基于直流階躍暫態電阻法的混凝土滲透性表征

曾濤 方正 熊光啟 王沖 郝挺宇 周帥

DOI：?10.11835/j.issn.2096-6717.2021.256

收稿日期：2021?09?03

基金項目：重慶市技術創新與應用示范專項（cstc2019jscx-msxmX0114）

作者簡介：曾濤（1995-?），男，主要從事混凝土耐久性研究，E-mail：247800963@qq.com。

通信作者：王沖（通信作者），男，教授，博士生導師，E-mail：wangchnx@126.com。

Received： 2021?09?03

Foundation item： Technology Innovation and Application Demonstration Program of Chongqing （No. cstc2019jscx-msxmX0114）

Author brief： ZENG Tao （1995-?）， main research interest： durability of concrete， E-mail： 247800963@qq.com.

corresponding author：WANG Chong （corresponding author）， professor， doctorial supervisor， E-mail： ?wangchnx@126.com.

摘要：滲透性是影響混凝土耐久性的最重要指標，當前工程中所用混凝土滲透性試驗方法，無論是水滲透性還是氯離子滲透性，其測試過程都存在耗時長、操作不便的缺點。為解決混凝土滲透性實時、原位監測的問題，利用基于直流階暫態電阻法所測混凝土電阻率表征混凝土滲透性，分析了水膠比、礦物摻合料摻量、混凝土飽水度、環境溫度等不同因素對各齡期混凝土暫態電阻率的影響規律，將暫態電阻率與混凝土各齡期的強度、吸水速率、抗水滲透性、抗氯離子滲透性等性能建立聯系。結果表明，暫態電阻法測試結果與現有混凝土滲透性方法測試結果具有較高的關聯性，提出了暫態電阻法測試結果用于混凝土滲透性評價的推薦值，驗證了暫態電阻法可用于評價混凝土抗滲透性。

關鍵詞：混凝土；暫態電阻法；混凝土滲透性；混凝土電阻率

中圖分類號：TU502 ????文獻標志碼：A ????文章編號：2096-6717（2024）02-0165-11

Permeability characterization of concrete based on the DC-step transient resistance method

ZENG Tao¹，?FANG Zheng¹，?XIONG Guangqi¹，?WANG Chong¹，?HAO Tingyu²，?ZHOU Shuai¹

（1. College of Materials Science and Engineering， Chongqing University， Chongqing 400045， P. R. China；?2. Central Research Institute of Building and Construction， MCC.， Beijing 100088， P. R. China）

Abstract： Permeability is the most important index affecting the durability of concrete. At present， the test methods of concrete permeability， whether water permeability or chloride permeability， have the disadvantages of time-consuming and operation inconvenience. To solve the problem of real-time and in situ monitoring of concrete permeability， this paper studied the evaluation technology of concrete permeability by the resistivity based on the DC-step transient resistance method. The influences of different water-binder ratios， mineral admixtures， water saturation and ambient temperature on the electrical resistivity of concrete were researched. The relationships between the resistivity and the strength， capillary water absorption rate， water permeability and chloride permeability resistance were analyzed. The results show a good association between the transient resistance test and the current permeability methods. The recommended values of transient resistance for evaluation of concrete permeability are proposed， and it is verified that the transient resistance can be used to evaluate the permeability of concrete.

Keywords： concrete；?transient resistance method；?permeability of concrete；?resistance of concrete

混凝土強度和耐久性是結構服役期間可靠度的重要影響因素。根據大量工程實踐經驗，現階段混凝土結構毀壞的原因并非強度不夠，而是耐久性較差。混凝土滲透性直接影響混凝土耐久性，而材料內部微觀結構決定了混凝土的滲透性。混凝土內部的孔隙率和孔隙連通程度影響了使用過程中混凝土和鋼筋是否容易受環境中有害介質的侵蝕。例如，保護層碳化和氯離子侵入，會導致混凝土中的鋼筋銹蝕，因而產生膨脹、開裂、剝落、強度降低和結構破壞等劣化情況^[1-2]。當前混凝土耐久性檢測要么采用小尺寸試件導致評價結果失真，要么直接在實體結構上鉆芯取樣進行測試，但對混凝土結構造成一定程度的擾動，且測試成本相對較高。此外，測試試驗程序復雜，測試時間耗時較長等原因，給測試帶來各種不確定因素，以至測試精度難以保證。因此，需要研究更簡單、更低成本且可靠的混凝土滲透性評價技術。

