非接觸式阻抗法測(cè)定混凝土連通孔隙率裝置

劉承斌，付傳清，金賢玉

非接觸式阻抗法測(cè)定混凝土連通孔隙率裝置

劉承斌1，付傳清2，金賢玉1

（1. 浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058；2. 浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014）

準(zhǔn)確測(cè)定混凝土的連通孔隙率是預(yù)測(cè)混凝土抵抗侵蝕介質(zhì)傳輸能力的關(guān)鍵。采用非接觸式阻抗法測(cè)定混凝土連通孔隙率，該方法通過(guò)測(cè)定混凝土試件的電阻率得到連通孔隙率。該裝置由離子遷移系統(tǒng)、電阻率測(cè)定系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，突破了傳統(tǒng)測(cè)試方法對(duì)試樣大小的限制，既適用于室內(nèi)新拌制的混凝土，也可用于既有建筑結(jié)構(gòu)鉆芯取樣混凝土連通孔隙率測(cè)試。

混凝土；連通孔隙率；實(shí)驗(yàn)裝置；非接觸式阻抗法；電阻率

我國(guó)是一個(gè)發(fā)展中的大國(guó)，各種資源和能源并不豐富，因此更需要從戰(zhàn)略高度，合理地利用有限的資源，科學(xué)地設(shè)計(jì)出安全、適用又耐久的工程項(xiàng)目，更要盡可能延續(xù)現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的使用壽命[1]。

處于海洋環(huán)境、冰鹽環(huán)境以及工業(yè)環(huán)境中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由于氯鹽、水分和氧氣通過(guò)混凝土的毛細(xì)孔到達(dá)鋼筋表面引起鋼筋腐蝕，會(huì)大大降低混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命[2-5]。鋼筋銹蝕導(dǎo)致的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題，已成為國(guó)際研究熱點(diǎn)問(wèn)題?；炷林械目紫斗譃殚_(kāi)口孔、半開(kāi)口孔和封閉孔。侵蝕介質(zhì)向混凝土中的傳輸速度除受環(huán)境溫濕度影響外，主要取決于混凝土的開(kāi)口連通孔隙率。準(zhǔn)確測(cè)定混凝土的連通孔隙率是預(yù)測(cè)混凝土抵抗侵蝕介質(zhì)傳輸能力的關(guān)鍵[6]。

1 混凝土連通孔隙率的測(cè)定

混凝土孔隙率的測(cè)定通常采用壓汞法（MIP）。Huang等[7]通過(guò)壓汞法分析了混凝土中的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)，并基于孔隙參數(shù)建立預(yù)測(cè)混凝土中水分傳輸?shù)臄?shù)值模型。壓汞法的測(cè)定結(jié)果容易受汞壓力的影響，測(cè)得孔隙率通常包括連通孔和部分半連通孔隙，而真正為介質(zhì)傳輸提供通道的是連通孔隙。由于受測(cè)試技術(shù)和壓汞原理的限制，測(cè)試混凝土的孔隙率，如今的做法是將混凝土破碎，然后取混凝土內(nèi)的砂漿進(jìn)行壓汞測(cè)試，而且試樣尺寸通常只有黃豆般大小（直徑約5 mm）?？梢?jiàn)，實(shí)際上是測(cè)試砂漿的孔隙率，沒(méi)有包含粗骨料。實(shí)際應(yīng)用中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，必然都是包含粗骨料。要真實(shí)測(cè)定混凝土的連通孔隙率，需要包含粗骨料，而要保證混凝土中粗骨料的均勻性，通常試件邊長(zhǎng)要大于2.5倍骨料粒徑，假如粗骨料最大粒徑為25 mm，試件截面邊長(zhǎng)應(yīng)該在65 mm左右，采用傳統(tǒng)測(cè)試方法很難做到。

