劉承斌，付傳清，金賢玉

非接觸式阻抗法測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 建筑工程學院，浙江 杭州 310058；2. 浙江工業(yè)大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310014）

準確測定混凝土的連通孔隙率是預測混凝土抵抗侵蝕介質(zhì)傳輸能力的關鍵。采用非接觸式阻抗法測定混凝土連通孔隙率，該方法通過測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)、電阻率測定系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，突破了傳統(tǒng)測試方法對試樣大小的限制，既適用于室內(nèi)新拌制的混凝土，也可用于既有建筑結構鉆芯取樣混凝土連通孔隙率測試。

混凝土；連通孔隙率；實驗裝置；非接觸式阻抗法；電阻率

我國是一個發(fā)展中的大國，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，科學地設計出安全、適用又耐久的工程項目，更要盡可能延續(xù)現(xiàn)有基礎設施的使用壽命[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構，由于氯鹽、水分和氧氣通過混凝土的毛細孔到達鋼筋表面引起鋼筋腐蝕，會大大降低混凝土結構的使用壽命[2-5]。鋼筋銹蝕導致的混凝土結構耐久性問題，已成為國際研究熱點問題。混凝土中的孔隙分為開口孔、半開口孔和封閉孔。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口連通孔隙率。準確測定混凝土的連通孔隙率是預測混凝土抵抗侵蝕介質(zhì)傳輸能力的關鍵[6]。

1 混凝土連通孔隙率的測定

混凝土孔隙率的測定通常采用壓汞法（MIP）。Huang等[7]通過壓汞法分析了混凝土中的孔結構參數(shù)，并基于孔隙參數(shù)建立預測混凝土中水分傳輸?shù)臄?shù)值模型。壓汞法的測定結果容易受汞壓力的影響，測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。由于受測試技術和壓汞原理的限制，測試混凝土的孔隙率，如今的做法是將混凝土破碎，然后取混凝土內(nèi)的砂漿進行壓汞測試，而且試樣尺寸通常只有黃豆般大?。ㄖ睆郊s5 mm）?？梢?，實際上是測試砂漿的孔隙率，沒有包含粗骨料。實際應用中的鋼筋混凝土結構，必然都是包含粗骨料。要真實測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，試件截面邊長應該在65 mm左右，采用傳統(tǒng)測試方法很難做到。

事實上，混凝土是包含粗骨料、細骨料和水泥石基體的三相復合材料，而毛細孔（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定，且粗骨料與水泥石基體間的界面過渡區(qū)會被忽略。要準確預測混凝土結構的抗介質(zhì)侵蝕能力，需要準確定量混凝土的連通孔隙率。基于非接觸式阻抗法，中國專利授權公告號CN102539928A，名稱為“應用于分析水泥基材料孔結構的非接觸式阻抗測量儀”，提供了一種應用于分析水泥基材料孔結構的非接觸式阻抗測量儀，用于測量樣品經(jīng)歷物理或化學過程狀態(tài)變化過程中的阻抗和復電阻率[10]。中國專利授權公告號CN12226824B，名稱為“高溫環(huán)境混凝土形成過程中電阻率變化的測量裝置與方法”，公開了一種高溫環(huán)境混凝土形成過程中電阻率變化的測量裝置與方法[11]。該兩項專利采用無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)）的孔結構發(fā)展規(guī)律，但不能對成熟后（通常28 d齡期后）混凝土進行孔結構定量分析。

因此，研發(fā)一種操作簡便、能夠準確測定混凝土連通孔隙率的裝置具有十分重要的工程價值，可對實驗室配制混凝土樣品或既有混凝土結構現(xiàn)場取得的混凝土進行連通孔隙率測定，從而進行耐久性能預測，對科學研究和工程應用都具有很重要的意義。

2 實驗方法與原理

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

本文采用非接觸式阻抗法測定混凝土連通孔隙率。

2.1 混凝土待測試件的準備

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

2.2 測定前的準備

實驗前保證標準濃度鹽溶液與2.1節(jié)獲得的飽鹽待測混凝土試件溫度相同，將兩法蘭壓盤密封對接，在加液管中灌注標準鹽溶液以標定儀器，并確定標準濃度鹽溶液的電阻率；標定結束后，排掉標準鹽溶液，將飽鹽待測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的加液管與飽鹽待測混凝土試件密封緊固成為一個密封整體，重新向加液管中灌注標準鹽溶液。試驗中選用NaCl溶液；所述NaCl溶液的濃度為0.1~2 mol/L。

2.3 電阻率測定

設置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣頻率，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)從電阻率測定系統(tǒng)中自動采集感應電流和電壓，計算程序根據(jù)式（1）計算電阻率，并實時顯示電阻率變化率曲線，待電阻率變化率隨時間的變化曲線接近水平直線時，此時的電阻率值即為混凝土試塊在標準鹽溶液飽和情況下的電阻率。

2.4 孔隙率測定

根據(jù)Archie方程可得電阻率與孔隙率的關系，將其應用到混凝土連通孔隙計算，則可通過測定混凝土的電阻率值，再由式（2）計算混凝土的連通孔隙率：

3 測試系統(tǒng)組成

3.1 系統(tǒng)組成

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

離子遷移單元包括2個帶通孔的法蘭壓盤、加液管、補液水槽和對拉螺桿。加液管的每個端口對應一個法蘭壓盤，分別從相應的法蘭壓盤外端面插入其通孔內(nèi)，2個法蘭壓盤內(nèi)端面相對并通過對拉螺桿形成用于夾持待測試件的測試腔，法蘭壓盤與待測試件之間由橡膠墊圈密封，補液水槽與所述的加液管管路連通。