混凝土結構內部分布著大量連通或閉合的孔隙，孔隙中存在大量飽和氫氧化鈣與其他離子（如Na⁺、K⁺、Cl^-）組成的電解質溶液。電解質溶液中的游離離子在外加電場作用下發生電解遷移，內部孔隙結構的差別將展現出混凝土間不同的電學性能，具體表現為電阻率、電導率等特性的差異。鑒于混凝土內部結構與其電學參數之間的關系，混凝土電學性能測試方法有潛力成為一種快速檢測、在線監測和有效評價混凝土孔結構變化的新技術。目前已有許多電學方法被開發應用于混凝土各項性能的測試，李路帆等^[3]利用電感檢測超高性能纖維混凝土中鋼纖維的分布，羅萍萍等^[4]用電磁法分析了混凝土中鋼筋的銹蝕程度，金偉良等^[5]利用電流密度表征混凝土裂縫電沉積產物的分布特性，劉志勇等^[6]利用電阻率法研究早期水泥凈漿孔結構的演變，Yousuf等^[7]用電阻率表征凝結時間等。電學方法用于混凝土氯離子滲透性評價也有很多研究，董必欽等^[8]用電化學阻抗譜研究混凝土氯離子滲透，尹暖暖等^[9]研究了基于交流電原理的混凝土抗氯離子滲透性測試方法。通過電阻率評價混凝土的滲透性和耐久性近年來受到很多關注^[10-11]，不過這些研究所用基本都是直流電阻，測試時電極表面和混凝土表面接觸時會形成電容效應^[12]，不消除該效應影響，測試結果重現性難以保障。為解決這一問題，宋家茂等^[13]、任雪梅等^[14]采用基于直流階躍法的暫態電阻率評價了抗氯離子滲透性，該方法可有效排除電極試件界面產生的電容影響，提高電阻率測量精確度。不過，該方法尚未用于混凝土水滲透性的評價研究，也未能進一步提出具體的滲透性評價指標。筆者系統研究了將直流階躍暫態電阻法用于混凝土滲透性評價的技術。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料和配合比

膠凝材料采用重慶富皇公司生產的P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥、河北建投砂河發電責任有限公司生產的F類Ⅱ級粉煤灰和金泰城環境資源股份有限公司生產的S95級礦粉，各膠凝材料的化學組成如表1所示；細集料采用石灰石質機制砂，細度模數為2.9；粗集料選用5～20 mm連續級配、表面粗糙且質地堅硬的石灰巖碎石，表觀密度為2 780 kg/m³，堆積密度為1 690 kg/m³；外加劑采用天津冶建特材公司生產的聚羧酸減水劑。

為探究混凝土電阻率的影響因素，試驗設計了0.30、0.40、0.50、0.60不同水膠比試驗組；在礦物摻合料的影響研究中，粉煤灰及礦粉的內摻比例為0%、20%、30%、40%；水泥混凝土強度與材料內部結構具有較強關系，因此本試驗設計了C30、C40、C50、C60共4個強度等級的混凝土，以探究混凝土抗壓強度與電阻率之間的相關性。試驗用混凝土配合比如表2所示，其中WC代表不同水膠比組，FA代表不同粉煤灰摻量組，SL代表不同礦粉摻量組，聚羧酸減水劑按膠凝材料質量分數的0.6%～1.0%摻入，新拌混凝土坍落度控制在70～90 mm范圍內進行試件成型。