事實(shí)上，混凝土是包含粗骨料、細(xì)骨料和水泥石基體的三相復(fù)合材料，而毛細(xì)孔（還有更小的凝膠孔）則主要存在于水泥石基體中[8]。有研究表明，骨料和水泥石的界面過(guò)渡區(qū)也是孔隙含量較高的區(qū)域[9]。如果采用砂漿反映混凝土的孔隙特征，粗骨料的影響不能很好測(cè)定，且粗骨料與水泥石基體間的界面過(guò)渡區(qū)會(huì)被忽略。要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的抗介質(zhì)侵蝕能力，需要準(zhǔn)確定量混凝土的連通孔隙率?；诜墙佑|式阻抗法，中國(guó)專(zhuān)利授權(quán)公告號(hào)CN102539928A，名稱(chēng)為“應(yīng)用于分析水泥基材料孔結(jié)構(gòu)的非接觸式阻抗測(cè)量?jī)x”，提供了一種應(yīng)用于分析水泥基材料孔結(jié)構(gòu)的非接觸式阻抗測(cè)量?jī)x，用于測(cè)量樣品經(jīng)歷物理或化學(xué)過(guò)程狀態(tài)變化過(guò)程中的阻抗和復(fù)電阻率[10]。中國(guó)專(zhuān)利授權(quán)公告號(hào)CN12226824B，名稱(chēng)為“高溫環(huán)境混凝土形成過(guò)程中電阻率變化的測(cè)量裝置與方法”，公開(kāi)了一種高溫環(huán)境混凝土形成過(guò)程中電阻率變化的測(cè)量裝置與方法[11]。該兩項(xiàng)專(zhuān)利采用無(wú)極非接觸法分析水泥基材料或混凝土早齡期（通常7 d齡期內(nèi)）的孔結(jié)構(gòu)發(fā)展規(guī)律，但不能對(duì)成熟后（通常28 d齡期后）混凝土進(jìn)行孔結(jié)構(gòu)定量分析。

因此，研發(fā)一種操作簡(jiǎn)便、能夠準(zhǔn)確測(cè)定混凝土連通孔隙率的裝置具有十分重要的工程價(jià)值，可對(duì)實(shí)驗(yàn)室配制混凝土樣品或既有混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)取得的混凝土進(jìn)行連通孔隙率測(cè)定，從而進(jìn)行耐久性能預(yù)測(cè)，對(duì)科學(xué)研究和工程應(yīng)用都具有很重要的意義。

2 實(shí)驗(yàn)方法與原理

由于多孔材料的電參數(shù)取決于多孔材料的微結(jié)構(gòu)、孔隙內(nèi)溶液的移動(dòng)性、濃度等參數(shù)[12-13]。當(dāng)孔隙內(nèi)溶液濃度保持不變時(shí)，其電阻率將唯一取決于孔結(jié)構(gòu)，并且對(duì)于孔結(jié)構(gòu)的變化十分敏感[14]。因此在水泥基材料孔隙內(nèi)溶液不變的前提下，可以用其電阻率來(lái)研究其微結(jié)構(gòu)，以解決目前尚無(wú)有效方法測(cè)定混凝土材料連通孔隙率的問(wèn)題[15]。

本文采用非接觸式阻抗法測(cè)定混凝土連通孔隙率。

2.1 混凝土待測(cè)試件的準(zhǔn)備

澆制成型待測(cè)混凝土試件或現(xiàn)場(chǎng)取芯制成待測(cè)混凝土試件，并將待測(cè)混凝土試件在標(biāo)準(zhǔn)濃度鹽溶液中浸泡或真空飽鹽至孔隙飽和，所述標(biāo)準(zhǔn)氯化鈉溶液的濃度為0.1~2 mol/L。

2.2 測(cè)定前的準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)前保證標(biāo)準(zhǔn)濃度鹽溶液與2.1節(jié)獲得的飽鹽待測(cè)混凝土試件溫度相同，將兩法蘭壓盤(pán)密封對(duì)接，在加液管中灌注標(biāo)準(zhǔn)鹽溶液以標(biāo)定儀器，并確定標(biāo)準(zhǔn)濃度鹽溶液的電阻率；標(biāo)定結(jié)束后，排掉標(biāo)準(zhǔn)鹽溶液，將飽鹽待測(cè)混凝土試件與橡膠密封圈接觸處涂少許凡士林以增加密封性，然后將連接有法蘭壓盤(pán)的加液管與飽鹽待測(cè)混凝土試件密封緊固成為一個(gè)密封整體，重新向加液管中灌注標(biāo)準(zhǔn)鹽溶液。試驗(yàn)中選用NaCl溶液；所述NaCl溶液的濃度為0.1~2 mol/L。

2.3 電阻率測(cè)定

設(shè)置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣頻率，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)從電阻率測(cè)定系統(tǒng)中自動(dòng)采集感應(yīng)電流和電壓，計(jì)算程序根據(jù)式（1）計(jì)算電阻率，并實(shí)時(shí)顯示電阻率變化率曲線(xiàn)，待電阻率變化率隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)接近水平直線(xiàn)時(shí)，此時(shí)的電阻率值即為混凝土試塊在標(biāo)準(zhǔn)鹽溶液飽和情況下的電阻率。

2.4 孔隙率測(cè)定

根據(jù)Archie方程可得電阻率與孔隙率的關(guān)系，將其應(yīng)用到混凝土連通孔隙計(jì)算，則可通過(guò)測(cè)定混凝土的電阻率值，再由式（2）計(jì)算混凝土的連通孔隙率：

