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表面电阻率

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  表面电阻率是指表示物体表面形成的使电荷移动或电流流动难易程度的物理量。在固体材料平面上放两个长为L、距离为d的平行电极,则两电极间的材料表面电阻Rs与d成正比,与L成反比,可用下式表达:

Rss×d/L

  式中的比例系数ρs称作表面电阻率,它与材料的表面性质有关,并随周围气体介质的温度、相对湿度等因素有很大变化,单位用Ω(欧)表示。

表面电阻率测试

  混凝土表面电阻率通常采用四电极法进行测试。四电极法又称为温纳法,由弗兰克·温纳于1915年发明。该方法采用4根等距排列的探头贴合混凝土表面进行测试,外侧2根探头提供交流电压并测得回路电流值大小,内侧2根探头的作用则是测试其间电压,根据下式即可得出混凝土的表面电阻率ρ。

ρ=2πaU/I

  式中:a——探头间距,cm;

  U——内侧探头间电势差,V;

  I——外侧探头间电流,A。

  采用直流电测试混凝土的表面电阻率,由于极化、电容性阻抗等效应的影响,测试数据的重复性往往较差且测试结果误差较大。

  四电极法采用交流电作为电源,通过4个电极的巧妙布置,极大弱化了极化等因素的影响,已成为混凝土表面电阻率测试方法之一。目前,已有学者将此方法应用于混凝土养护效果评价、抗压强度预测和耐久性评价等方面。由于缺少相应的标准规范,应用此测试方法时所设定的测试条件及参数不尽一致,导致试验结果莫衷一是。

  一、表面电阻率测试

  1、试验材料

  水泥:P·O42.5水泥,比表面积374m2/kg;

  矿粉:S95级磨细矿渣粉,比表面积414m2/kg,28 d活性指数98%;

  粉煤灰:F类Ⅱ级粉煤灰,细度18%,需水量比101%;

  细骨料:普通河砂,细度模数2.5,表观密度2550 kg/m3;

  粗骨料:5~20mm连续级配碎石,表观密度2650 kg/m3,含泥量0.9%;

  减水剂:聚羧酸高性能减水剂,含固量40%,减水率27%;

  水:自来水。

  2、混凝土配合比

  设置了0.34、0.42、0.50和0.58等4个不同水胶比的混凝土配合比,如下表所示。4个配合比除用水量和减水剂用量不同外,其它原材料用量均一致。减水剂的用量是根据使新拌混凝土初始坍落度保持在(120±20)mm而确定。在相同试验条件下,分别测试了4个不同水胶比混凝土试件的表面电阻率及电通量。

表面电阻率测试.jpg

  3、试验方法及仪器设备

  ①电通量法

  根据GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的电通量法进行。所用仪器设备为北京耐尔得仪器设备有限公司产混凝土电通量测定仪。

  ②四电极法

  四电极法试件的成型同电通量法,试件拆模后放入标准养护室至规定测试龄期。测试前,在试件表面标定4个测试位置。对于圆柱体试件,在其侧面0°、90°、180°和270°分别标定4个测试位置;对于棱柱体试件,在其2个长侧面的1/3和2/3处共布置4个测试位置,如下图所示。

表面电阻率测试.jpg

  对每个试件,重复2次测试标定的4个测点,获取8个测试数据,计算其平均值和方差。

  二、表面电阻率测试结果和分析

  1、抗压强度和电通量随水胶比的变化

  混凝土试件28 d抗压强度及电通量随水胶比的变化如下图所示。

表面电阻率测试.jpg

  由上图可见,随着水胶比增大,混凝土的28 d抗压强度逐渐降低,电通量则逐渐变大。混凝土的拌合用水除了用于胶凝材料的水化反应之外,还有相当一部分留在硬化混凝土之中形成孔隙。当混凝土胶凝材料用量一定时,用水量越大则导致混凝土的孔隙率越大,因而其密实度也就越差,即抗压强度越小,电通量越大。

  2、表面电阻率测试的影响因素研究

  为研究试件类型、试件潮湿状况、探头间距和测试龄期等4个因素对表面电阻率测试的影响,对比了表面电阻率试验的重复性及其与电通量的相关性。试验的重复性由所测数据的方差平均值大小来反映,表面电阻率与电通量的相关性则通过比较二者间幂函数回归分析所得相关系数的大小来评价。

  ①试件类型的影响

  混凝土试件通常有圆柱体和棱柱体2种类型。分别测试了相同配合比下φ100mm×200mm的圆柱体试件和150mm× 150mm×300mm的棱柱体试件在饱和面干状态下的28 d龄期表面电阻率,探头间距为50mm。下图显示了不同水胶比下不同类型试件的表面电阻率测试数据方差大小及表面电阻率与电通量的相关性拟合曲线。

表面电阻率测试.jpg

  试验中发现,2种类型试件的表面质量状况没有太大差别。经计算,圆柱体和棱柱体试件表面电阻率数据方差平均值分别为5.5、5.0,2种类型试件的测试数据均较稳定。由上图可以看出,棱柱体试件测得的表面电阻率与电通量的相关性较低,而圆柱体试件测得的表面电阻率与电通量的相关性较高。

  这可能是由于不同的试件类型,试件内部电势场的分布是不一样的。对于圆柱体试件,测试表面电阻率时,无论纵向测试线在试件侧面何位置,试件内部的电势场总是均匀对称分布。因此,采用圆柱体试件进行表面电阻率测试较优。