1.2 直流階躍暫態電阻法測試

電阻率測試中，采用圓形不銹鋼片為測試電極，電極面積約為38 cm²，測試時在電極和混凝土試樣之間放入由飽和氫氧化鈣溶液浸濕的海綿片，使二者充分接觸且減少測試中極化作用的影響。電阻率測試試件規格有兩種，分別為100 mm×50 mm的圓柱體試樣及100 mm×100 mm×100 mm的立方體試樣。電阻率測試采用中冶建筑研究總院高性能混凝土研究院研發的SmartⅠ型混凝土電阻率測試儀，儀器基于直流階躍暫態測量法（下文簡稱暫態電阻法）得到混凝土的體電阻率^[13，15]。測試儀器如圖1所示，采用的實測參數設置如表3所示。除飽水度及溫度影響試驗外，電阻率測試均提前一天將試件從養護室取出后浸于水中，抹干表面保持飽和面干狀態，整個測試過程平均在5 min內完成，保證測試溫度在（20±2）℃。

不同飽水度試驗中，將標準養護后試件于（110±2）℃條件下烘干至恒重，后浸入（20±2）℃的水中，并每隔規定時間取出擦去表面水分稱重，測試其電阻率，測試時溫度為（20±2）℃；在研究溫度對電阻率影響試驗中，將28 d標準養護后試件浸入含水的密封盒中，置于不同溫度條件下24 h后取出測試，測試環境溫度均為（20±2）℃。

每次測試前，使用規格為100 mm×100 mm×100 mm的3塊立方體石灰巖試件作為標定物對儀器進行檢測校準，每個基準試樣電阻率測試結果均處于2 300 Ω·m至2 500 Ω·m時，則確定儀器處于正常狀態，可進行后續電阻率測試。每次校準后將基準石灰巖試件置于溫度為（20±2）℃的水中保存。

1.3 混凝土強度和滲透性測試

1.3.1 力學性能試驗方法

依據《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2019）^[16]，采用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件進行抗壓強度測試。

1.3.2 耐久性能試驗方法

1） 吸水性能試驗 參考《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2019）^[16]，成型100 mm×100 mm×100 mm規格試件，標準養護28 d后，放入（110±2）℃的烘箱中烘至恒重。將試件放入水溫（20±2）℃的水槽中，水面沒過試件30 mm，浸泡至規定時間后取出擦凈稱重，并計算吸水速率。

2） 滲透性評價 根據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082—2009）^[17]中所述的抗水滲透試驗及抗氯離子滲透試驗來評價混凝土的滲透性。其中抗水滲透試驗選擇逐級加壓法；抗氯離子滲透試驗選擇RCM法及電通量法。

2 試驗結果與討論

2.1 混凝土電阻率的影響因素

2.1.1 飽水度對混凝土電阻率的影響

不同飽水程度的混凝土試樣電阻率變化規律如圖2所示。圖中4組不同水膠比混凝土的電阻率變化規律均為電阻率隨飽水度降低而快速增大。當混凝土烘干處理至飽水度為0%時，4組不同水膠比混凝土電阻率均上升至2 500 Ω·m左右，為飽水狀態時的5～10倍，可知混凝土電阻率的變化對孔隙飽水程度較為敏感。此外，混凝土電阻率與飽水度呈現類似指數函數關系，當飽水度小于50 %時，混凝土電阻率隨飽水度的變化更加劇烈^[18]。

2.1.2 測試溫度對混凝土電阻率的影響

不同水膠比試樣飽Ca（OH）₂溶液后在不同溫度下對混凝土電阻率進行測試，以減弱孔溶液電阻率及飽水度對測試結果的影響。圖3為不同溫度條件下混凝土電阻率的變化。圖中4組不同水膠比混凝土電阻率均隨著溫度的升高而降低。其原因為孔隙溶液中存在大量的自由離子，連通的孔隙溶液是混凝土導電的主要路徑。自由離子的活性受溫度影響，溫度越高，孔隙溶液中各種導電離子活性增強，混凝土的導電性增強，混凝土的電阻率相應減小^[19]。