3 測(cè)試系統(tǒng)組成

3.1 系統(tǒng)組成

該非接觸式測(cè)試裝置包括離子遷移單元、電阻測(cè)量單元和數(shù)據(jù)處理單元，見(jiàn)圖1。

離子遷移單元包括2個(gè)帶通孔的法蘭壓盤(pán)、加液管、補(bǔ)液水槽和對(duì)拉螺桿。加液管的每個(gè)端口對(duì)應(yīng)一個(gè)法蘭壓盤(pán)，分別從相應(yīng)的法蘭壓盤(pán)外端面插入其通孔內(nèi)，2個(gè)法蘭壓盤(pán)內(nèi)端面相對(duì)并通過(guò)對(duì)拉螺桿形成用于夾持待測(cè)試件的測(cè)試腔，法蘭壓盤(pán)與待測(cè)試件之間由橡膠墊圈密封，補(bǔ)液水槽與所述的加液管管路連通。

1-法蘭壓盤(pán)；2-通氣孔；3-螺栓孔；4-橡膠墊圈；5-對(duì)拉螺桿；6-緊固螺帽；7-加液管；8-進(jìn)液閥門(mén)；9-排液閥門(mén)；10-補(bǔ)液水槽；11-待測(cè)試件；12-磁芯；13-控制線(xiàn)圈；14-信號(hào)發(fā)生器；15-電流傳感器；16-信號(hào)采集器；17-信號(hào)處理器；18-中央處理器。

電阻測(cè)量單元包括信號(hào)發(fā)生器、線(xiàn)圈、磁芯和電流傳感器。加液管依次穿過(guò)磁芯和電流傳感器后與相應(yīng)的法蘭壓盤(pán)固接，線(xiàn)圈纏繞在磁芯上，并且線(xiàn)圈兩端與信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)輸入端電連接。

數(shù)據(jù)處理單元包括信號(hào)采集器、信號(hào)處理器和中央控制器。

加液管為環(huán)形結(jié)構(gòu)，采用非導(dǎo)電類(lèi)的酚醛塑料、聚氨酯塑料、環(huán)氧塑料、不飽和聚酯塑料、有機(jī)硅樹(shù)脂或丙烯基樹(shù)脂類(lèi)材料制成。加液管上設(shè)有進(jìn)液閥門(mén)和排液閥門(mén)，其中進(jìn)液閥門(mén)設(shè)置在與補(bǔ)液水槽相連的管路連接處，排液閥門(mén)設(shè)置在加液管的底部。補(bǔ)液水槽通過(guò)軟管與加液管連通。法蘭壓盤(pán)上部設(shè)有通氣孔，其中所述的通氣孔一端與通孔連通，另一端與法蘭壓盤(pán)外部連通。

法蘭壓盤(pán)的通孔為臺(tái)階孔，其內(nèi)端面的通孔直徑大于外端面的通孔直徑，并且通氣孔其中一端與靠近法蘭壓盤(pán)的內(nèi)端面的通孔連通。對(duì)拉螺栓兩端穿過(guò)法蘭壓盤(pán)上的螺栓連接孔后連接2個(gè)緊固螺帽，其中緊固螺帽采用翼型不銹鋼螺帽。

3.2 工作原理

電流傳感器檢測(cè)離子遷移系統(tǒng)的感應(yīng)電流并送至信號(hào)處理器，離子遷移系統(tǒng)中的電壓由信號(hào)發(fā)生器控制；信號(hào)處理器按設(shè)置頻率對(duì)信號(hào)發(fā)生器和信號(hào)采集器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并計(jì)算分析，并實(shí)時(shí)儲(chǔ)存在中央控制器中，由顯示器實(shí)時(shí)顯示分析計(jì)算結(jié)果。

4 應(yīng)用實(shí)例

以水灰比為0.53，水泥與水、砂子、粗骨料的配合比為1∶0.53∶2.0∶3.0的混凝土連通孔隙率測(cè)定為例，對(duì)本測(cè)試方法和裝置的工作進(jìn)行具體驗(yàn)證，實(shí)物裝置見(jiàn)圖2。

圖2 裝置實(shí)物圖

所采用拌制混凝土的原材料為：水泥為P.I 525級(jí)波特蘭水泥，砂采用細(xì)度模數(shù)2.6的河砂，粗骨料采用連續(xù)級(jí)配的碎石（最大粒徑25 mm），水采用自來(lái)水。在標(biāo)準(zhǔn)模具中澆制尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的混凝土試件，在養(yǎng)護(hù)室中標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后，將試件沿長(zhǎng)度方向兩端切除50 mm后，取中間部分厚度為50 mm的混凝土試件進(jìn)行測(cè)試。

