混凝土電阻率的研究進展

1、2011年第6期(總第260期)Number6in20l1(Tota1No260)混凝土Concrete理論研究THEETICALRESEARCHdoi：1039690issn1002—3550201106011混凝土電阻率的研究進展李化建。謝永江’，易忠來，譚鹽賓’，馮仲偉，方博’，楊魯(1中國鐵道科學研究院，北京100081；2重慶大學材料科學與]程學院，重慶400045)摘要：把混凝土作為一種復雜的電化學體系研究其電阻率是近年來混

2、凝土結(jié)構(gòu)性能測試的新方法?？偨Y(jié)了混凝土的電學理論，比較了混凝土電阻率檢測技術(shù)的特點，從原材料、配合比參數(shù)以及環(huán)境條件3個層次，闡述了影響混凝土電阻率的關(guān)鍵因素，提出了電阻率在混凝土性能表JE中的應用，指出了混凝土電阻率研究存在問題及發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：混凝土；電阻率；電學理論；測試技術(shù)中圖分類號：TU52801文獻標志碼：A文章編號：1002—3550(2011)06—0035—06Advanceinresearchonelectrica

3、lresistivityofconcreteLIHuajianXIEYongjiang，YIZhong—lai，TANYanbin，F(xiàn)ENGZhong—wei，F(xiàn)ANGBo，YANGLu(1ChinaAcademyofRailwaySciences，Beijing100081，China；2DepartmantofMaterialsScienceandEngineering，ChongQingUniversity，Chongqing40

4、0045，China)Abstract：TakingconcreteasacomplexelectriochemestrysystemhasdevelopedanewmethodtOdetectperformanceofconcretestructurelate—lyElectricitytheoryhasbeensummedupDiferentmeasuringandtestingtechniquesofconcreteelectri

5、calresistivityarecomparedFromrawma—terial，mixporportionparameterandenvironmentalconditionthreeaspects，keyfactorswhichafecttheconcreteelectricalresistivityareintroducedApplicationofelectricalresistivitytOcharacterizeconcr

6、eteperformanceisputforwardAreviewoftheexistingproblemsandprogressoftheresearchonconcreteelectricalresistivityisgivenbelowKeywords：concrete；electricalresistivity；electricitytheory；testingtechnique0引言混凝土電阻率作為一個電學參數(shù)，反應單位長度混

7、凝土阻礙電流通過的能力，可用于表征混凝土的結(jié)構(gòu)與性能。混凝土中存在大量的連通或不連通的毛細孑L，在這些毛細孔中含有大量毛細孔溶液，這些孔溶液為以飽和Ca(OH)：為主并有其他多種離子的電解質(zhì)溶液。在電壓作用下，電解質(zhì)溶液中的離子發(fā)生電解遷移，從而使混凝土具有不同的電學特性，表征為電阻率、電導葺墨、阻容或阻抗以及節(jié)電常數(shù)等的不同。鑒于混凝土電學特性與其結(jié)構(gòu)性能之間關(guān)系，混凝土電學性能將成為一種快速檢測、在線監(jiān)測和有效評價混凝土微結(jié)構(gòu)形成與

8、發(fā)展的新技術(shù)[1_z1。本研究在闡明混凝土電學理論的基礎(chǔ)上，比較混凝土電阻牢測試技術(shù)的特點，結(jié)合混凝土電阻率研究現(xiàn)狀，提出了混凝土電阻率研究的問題和趨勢：1混凝土電學理論為揭示混凝土導電機理以及電流在混凝土介質(zhì)中的傳輸特性，研究者提出了關(guān)于混凝土電學理論的假說或理論主要包括電阻理論、復合介質(zhì)電阻理論和構(gòu)成子理論。11電阻理論混凝土電阻理論是基于離子在混凝土結(jié)構(gòu)中傳輸為基礎(chǔ)的。在混凝土中，存在_二種導電方式：離子導電，通過孑L溶液中Ca，

9、Na，K’，OH一和s0；一等離子運動形成；電子導電，通過自由電子的遷移形成；空穴導電，通過空穴的遷移形成。因此，混凝土的電導P如式(1)所示：p=plTp2盧3(1)式中：p——混凝土電導率；P——離子電導率；p——電子電導率；p——空穴電導率。離子電導率、電子電導率和空穴電導率之問的比例隨著混凝土組成材料及其配合比的變化而變化。12復合介質(zhì)電阻理論復合介質(zhì)電阻理論出現(xiàn)于19世紀，該理論不考慮復合介質(zhì)的物理性能，將電阻率作為復合介質(zhì)中

10、各種成分的函數(shù)。把混凝土作為復合介質(zhì)處理時，骨料被視為夾雜物，膠凝材料被視為基體。麥克斯韋關(guān)于電阻率可以用式(2)來表達【1：一一1pm一1_p一：’，(2)2Pm2PPa式中：P——膠凝材料電阻；p——復合介質(zhì)電阻；——骨料電阻；收稿日期：200—12—2O基金項目：同家自然科學基金項目(50908229)；鐵道部科技開發(fā)計劃項目(2008G031一N、2010G024)35學兔兔www.xuetutu.com竺I圖4內(nèi)埋桿四點電極法