2.1.3 水膠比對混凝土電阻率的影響

圖4為不同水膠比組混凝土在180 d養護齡期內的電阻率變化圖，從圖4中可以看出，不同水膠比混凝土的電阻率在180 d內均隨養護齡期的增加而增長。混凝土電阻率的增長速率在前28 d內處于較高水平，之后逐漸減小。在養護90 d后，混凝土電阻率的增長趨勢進一步減小。混凝土電阻率增長速率主要受混凝土中水泥的水化過程影響：早期水泥水化較快，漿體的孔隙率快速降低且孔溶液中的離子大量參與水化反應，導致電阻率迅速增加；隨著水泥混凝土整體水化程度提升，材料密實度增加，水化速度明顯放慢，導致孔隙率減小速度放慢，電阻率增加的速度也相應減小。28 d后水泥水化反應速率較低，孔隙結構及混凝土內部液相環境開始趨于穩定^[20]，則電阻變化率隨之減小。

對比不同組別，可以看到電阻率隨著水膠比的增大而減小，水膠比為0.30時混凝土電阻率遠高于其他組別，約為水膠比0.60試驗組的2倍。水膠比越大，混凝土中的孔隙率和孔徑越大，混凝土的孔隙率越高，混凝土的密實度越差，導致混凝土的電阻率較小。

2.1.4 粉煤灰對混凝土電阻率的影響

不同粉煤灰摻量組混凝土在180 d養護齡期內的電阻率變化如圖5所示，從圖5中可以看出，不同粉煤灰摻量組混凝土的電阻率在前56 d較為接近，未摻粉煤灰的基準組混凝土電阻率要略高于試驗組，說明粉煤灰摻入會降低混凝土早期電阻率。從56 d齡期開始，基準組的電阻率增長速率開始明顯減小，而摻入粉煤灰的試驗組混凝土電阻率增長速率開始明顯提升。養護齡期到達90 d時，摻入粉煤灰的試驗組混凝土電阻率均有較大增長，且電阻率超過基準組。最終180 d齡期時摻入粉煤灰的試驗組混凝土電阻率均遠高于基準組混凝土，說明粉煤灰摻入提升了混凝土后期電阻率。

導致以上現象的原因有兩個方面：其一，粉煤灰反應速率慢，前期主要起到填充作用，粉煤灰反應主要需通過與水泥水化反應產物Ca（OH）₂發生，此反應顯然會滯后于水泥水化反應。56 d內基準組混凝土中水泥水化較快，而加入粉煤灰后混凝土的水化反應總體變得緩慢，因此，在早期摻入粉煤灰的混凝土電阻率小于基準組混凝土。56 d齡期后，隨著粉煤灰與Ca（OH）₂的二次水化反應不斷進行，主要生成的C—S—H凝膠填充了水化反應階段產生的孔隙及由水化放熱引起的微裂縫，進一步改善了混凝土的密實性；另外，隨著二次水化反應的加深，水化產物Ca（OH）₂逐漸被消耗，混凝土孔溶液中的Ca²⁺和OH^-的濃度降低，導致混凝土電阻率進一步提高^[21]。

2.1.5 礦粉對混凝土電阻率的影響

不同礦粉摻量組混凝土180 d養護齡期電阻率變化如圖6所示。從圖中可以看出，試驗組內基本保持隨礦粉摻量增加電阻率增大的規律。與粉煤灰的摻入不同，摻有礦粉的試驗組前期電阻增長率就遠遠高于基準組，且摻有礦粉的試驗組在一開始就獲得了較高的電阻率。在養護3 d時，摻有30%、40%礦粉試驗組的混凝土電阻率就已增加至基準組的2倍，養護7 d時摻有40 %礦粉試驗組電阻率甚至達到了基準組的3倍多。這說明礦粉的加入對混凝土早期電阻率有較大影響。從7 d開始，摻入礦粉的試驗組混凝土電阻率增長速率幾乎同時開始下降，此后，齡期一直保持穩定的增長速率。養護至180 d時，3個試驗組的電阻率均高于基準組，特別地，30%、40%礦粉摻量試驗組的電阻率增長至近580 Ω·m，遠高于基準組數據。礦粉與粉煤灰摻入時混凝土電阻率上的差異主要源于水化機理的不同，礦粉的活性較高，可在更早時間發生二次水化反應，一定程度上增加混凝土的密實度，改變混凝土液相環境。此外，試驗用的礦粉較細，比表面積大，表面活性高，可作為水泥水化的晶核，為其水化生成C-S-H凝膠提供成核位點，從而加快了水泥的水化^[22]。礦粉活性較高，可與Ca（OH）₂持續發生二次水化反應，使混凝土電阻率在養護后期仍保持一定增長率。

