 变 化幅度分别为:
5.29%、 11.41%、 12.13%。 测试电阻率随着电压的 升高下降的原因可以这样解释:在制作的过程中虽然己有部分 碳纤维搭接在一起, 当然也有部分的碳纤维没有搭接在一起 。 随 着电压的升高, 这些没有搭接在一起的碳纤维的部分电子具备 了足够的能量跃过碳纤维之间的势垒, 从一根纤维过渡到另一
图 1固化龄期增加对电阻率的影响曲线
图 2两电极与四电极的布置
图 3
两电极和四电极法测电阻结果曲线 (碳纤维含量 0.2%)
图 4
两电极和四电极法测电阻率结果 (碳纤维含量 0.6%)
图 6
电阻率与电压的关系曲线 (碳纤维含量 0.2%)
图 7
电阻率与电压的关系曲线 (碳纤维含量 0.4%)
35··
根纤维上, 所以碳纤维混凝土的导电性逐渐增强, 电阻率降低 [6]。 随着碳纤维含量的增高, 碳纤维之间的间距越小, 此时有越来 越多的碳纤维之间的势垒被越过,所以随着测试电压的增高, 电阻率下降得越多 。
3结束语
通过分析低碳纤维掺量导电混凝土电阻率时的几个问题得 到:导电混凝土在固化龄期 90d 后电阻趋于稳定, 碳纤维含量的 增加会降低导电混凝土的电阻率, 随着碳纤维含量的增加, 电阻 随固化龄期的变化越小 。 对电极埋设方式的研究发现, 二电极对 电阻率测试的结果存在较大的影响, 四电极测得的电阻率趋于 稳定准确 。 测量电压越高, 电阻率越低 。 随着碳纤维含量的增高, 碳纤维之间的间距越小, 此时有越来越多的碳纤维之间的势垒 被越过, 所以随着测试电压的增高, 电阻率下降得越多 。 以上结 论为低掺量碳纤维混凝的电阻率研究提供试验基础 。 参考文献:
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作者简介:庞文彬 (1987-) , 男 。
单位地址:湖北省荆州市南环路 1号 长江大学机械工程学院 (434023) 联系电话:15826634134
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作者简介:许晨 (1984-) , 男, 研究生 。
单位地址:浙江大学建筑工程学院 (310027)
联系电话:13429602541
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作者简介:胡海霞 (1986-) , 女 。
单位地址:南京市西康路 1号 河海大学水文水资源与水利工程科学 国家重点实验室 (210098)
联系电话:15950569749
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