  ②试件潮湿状况的影响

  在探头间距为50mm,试件类型为圆柱体的情况下,测试了饱和面干、湿润和相对湿度60%等3种潮湿状况不同试件的28 d龄期表面电阻率。

  试件自成型拆模后放入标准养护室。对于相对湿度60%的试件,于测试龄期前2 d自标准养护室取出放入相对湿度60%干燥养护室至测试;对于饱和面干试件,在测试当天从标准养护室取出,用拧干的湿毛巾将试件表面水渍擦净,并在3min内完成表面电阻率测试;对于湿润试件,则在测试当天从标准养护室取出,不处理试件表面水渍,于3min内直接完成表面电阻率测试。

  下图为不同水胶比下不同潮湿状况试件的表面电阻率测试数据方差大小及表面电阻率与电通量的相关性拟合曲线。

表面电阻率测试.jpg

  从上图可见,无论是测试数据的重复性还是与电通量的相关性,由饱和面干和湿润两种状态试件测得的表面电阻率几乎没有差别。经计算,饱和面干和湿润试件的电阻率测试数据方差平均值分别为5.5和5.9,而相对湿度60%试件的则高达12.5。并且,后者电阻率与电通量的相关系数明显低于前两者的。

  混凝土是一种多孔性材料,孔隙中的溶液含有多种离子成分,如OH-、K+、Na+、Ca2+等,孔隙溶液对混凝土的导电性有重要影响。试件的潮湿程度反映了其孔隙中溶液的充盈度。

  由于电通量试验前对测试试件进行了真空保水处理,因此,表面电阻率测试试件的潮湿状况与真空保水后状态越是接近,试件的表面导电性质与内部导电性质就越相似,表面电阻率与电通量的相关性也就越高。因此,试验室测试混凝土表面电阻率宜在试件处于饱和面干或湿润状态下进行。

  ③探头间距的影响

  采用圆柱体试件,在饱和面干状态下分别测试了探头间距为38、50、62mm时试件的28 d龄期表面电阻率。下图为不同水胶比下不同探头间距时试件的表面电阻率测试数据方差大小及表面电阻率与电通量的相关性拟合曲线。

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  经计算,探头间距为38、50和62mm时测试数据方差平均值依次为6.1、5.5和5.3,即随着探头间距的增加,测试重复性逐渐变好。由上图可见,3种探头间距测得的表面电阻率与对应电通量的相关性中,50mm探头间距的Z好,62mm和38mm探头间距的次之。探头间距越小,其在试件中产生的电势场越不均匀,受试件中粗骨料颗粒的影响也就越大,因而电阻率数据的重复性越差。

  电通量法测试了60V直流电压下通过(50±2)mm厚度试件的总电通量。表面电阻率测定仪的内置直流电压也是60V,对于既定的测试电压,只有在探头间距合适时,流经试件的电流值及由其计算得到的电阻值才与电通量具有较强相关性。因此,采用50mm探头间距测试混凝土试件的表面电阻率较好。

  ④试验龄期的影响

  对4种水胶比的混凝土配合比,采用圆柱体试件,分别测试了14、28和56 d龄期时混凝土试件的表面电阻率和电通量。测试时混凝土试件保持饱和面干状态,且探头间距为50mm。不同水胶比下不同测试龄期时试件的表面电阻率测试数据方差大小及表面电阻率与电通量的相关性拟合曲线见下图。

表面电阻率测试.jpg

  经计算,14、28和56 d龄期混凝土试件的表面电阻率测试数据方差平均值分别为7.0、5.5和5.1,这表明随着试验龄期延长,表面电阻率测试重复性逐渐变好。出现此规律的原因是随着龄期的延长,胶凝材料逐渐水化充分,混凝土的孔隙变少变小,试件表面也变得更为致密、均匀。

  从上图可以看出,测试龄期越长,表面电阻率与电通量的相关性越好。这是因为较早龄期时混凝土的表面与内部质量相差较大,随着水化龄期的进行,二者将逐渐趋同。从测试重复性及与电通量相关性Z佳的角度上来说,测试混凝土表面电阻率宜在56 d龄期时进行。

  然而,考虑到56 d试验龄期过长以及28 d龄期时表面电阻率测试重复性及与相应电通量的相关性与56 d时相差较小。因此,建议28 d龄期为混凝土试件表面电阻率测试龄期。

  三、表面电阻率测试结论

  四电极法作为一种电学测试方法,与电通量法在测试原理上具有共通性。对表面电阻率与电通量进行幂函数回归分析,可以看出二者具有较好的相关性。与电通量法相比,表面电阻率测试法不必对试件进行切割、保水等措施,具有省时省力的优点。

  1、试验室测试混凝土试件表面电阻率时,宜采用圆柱体试件,在饱和面干或湿润状态,用50mm探头间距进行28 d龄期测试。

  2、相比于试件类型和探头间距,试件潮湿状况对测试结果的影响Z大。当试件为饱和面干或湿润时,表面电阻率测试数据较稳定,且与电通量的相关性较好。

  3、测试龄期越长,混凝土表面电阻率测试重复性及与相应电通量的相关性越好。

 

2018-07-03  浏览次数:5924
本文来源:https://www.yiqi.com/citiao/detail_876.html
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