2.2 暫態電阻法評價混凝土性能

2.2.1 暫態電阻法評價混凝土強度

根據不同強度等級混凝土試驗數據給出混凝土電阻率和抗壓強度隨齡期的發展規律，如圖7所示。總體上，混凝土強度隨電阻率的增長而增大。從圖中可以看出，雖然混凝土電阻率和強度均隨養護齡期的增長而增加，但二者規律有所不同。差異在于電阻率的增長速率雖有減緩，但始終保持較高水平，而強度在前14 d就達到90 d混凝土強度的80%左右，之后處于緩慢增長狀態。

式（1）擬合結果顯示相關系數只有0.64，這主要是因為影響混凝土電阻率與抗壓強度之間的因素雖有重疊卻不完全一致，導致強度與電阻率的相關性并不高。例如，混凝土的孔隙率對電阻率和抗壓強度均有影響，反映在混凝土早期電阻率和強度均隨著水泥快速水化而增加^[23]。此外，混凝土界面過渡區（ITZ）是影響混凝土強度的主要因素之一，但對混凝土電阻率的影響并不明顯^[24]；混凝土孔溶液的離子組成對電阻率影響較大，但對強度影響并不明顯。此影響因素的差異性導致了混凝土在后期強度增長速率的減緩而電阻率仍保持較高的增長速率。

2.2.2 暫態電阻法與混凝土吸水性能

各組混凝土試樣吸水后質量及電阻率隨時間的變化規律如圖9所示。混凝土試樣吸水前24 h內，電阻率迅速下降，這是因為水泥基材料的電阻率在飽和度較低時更敏感。50 h后，隨著混凝土吸水總量增加，試樣的電阻率逐漸放緩，此階段混凝土吸水后質量增長變緩，混凝土已經處于較高飽水狀態，因此混凝土電阻率變化不大。

通過計算求得曲線上各時間點的斜率得到各時間點混凝土吸水速率。將完全干燥的混凝土和開始吸收水分后濕潤狀態下混凝土的吸水速率與電阻率變化對應關系分別作圖，如圖10所示，可以看到兩種狀態下呈現以下不同規律，其關系如（2）和式（3）所示。

從圖10中可以看出，完全干燥狀態下混凝土的吸水速率與電阻率幾乎呈現線性關系，相關系數達0.85。吸水速率隨著電阻率的增加而減少，這是因為完全干燥的混凝土內部沒有孔溶液，電流無法通過孔溶液導電，此時電阻率僅與混凝土的密實度有關，孔隙率越大的混凝土電阻率越小，吸水性能較強。濕潤狀態下混凝土的吸水速率與電阻率呈指數關系，兩者相關系數接近0.80。

2.2.3 暫態電阻法評價混凝土抗水滲透性

暫態電阻法測試結果與抗水滲透試驗得到的抗滲等級之間關系如圖11所示，可以發現兩者之間存在較強線性關系，可提出兩者的數學關系，如式（4）所示。

從圖11中可以看出兩者相關系數為0.76，具有較高的相關系數。與抗水滲透試驗方法比較，使用暫態電阻法測量混凝土的電阻率以反映混凝土滲透性的方法易于操作且省時，因此具有一定的發展前景。根據混凝土抗滲等級與暫態電阻法測試結果建立關系，并得到用于評價混凝土滲透性的推薦值，如表4所示。