1-法蘭壓盤；2-通氣孔；3-螺栓孔；4-橡膠墊圈；5-對拉螺桿；6-緊固螺帽；7-加液管；8-進液閥門；9-排液閥門；10-補液水槽；11-待測試件；12-磁芯；13-控制線圈；14-信號發(fā)生器；15-電流傳感器；16-信號采集器；17-信號處理器；18-中央處理器。

電阻測量單元包括信號發(fā)生器、線圈、磁芯和電流傳感器。加液管依次穿過磁芯和電流傳感器后與相應的法蘭壓盤固接，線圈纏繞在磁芯上，并且線圈兩端與信號發(fā)生器的信號輸入端電連接。

數(shù)據(jù)處理單元包括信號采集器、信號處理器和中央控制器。

加液管為環(huán)形結構，采用非導電類的酚醛塑料、聚氨酯塑料、環(huán)氧塑料、不飽和聚酯塑料、有機硅樹脂或丙烯基樹脂類材料制成。加液管上設有進液閥門和排液閥門，其中進液閥門設置在與補液水槽相連的管路連接處，排液閥門設置在加液管的底部。補液水槽通過軟管與加液管連通。法蘭壓盤上部設有通氣孔，其中所述的通氣孔一端與通孔連通，另一端與法蘭壓盤外部連通。

法蘭壓盤的通孔為臺階孔，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的內(nèi)端面的通孔連通。對拉螺栓兩端穿過法蘭壓盤上的螺栓連接孔后連接2個緊固螺帽，其中緊固螺帽采用翼型不銹鋼螺帽。

3.2 工作原理

電流傳感器檢測離子遷移系統(tǒng)的感應電流并送至信號處理器，離子遷移系統(tǒng)中的電壓由信號發(fā)生器控制；信號處理器按設置頻率對信號發(fā)生器和信號采集器的數(shù)據(jù)進行采集并計算分析，并實時儲存在中央控制器中，由顯示器實時顯示分析計算結果。

4 應用實例

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定為例，對本測試方法和裝置的工作進行具體驗證，實物裝置見圖2。

圖2 裝置實物圖

所采用拌制混凝土的原材料為：水泥為P.I 525級波特蘭水泥，砂采用細度模數(shù)2.6的河砂，粗骨料采用連續(xù)級配的碎石（最大粒徑25 mm），水采用自來水。在標準模具中澆制尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的混凝土試件，在養(yǎng)護室中標準養(yǎng)護28 d后，將試件沿長度方向兩端切除50 mm后，取中間部分厚度為50 mm的混凝土試件進行測試。

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。測試前將配制好的0.5 mol/L的NaCl溶液與測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。

將進液閥門和排液閥門關閉，在補液水槽中灌注2/3水位高度的室溫0.5 mol/L的NaCl溶液。將兩法蘭壓盤對接，并采用對拉螺桿和翼形螺帽緊固法蘭，使加液管在法蘭壓盤對接后形成一個完整的環(huán)形，法蘭壓盤之間由橡膠圈確保密封。打開進液閥門，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，迅速關閉進液閥門。

通過中央控制器設置測試電壓為1 V，采樣頻率為1 Hz，信號處理器的采集結果通過中央控制器實時顯示，數(shù)據(jù)穩(wěn)定后由式（1）確定該NaCl溶液的電阻率（此處為預配置的NaCl溶液，濃度為0.5 mol/L），計算確定0.5 mol/L的NaCl溶液的電阻率為0.164 62 Ω·m（實驗室溫度為20 ℃）。記錄數(shù)據(jù)后停止采樣，打開排液閥門排凈加液管中的NaCl溶液，松開翼形螺帽，將混凝土試件從NaCl溶液中取出，用吸水紙擦干斷面，在預計接觸橡膠圈的位置涂少許凡士林，增加密封性，將混凝土試件按照圖1固定在法蘭壓盤中間。

關閉排液閥門，打開進液閥門使NaCl溶液重新灌注滿加液管及法蘭壓盤與待測試件之間的所有空隙，關閉進液閥門。重復上述步驟。測得混凝土電阻率為2.98613 Ω·m。

5 結語

本裝置基于非接觸式阻抗法，運用電磁感應技術測定鹽水飽和混凝土的電阻率，從而根據(jù)理論公式計算得到混凝土的連通孔隙率，突破了傳統(tǒng)測試方法對試樣大小的限制，測得的混凝土連通孔隙率可直接應用于混凝土結構耐久性預測。該方法原理清楚、方法簡便、測定速度快、穩(wěn)定性好，可彌補現(xiàn)有方法與設備不能滿足混凝土孔隙率測定的不足。

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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

國家自然科學基金項目(51678529)資助

劉承斌（1978—），男，浙江東陽，博士，高級工程師，從事結構試驗方面的研究工作。E-mail:cb@zju.edu.cn

付傳清（1982—），男，山東濰坊，博士，副教授，研究方向為混凝土結構耐久性。E-mail: chuanqingfu@126.com