混凝土電阻率與氯離子擴散系數間的相關性試驗

趙 卓，曾 力，王東煒

(鄭州大學 土木工程學院，河南 鄭州450001)

0 引言

混凝土的電阻率和氯離子擴散系數是混凝土耐久性能的兩個重要指標.目前，針對電阻率和氯離子擴散系數的研究較多集中于原材料組成對指標的影響［1-4］、試驗測試技術［5-6］、耐久性評價［7-8］、養(yǎng)護效果評價或養(yǎng)護的影響［9-10］等方面，而針對兩個指標間相關關系的研究則相對較少［11］，且其研究未考慮礦物摻和料的影響.

開展礦物摻合料混凝土的電阻率測定、抗氯離子滲透和立方體抗壓強度試驗，以分析研究不同強度等級和不同齡期條件下，電阻率和氯離子擴散系數隨齡期的變化規(guī)律，分析建立礦物摻和料混凝土的電阻率和氯離子擴散系數間的相關定量關系.

1 試驗方案

1.1 試驗原材料

水泥:天瑞集團鄭州水泥股份有限公司生產的P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥，比表面積367 m2/kg;細骨料:焦作產天然中砂，細度模數2.9，表觀密度2 691 kg/m3;人工機制砂:細度模數2.8，表觀密度2 680 kg/m3，石粉含量12%;粗骨料:新密產粒徑5～25 mm連續(xù)級配碎石和米石，表觀密度2 708 kg/m3;粉煤灰:洛陽首龍粉煤灰廠生產的F類Ⅱ級粉煤灰，細度18%;礦渣粉:焦作市丹陽水泥有限公司生產的S 95級磨細礦渣粉，比表面積409 m2/kg;外加劑:河南新星建材有限公司生產的脂肪族系高效減水劑，減水率18%;水:自來水.

1.2 混凝土配合比

依據《普通混凝土配合比設計規(guī)程》［12］，各強度等級混凝土的配合比材料如表1所示.

1.3 試驗內容

每強度等級所需試件組數及試驗檢測內容如表2所示.

表1 混凝土配合比Tab.1 Mix proportion of concrete kg·m-3

(1)混凝土電阻率的測試采用基于Wenner法［13］的4電極電阻率測定儀，其工作原理如圖1所示.

圖1 混凝土電阻率檢測Fig.1 Measurement of concrete resistivity

混凝土電阻率ρ可通過式(1)得出.

式中:V為探頭間電位差;I為探頭間通過的可變電流;a為探頭間距.

(2)混凝土立方體抗壓強度試驗按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》［14］測試.

(3)混凝土抗氯離子滲透試驗按照《公路工程混凝土結構防腐技術規(guī)范》［15］采用 RCM法測試.

2 分析與討論

2.1 試驗結果

不同強度等級和齡期混凝土的電阻率、立方體抗壓強度、氯離子擴散系數試驗結果如表3所示.

表2 混凝土試驗項目及檢測內容Tab.2 Test content of concrete

表3 混凝土試驗結果Tab.3 Test resoults of concrete

2.2 電阻率隨齡期的變化

電阻率隨齡期的變化曲線，如圖2所示.由圖2可知，不同強度等級混凝土的電阻率均隨齡期的增長而增加.由于混凝土可以看作是固相和液相兩相組成的復合材料，液相是由不同離子組成的導電相，而固相則可以看成是非導電相.隨著水化反應的進行，混凝土內部不斷致密，孔隙率越來越小，充滿液相的導電空間越來越少，所以導電能力隨時間而下降，即電阻率曲線隨齡期而上升.

分析可知，在整個齡期變化過程中，C40混凝土的電阻率基本均大于C50混凝土的電阻率.這是由于C50混凝土為單摻，僅摻加礦渣粉而未摻加粉煤灰，C40混凝土則采用粉煤灰和礦渣粉雙摻.混凝土電阻率的測定結果表明礦物摻和料的雙摻在提高混凝土電阻率方面的效果優(yōu)于單摻，且在后期體現的更加明顯，這與粉煤灰的火山灰效應有關.隨齡期的增長，粉煤灰與Ca(OH)2二次反應的持續(xù)進行，反應產物填充孔隙或堵塞貫通的毛細孔通道，使水泥粉煤灰漿體的孔徑細化、孔隙曲折度增加、連通的孔隙減少，改善了混凝土的孔結構和漿體-集料界面區(qū)的微觀結構.

圖2 電阻率的時變曲線Fig.2 Tim e-varying curve of concrete resistivity

2.3 氯離子擴散系數隨齡期的變化

氯離子擴散系數隨齡期的變化曲線如圖3所示.

圖3 氯離子擴散系數時變曲線Fig.3 Time-varying curve of chloride diffusion coefficient

由圖3可知，不同強度等級混凝土的氯離子擴散系數均隨齡期的增長而下降.84 d齡期時，C50混凝土的氯離子擴散系數大于C40混凝土的氯離子擴散系數，說明礦物摻和料的雙摻效果在提高混凝土的抗?jié)B性能方面優(yōu)于單摻，且在后期發(fā)展中體現的更加明顯.礦物摻和料的復摻，提高了混凝土的抗?jié)B性能，也即提高了混凝土阻礙氯離子滲透擴散的能力.另外，粉煤灰的物理吸附和二次水化產物的物理化學吸附固化，也有助于降低氯離子在混凝土中的滲透深度.