11、示意圖相對大得多。因此，所測混凝土電阻率值受骨料尺寸影響較小，測量更加準確。電流從外側(cè)兩個探頭流入，內(nèi)側(cè)兩個探頭則用來測量電位差，這樣可以消除表面接觸電阻對測量結(jié)果的影響。McCartertg1等人對比研究了二電極法與四電極法在混凝土電阻率測量中的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)使用二電極法的測量結(jié)果均高于四電極法，并將其原因歸結(jié)為四電極法可減小表面接觸造成的誤差電阻(spuriousresistance)。24無電極電阻率測定法無電極電阻測定技術(shù)采用變壓器

12、原理來測定混凝土或其他水泥基材料的電阻率。測試系統(tǒng)主要由變壓器主極、水泥基材料(混凝土)環(huán)形試件組成的次極以及非接觸電流計組成，如圖5所示【j0】。該測試方法是采用電磁響應及變壓器的原理，將待測試的水泥基材料澆筑在環(huán)形試模中并將其作為變壓器的次級線圈。當在變壓器的初級施加交流電壓時，混凝土環(huán)內(nèi)就會產(chǎn)生一個感應電流，測出該環(huán)電流，再利用一個精確的解析器就可以計算出材料的電阻率。利用連續(xù)監(jiān)測的電阻率曲線的特征點、變化趨勢及規(guī)律的分析，來表征

13、混凝土的性能。該方法消除了傳統(tǒng)電阻率測試中電極與水泥基材料接觸所產(chǎn)生的極化、收縮分離和對電極的腐蝕等問題，提高了電阻率測試的精度。轉(zhuǎn)換鐵芯初電流表感應電動勢測試值圖5無電極非接觸式電阻率測試原理圖25交流阻抗譜法交流阻抗譜(ACImpedanceSpec~oscopy，縮寫承ACIS)應用于研究多孑L性水泥混凝土材料取得了突破性進展。其原理是將水泥石固相近似于絕緣體，而液相是強電解質(zhì)溶液，起到導電作用的離子主要為ca，Na，l(，OH和

14、S0；一等離子。混凝土作為一種動態(tài)材料，隨著其內(nèi)部水化過程的進行，其結(jié)構(gòu)和性能一直是隨時間變化的函數(shù)，通過檢測水泥基材料在水化過程中的交流阻抗相應獲取其特征阻抗譜。90年代初期，在加拿大工作的xuZhongzi、GuPing等開始了交流阻抗譜在水泥基材料方面研究的應用。McCarter首先發(fā)現(xiàn)了硬化水泥漿體中存在交流阻抗半圓，但其大小等特征與結(jié)構(gòu)的關(guān)系尚未清楚。隨后的研究表明，ACIS特征與W／C和水化時間有關(guān)。GuPing等在此基礎(chǔ)上

15、提出了描述水泥水化系統(tǒng)的ACIS行為的界面模型和等效阻抗回路。XuZhongzi等從電化學基本原理出發(fā)，建立了多孑L材料的ACIS各參數(shù)與結(jié)構(gòu)的定量關(guān)系，并用強電介質(zhì)溶液、各種多孔材料證實了各個理論方程的正確性[1】。史美倫從荷蘭Sluyters實驗室回國開始交流阻抗譜在混凝土結(jié)構(gòu)和性能方面的研究_T作】。3混凝土電阻率影響因素混凝土的導電是通過混凝土孑L隙溶液中離子的遷移實現(xiàn)的。因此混凝土電阻率與混凝土原材料、配合比參數(shù)以及混凝土結(jié)構(gòu)

16、服役環(huán)境條件(溫度和濕度)密切相關(guān)。31原材料(1)水泥類型。由于不同水泥類型化學成分不同，各礦物成分含量也不同，水化后混凝土的孑L隙和孔溶液成分必然不同，因此，水泥類型將影響混凝土的電阻率。Hammond和Robson研究了水膠比為049的普通硅酸鹽水泥、快硬硅酸鹽水泥和高鋁水泥的電阻率，研究表明：高鋁水泥的電阻率要比普通硅酸鹽水泥和快硬水泥的電阻率大十倍至幾十倍。養(yǎng)護24h以后，其電阻是普通波特蘭水泥混凝土的lo0倍，并趨于穩(wěn)定。到

17、150d時，其電阻率是普通波特蘭水泥混凝土的1O倍，并趨于穩(wěn)定，如圖6所示。煙臺大學的劉志勇、詹鎮(zhèn)峰[1引對相同水灰比、齡期為3個月的普通硅酸鹽水泥混凝土和硫鋁酸鹽水泥混凝土的電阻率進行了對比。試驗發(fā)現(xiàn)，硫鋁酸鹽水泥混凝土的電阻率要比普通硅酸鹽水泥混凝土的電阻率大得多。高鋁水泥顯著提高混凝土電阻率的原因是由于高鋁水泥水中水化消耗游離的鈣離子產(chǎn)生鋁酸鈣，孑L隙溶液中游離離子較少以及內(nèi)部孑L隙率小所致。1OO00500020000200莨0

18、1O0llL0050窶0020掣O010000500020OO1f!=然環(huán)境養(yǎng)護齡期／d圖6水泥類型對混凝土電阻率的影響(2)骨料。骨料的電阻率遠高于膠凝材料的電阻率，混凝土電阻率在很大程度上取決于水泥石的電阻率。骨料的電阻率主要與骨料母巖特征及其吸水率相關(guān)，通常而言，吸水率越大的骨料，其電阻率越大，不同巖石的吸水率與電阻率如表1所示_1。當采用高電阻率骨料配制的混凝土，其電阻率越大，f昆凝土中骨料的比例越大，混凝土的電阻率也越大。Hu