2.2.4 暫態電阻評價混凝土電通量

暫態電阻法測量的結果與電通量之間的關系如圖12所示，從中可以看出，總體上，混凝土電通量隨著混凝土電阻率的增長而減小。通過對比圖12（a）、（b）試驗數據可知，水膠比越大，后期混凝土的電阻率越低，也擁有更大的電通量。此結果是由于水膠比越大，混凝土的孔隙率越大，電流越容易通過混凝土。通過圖12（c）、（d）的對比可以看到，加入礦物摻合料的混凝土電通量發展規律異于普通混凝土，礦粉混凝土的電通量一直處于較低的狀態，加入粉煤灰的試驗組在前28 d齡期電通量測試值較大，而56 d左右時，電通量快速降低到了500 C左右。礦粉和粉煤灰活性及二次水化特性的差異使兩組試樣在各齡期的密實性與基準組混凝土不同^[25]。

以電阻率和電通量兩者的相對值作圖，見圖13，可以發現兩者之間存在明顯的反比例函數關系，可提出兩者的數學關系，如式（5）所示。

從圖13可以看出，各配合比混凝土的電通量和電導率具有較好的相關性，其相關系數高達0.91。由此可見，暫態電阻法能夠準確地反映混凝土氯離子滲透性。根據庫倫量評價混凝土抗氯離子滲透性試驗，建立暫態電阻法用于評價混凝土的抗氯離子滲透性的推薦值^[26]，如表5所示。

2.2.5 混凝土電阻率與氯離子擴散系數的相關性

利用暫態電阻法測試了28、56、90、180 d共4個齡期同批次混凝土的電阻率和氯離子滲透系數，結果如圖14所示。從圖14可以看出，混凝土氯離子擴散系數總體上隨混凝土電阻率的增長而減小。

根據RCM所得的氯離子擴散系數與電阻率建立關系，如圖15所示，可發現兩者間存在明顯的反比例函數關系，通過擬合可提出兩者的數學關系如式（6）所示。

從圖15可以看出，暫態電阻法所測混凝土電阻率與氯離子擴散系數的相關性很高，相關系數達到0.82，說明暫態電阻法測試結果可用于表征混凝土抗氯離子滲透系數。根據文獻[27]提出的氯離子擴散系數標準，建立暫態電阻法用于評價混凝土抗氯離子滲透性的推薦值，如表6所示。

綜合試驗結果可知，暫態電阻法測試結果與現行的抗水滲透性法、電通量法、RCM法的測試結果均具有較好的相關性，說明暫態電阻法可用于混凝土的滲透性能檢測。與傳統的方法相比，暫態電阻法具有快速檢測、無破損等優點，且僅用常規的抗壓強度測試試件就能完成測試，無需特殊的試件處理，測試方法簡單，測試成本低。

3 結論

1）在試驗條件下，結果顯示不同水膠比、礦物摻合料的摻入、測試溫度的改變都對混凝土電阻率有較明顯的影響。其中混凝土飽水度是影響混凝土電阻率的敏感因素。混凝土飽水度從100%降至0的過程中，其電阻率從300 Ω·m上升至2 500 Ω·m左右。

2）混凝土抗壓強度隨電阻率的增長而增加，二者具有一定線性關系，但相關系數不夠高。混凝土吸水性能可分為完全干燥狀態與濕潤狀態。當混凝土濕潤時，兩者呈指數函數關系，相關性接近0.80。

3）在混凝土滲透性表征方面，混凝土電阻率與抗滲等級之間呈線性關系，相關系數為0.76；混凝土的電通量與電阻率呈反比例函數關系，相關系數為0.91；氯離子滲透系數隨著混凝土電阻率的增大而減小，兩者也呈反比例關系，相關系數為0.82。可見，暫態電阻法測試結果與混凝土抗滲性能試驗結果的相關性普遍較高，說明暫態電阻法可以用于表征混凝土滲透性能。

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（編輯??胡玲）