2.4 電阻率與氯離子擴散系數間的相關關系

對于多孔類材料如混凝土，可采用能斯特-愛因斯坦方程來反映氯離子擴散系數與材料電阻率之間的關系［16］如式(2)所示.

式中:Di為離子i的擴散系數;R為氣體常數;T為絕對溫度;Z為離子化合價;F為法拉第常數;ti為離子i的遷移數;γi為離子i的活度系數;ci為離子i的在孔隙水中的濃度;ρ為材料電阻率.

對于在一定溫度和濕度條件下的特定混凝土，式(2)可簡化為［17］

式中:D為氯離子擴散系數;k為常量;ρ為混凝土電阻率.

綜合考慮不同強度等級混凝土28 d、56 d和84 d的電阻率與氯離子擴散系數，可得混凝土電阻率與氯離子擴散系數間的回歸關系如圖4所示.混凝土電導率(即電阻率的倒數)與氯離子擴散系數間的相關關系如圖5所示.

由圖4和圖5可知，氯離子擴散系數隨電阻率的增大而下降，并呈良好的倒數回歸關系.氯離子擴散系數隨電導率的增加而增加，并呈良好的線性相關關系.

與氯離子擴散系數的測試相比，混凝土電阻率的測試是無損試驗，所以在施工過程中，可采用預先確定的基于實際混凝土類型的電阻率與氯離子擴散系數間的相關關系標定曲線，通過定期測試混凝土的電阻率，來間接反映混凝土的氯離子擴散系數，并進一步確定混凝土的抗?jié)B性能.

3 結論

(1)混凝土電阻率隨齡期的增長而增加，氯離子擴散系數隨齡期的增長而下降.在提高混凝土電化學性能和抗?jié)B性能方面，礦物摻合料的雙摻效果優(yōu)于單摻.

(2)氯離子擴散系數隨電阻率的增大而下降，并呈良好的倒數回歸關系，符合能斯特-愛因斯坦方程.氯離子擴散系數隨電導率的增加而增加，并呈良好的線性相關關系.

(3)在實際工程中，可依據兩者間的回歸關系直接測定混凝土電阻率來反映氯離子擴散系數，為現場評定混凝土的耐久性提供了參考依據.

［1］ 王雪芳，鄭建嵐，羅素蓉.礦物摻合料對混凝土電阻率的影響［J］.福州大學學報:自然科學版，2008，36(3):408-412.

［2］ 李化建，謝永江，易忠來，等.混凝土電阻率的研究進展［J］.混凝土，2011(6):35-40.

［3］ RAIF B A，BEKIR T L.Influence of fly ash on corrosion resistance and chloride ion permeability of concrete［J］.Construction and Building Materials，2012，31:258-264.

［4］ 謝友均，馬昆林，龍廣成，等.礦物摻合料對混凝土中氯離子滲透性的影響［J］.硅酸鹽學報，2006，34(11):1345-1350.

［5］ 趙卓，蔣曉東.受腐蝕混凝土結構耐久性檢測診斷［M］.鄭州:黃河水利出版社，2006.

［6］ 董素芬，黃智德.混凝土抗氯離子滲透性快速測試方法的現狀及展望［J］.混凝土，2010(6):131-133.

［7］ 董曉強，白曉紅，吳植安，等.電阻率技術在混凝土鋼筋銹蝕測試中的應用研究［J］.混凝土，2007(9):9-12.

［8］ 趙卓，張敏，曾力.受氯離子侵蝕鋼筋混凝土結構的耐久性檢測診斷［J］.鄭州大學學報:工學版，2006，27(3):30-33.

［9］ 李美利，徐姍姍，錢覺時，等.電阻率法用于高性能混凝土養(yǎng)護程度的評價［J］.鄭州大學學報:工學版，2009，30(1):106-110.

［10］ SEMION Z，KONSTANTIN K.Effect of internal curing on durability-related properties of high performance concrete ［J］.Cement and Concrete Research，2012，42(1):20-26.

［11］魏小勝，夏玉英，王延偉.用電阻率法評定混凝土的氯離子滲透［J］.華中科技大學學報:城市科學版，2008，25(2):19-22.

［12］中國建筑科學研究院.JGJ55—2011，普通混凝土配合比設計規(guī)程［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011.

［13］趙卓，趙軍.工程結構耐久性［M］.北京:中國電力出版社，2012.

［14］中國建筑科學研究院.GB/T 50081—2002，普通混凝土力學性能試驗方法標準［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.

［15］長沙理工大學，清華大學.JTG/T B07-01—2006，公路工程混凝土結構防腐蝕技術規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2006.

［16］ PETER W A，JULIO D P.Physical Chemistry［M］.Oxford:Oxford University Press，2006.

［17］GJ?RV O E.嚴酷環(huán)境下混凝土結構的耐久性設計［M］.趙鐵軍，譯.北京:中國建材工業(yè)出版社，2010.