將新制得的尺寸為100 mm×100 mm×50 mm的混凝土試件在烘箱中105 ℃下烘干至恒重，將其浸泡在濃度為0.5 mol/L的NaCl溶液中飽和至恒重，或采用真空飽水裝置使混凝土試件快速飽水。測(cè)試前將配制好的0.5 mol/L的NaCl溶液與測(cè)試裝置和混凝土試件置于恒溫的室內(nèi)環(huán)境中，以保證溫度一致。

將進(jìn)液閥門(mén)和排液閥門(mén)關(guān)閉，在補(bǔ)液水槽中灌注2/3水位高度的室溫0.5 mol/L的NaCl溶液。將兩法蘭壓盤(pán)對(duì)接，并采用對(duì)拉螺桿和翼形螺帽緊固法蘭，使加液管在法蘭壓盤(pán)對(duì)接后形成一個(gè)完整的環(huán)形，法蘭壓盤(pán)之間由橡膠圈確保密封。打開(kāi)進(jìn)液閥門(mén)，使NaCl溶液完全填充加液管，直至通氣孔將要有NaCl溶液流出為止，迅速關(guān)閉進(jìn)液閥門(mén)。

通過(guò)中央控制器設(shè)置測(cè)試電壓為1 V，采樣頻率為1 Hz，信號(hào)處理器的采集結(jié)果通過(guò)中央控制器實(shí)時(shí)顯示，數(shù)據(jù)穩(wěn)定后由式（1）確定該NaCl溶液的電阻率（此處為預(yù)配置的NaCl溶液，濃度為0.5 mol/L），計(jì)算確定0.5 mol/L的NaCl溶液的電阻率為0.164 62 Ω·m（實(shí)驗(yàn)室溫度為20 ℃）。記錄數(shù)據(jù)后停止采樣，打開(kāi)排液閥門(mén)排凈加液管中的NaCl溶液，松開(kāi)翼形螺帽，將混凝土試件從NaCl溶液中取出，用吸水紙擦干斷面，在預(yù)計(jì)接觸橡膠圈的位置涂少許凡士林，增加密封性，將混凝土試件按照?qǐng)D1固定在法蘭壓盤(pán)中間。

關(guān)閉排液閥門(mén)，打開(kāi)進(jìn)液閥門(mén)使NaCl溶液重新灌注滿(mǎn)加液管及法蘭壓盤(pán)與待測(cè)試件之間的所有空隙，關(guān)閉進(jìn)液閥門(mén)。重復(fù)上述步驟。測(cè)得混凝土電阻率為2.98613 Ω·m。

5 結(jié)語(yǔ)

本裝置基于非接觸式阻抗法，運(yùn)用電磁感應(yīng)技術(shù)測(cè)定鹽水飽和混凝土的電阻率，從而根據(jù)理論公式計(jì)算得到混凝土的連通孔隙率，突破了傳統(tǒng)測(cè)試方法對(duì)試樣大小的限制，測(cè)得的混凝土連通孔隙率可直接應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性預(yù)測(cè)。該方法原理清楚、方法簡(jiǎn)便、測(cè)定速度快、穩(wěn)定性好，可彌補(bǔ)現(xiàn)有方法與設(shè)備不能滿(mǎn)足混凝土孔隙率測(cè)定的不足。

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Experimental device of concrete connected porosity determination by non-contact impedance method

LIU Chengbin1, FU Chuanqing2, JIN Xianyu1

(1. College of Architectural Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China; 2. College of Architectural Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Accurate determination of the connectivity porosity of concrete is the key to predict the transmission capacity of concrete against erosion media, and the non-contact impedance method is used to measure the concrete connected porosities. The connected porosity is obtained by measuring resistivity of concrete specimens, and the device consists of the ion migration system, resistivity measurement system and data processing system. This method and device break through the limitation of sample size in traditional testing methods, and it can be used not only for indoor fresh concrete, but also for connecting porosity test of drill core sampling concrete of existing building structures.

concrete; connected porosity; experimental device; non-contact impedance method; resistivity

TU528-33

A

1002-4956(2019)11-0065-03

10.16791/j.cnki.sjg.2019.11.016

2019-03-03

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51678529)資助

劉承斌（1978—），男，浙江東陽(yáng)，博士，高級(jí)工程師，從事結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方面的研究工作。E-mail:cb@zju.edu.cn

付傳清（1982—），男，山東濰坊，博士，副教授，研究方向?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)耐久性。E-mail: chuanqingfu@126.com