朱 超，田雯菁，許 真，方易小鎖

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

混凝土的導(dǎo)電特性可表征為視電阻率、電導(dǎo)率(為視電阻率的倒數(shù))、介電常數(shù)等參數(shù)。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為混凝土是電的不良導(dǎo)體，混凝土電導(dǎo)性能的研究十分有限，隨著電法檢測理論和技術(shù)的發(fā)展，混凝土電導(dǎo)特性的測量方法也逐漸受到人們的關(guān)注，以混凝土電導(dǎo)參數(shù)表征其性能指標(biāo)和特征參數(shù)已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點[1-3]。混凝土視電阻率作為一個電學(xué)參數(shù)，反應(yīng)單位長度混凝土阻礙電流通過的能力[4]。通過測量混凝土視電阻率，可實現(xiàn)對混凝土養(yǎng)護狀態(tài)與效率的評價[5]、水泥凝結(jié)時間的檢測[6]、混凝土灌注樁質(zhì)量情況的檢測[7]、混凝土裂縫的測量[8]和混凝土滲透性能演變規(guī)律的分析[9]等。視電阻率法具有快捷、高效、直觀、探測范圍大、可靠性好等優(yōu)點，在實際工程中得到廣泛應(yīng)用。

由于混凝土的導(dǎo)電特性很大程度上取決于膠凝材料的視電阻率，本文分別采用二電極法和四電極法對水泥體試件的視電阻率進(jìn)行測量，對比分析兩種測試方法在結(jié)果上的差異性。采用四電極法對不同深度的水泥體試件的視電阻率進(jìn)行測量，得到在一定電極距情況下，不同深度的試件對視電阻率測試結(jié)果的影響。

1 混凝土視電阻率測量原理

二電極法視電阻率測試原理如圖1所示。二電極法包括外貼和埋入兩種方式，該方法是在混凝土試樣兩端外貼或是在試樣內(nèi)部預(yù)埋兩塊平行的電極板，通電后通過電壓表測得混凝土試樣兩端電壓，用電流表測得回路電流，再由式(1)計算得到混凝土試樣的視電阻率值。

(1)

式中：ΔU為試件兩端電壓,V；I為回路電流,A；s為試件橫斷面積,m2；l為試件長度,m。

圖1 二電極法視電阻率測試原理

圖2 四電極法視電阻率測試原理

四電極法視電阻率測試原理如圖2所示。四電極法采用4個等距排列的探頭貼合試樣表面進(jìn)行測試，外側(cè)2個探頭提供交流電壓并測得回路電流值，內(nèi)側(cè)2個探頭測試其間電壓，根據(jù)式(2)即可得出試樣視電阻率[13]。

(2)

式中：a為探頭間距,cm；U為內(nèi)側(cè)探頭間電勢差,V；I為外側(cè)探頭間電流,A。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

試驗使用的水泥為葛洲壩股份有限公司水泥廠生產(chǎn)的“三峽牌”42.5R級普通硅酸鹽水泥，水為自來水。

2.2 試件尺寸及配合比

水泥體試件a和b尺寸相同，配合比分別為C(水泥)∶W(水)=1∶0.4和1∶0.5，分別采用二電極法和四電極法對其視電阻率進(jìn)行測量，用于分析兩種測試方法的可靠性。水泥體試件b、c和d的配合比均為C∶W=1∶0.5，而試件尺寸在深度方向均不相同，用于分析水泥體試件不同深度對視電阻率測試結(jié)果的影響。試件尺寸及配合比如表1所示。

表1 水泥體試件的尺寸及配合比

2.3 試驗裝置

基于四電極法基本原理，本試驗自行設(shè)計一種四電極視電阻率測試裝置，裝置分為電源、測量探頭、萬用表和試件四部分。由于直流電可能會對試樣內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，供電電源采用110 V交流電，探頭表面涂抹導(dǎo)電石墨后貼附于試件表面上，探頭間距選取5 cm，用電流表測量流經(jīng)外端兩電極的電流，用電壓表測量內(nèi)端兩電極的電位差。

3 結(jié)果和討論

3.1 測試方法對結(jié)果的影響分析

在相同條件下，分別采用二電極法和四電極法對試件a和b的視電阻率進(jìn)行測量，其測量結(jié)果如圖3和圖4所示。試件澆筑完3 d后拆模，然后對試件的視電阻率進(jìn)行測量。由于水泥水化反應(yīng)是一個長期進(jìn)行的過程，早齡期水泥體的視電阻率值變化較大，隨著水泥體齡期的增長，水泥水化反應(yīng)逐漸完成，水泥體視電阻率值趨于平穩(wěn)，為排除其他各種因素影響，故本次試驗選取52 d齡期后的水泥體視電阻率值進(jìn)行分析。由圖3和圖4可知，在相同條件下，二電極法測得水泥體視電阻率值均高于四電極法所測值。由于四電極法測試視電阻率時，電流從外側(cè)兩個探頭流入，內(nèi)側(cè)兩個探頭測試其間電壓，這樣很大程度上減小表面接觸電阻對測量結(jié)果的影響，使得二電極法測試結(jié)果均高于四電極法。此外，四電極法可以測得的水泥體區(qū)域相對于二電極法大得多，四電極法所測水泥體視電阻率值隨齡期變化時比較穩(wěn)定，故四電極法測量結(jié)果更加精確。

圖3 試件a視電阻率測試結(jié)果

圖4 試件b視電阻率測試結(jié)果

3.2 試件深度對結(jié)果的影響分析

采用四電極法對試件b、c和d的視電阻率進(jìn)行測量，其測量結(jié)果如圖5所示。由圖5可以發(fā)現(xiàn)，試件b和c的視電阻率值隨齡期增長過程中基本保持一致，而試件d的視電阻率值與b、c試件的視電阻率值有一定偏離，且偏高于b、c試件的視電阻率值?？梢姡?dāng)電極距為5 cm，試件深度大于20 cm時，用四電極法測試水泥體視電阻率值才能較為準(zhǔn)確。

圖5 不同深度的試件視電阻率測試結(jié)果

從圖5中還可以得到，試件b、c和d的視電阻率隨齡期的增長均逐漸增大，這是由于水泥水化反應(yīng)過程中，水泥中的Ca2+、Al3+和OH-等離子形成沉淀物，水泥體中的自由離子逐漸變少，孔隙內(nèi)的水分逐漸消耗，水泥體導(dǎo)電特性發(fā)生變化，從而水泥體視電阻率隨齡期的增長而逐漸增大。圖5中有個別齡期下的水泥體視電阻率值有一定突變，這是由于環(huán)境因素(溫度和濕度)對測試結(jié)果有一定影響。

4 結(jié) 論

(1)對水泥體試件的視電阻率進(jìn)行測試時，二電極法測量結(jié)果偏高于四電極法所測值，從而說明四電極法在很大程度上減小了表面接觸電阻對測量結(jié)果的影響，且四電極法所測結(jié)果相對更加穩(wěn)定。

(2)當(dāng)電極距為5 cm，水泥體試件的深度為15 cm 時，視電阻率測試結(jié)果偏高且不穩(wěn)定，故當(dāng)試件深度小于15 cm時將會對試驗結(jié)果造成一定影響。