混凝土電阻率與氯離子擴(kuò)散系數(shù)間的相關(guān)性試驗(yàn)

趙 卓，曾 力，王東煒

(鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州450001)

0 引言

混凝土的電阻率和氯離子擴(kuò)散系數(shù)是混凝土耐久性能的兩個(gè)重要指標(biāo).目前，針對(duì)電阻率和氯離子擴(kuò)散系數(shù)的研究較多集中于原材料組成對(duì)指標(biāo)的影響［1-4］、試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)［5-6］、耐久性評(píng)價(jià)［7-8］、養(yǎng)護(hù)效果評(píng)價(jià)或養(yǎng)護(hù)的影響［9-10］等方面，而針對(duì)兩個(gè)指標(biāo)間相關(guān)關(guān)系的研究則相對(duì)較少［11］，且其研究未考慮礦物摻和料的影響.

開(kāi)展礦物摻合料混凝土的電阻率測(cè)定、抗氯離子滲透和立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，以分析研究不同強(qiáng)度等級(jí)和不同齡期條件下，電阻率和氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨齡期的變化規(guī)律，分析建立礦物摻和料混凝土的電阻率和氯離子擴(kuò)散系數(shù)間的相關(guān)定量關(guān)系.

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥:天瑞集團(tuán)鄭州水泥股份有限公司生產(chǎn)的P.O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，比表面積367 m2/kg;細(xì)骨料:焦作產(chǎn)天然中砂，細(xì)度模數(shù)2.9，表觀密度2 691 kg/m3;人工機(jī)制砂:細(xì)度模數(shù)2.8，表觀密度2 680 kg/m3，石粉含量12%;粗骨料:新密產(chǎn)粒徑5～25 mm連續(xù)級(jí)配碎石和米石，表觀密度2 708 kg/m3;粉煤灰:洛陽(yáng)首龍粉煤灰廠生產(chǎn)的F類(lèi)Ⅱ級(jí)粉煤灰，細(xì)度18%;礦渣粉:焦作市丹陽(yáng)水泥有限公司生產(chǎn)的S 95級(jí)磨細(xì)礦渣粉，比表面積409 m2/kg;外加劑:河南新星建材有限公司生產(chǎn)的脂肪族系高效減水劑，減水率18%;水:自來(lái)水.

1.2 混凝土配合比

依據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》［12］，各強(qiáng)度等級(jí)混凝土的配合比材料如表1所示.

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

每強(qiáng)度等級(jí)所需試件組數(shù)及試驗(yàn)檢測(cè)內(nèi)容如表2所示.

表1 混凝土配合比Tab.1 Mix proportion of concrete kg·m-3

(1)混凝土電阻率的測(cè)試采用基于Wenner法［13］的4電極電阻率測(cè)定儀，其工作原理如圖1所示.

圖1 混凝土電阻率檢測(cè)Fig.1 Measurement of concrete resistivity

混凝土電阻率ρ可通過(guò)式(1)得出.

式中:V為探頭間電位差;I為探頭間通過(guò)的可變電流;a為探頭間距.

(2)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［14］測(cè)試.

(3)混凝土抗氯離子滲透試驗(yàn)按照《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐技術(shù)規(guī)范》［15］采用 RCM法測(cè)試.

2 分析與討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

不同強(qiáng)度等級(jí)和齡期混凝土的電阻率、立方體抗壓強(qiáng)度、氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果如表3所示.

表2 混凝土試驗(yàn)項(xiàng)目及檢測(cè)內(nèi)容Tab.2 Test content of concrete

表3 混凝土試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test resoults of concrete

2.2 電阻率隨齡期的變化

電阻率隨齡期的變化曲線，如圖2所示.由圖2可知，不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的電阻率均隨齡期的增長(zhǎng)而增加.由于混凝土可以看作是固相和液相兩相組成的復(fù)合材料，液相是由不同離子組成的導(dǎo)電相，而固相則可以看成是非導(dǎo)電相.隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，混凝土內(nèi)部不斷致密，孔隙率越來(lái)越小，充滿液相的導(dǎo)電空間越來(lái)越少，所以導(dǎo)電能力隨時(shí)間而下降，即電阻率曲線隨齡期而上升.

分析可知，在整個(gè)齡期變化過(guò)程中，C40混凝土的電阻率基本均大于C50混凝土的電阻率.這是由于C50混凝土為單摻，僅摻加礦渣粉而未摻加粉煤灰，C40混凝土則采用粉煤灰和礦渣粉雙摻.混凝土電阻率的測(cè)定結(jié)果表明礦物摻和料的雙摻在提高混凝土電阻率方面的效果優(yōu)于單摻，且在后期體現(xiàn)的更加明顯，這與粉煤灰的火山灰效應(yīng)有關(guān).隨齡期的增長(zhǎng)，粉煤灰與Ca(OH)2二次反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，反應(yīng)產(chǎn)物填充孔隙或堵塞貫通的毛細(xì)孔通道，使水泥粉煤灰漿體的孔徑細(xì)化、孔隙曲折度增加、連通的孔隙減少，改善了混凝土的孔結(jié)構(gòu)和漿體-集料界面區(qū)的微觀結(jié)構(gòu).

圖2 電阻率的時(shí)變曲線Fig.2 Tim e-varying curve of concrete resistivity

2.3 氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨齡期的變化

氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨齡期的變化曲線如圖3所示.

圖3 氯離子擴(kuò)散系數(shù)時(shí)變曲線Fig.3 Time-varying curve of chloride diffusion coefficient

由圖3可知，不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)均隨齡期的增長(zhǎng)而下降.84 d齡期時(shí)，C50混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)大于C40混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，說(shuō)明礦物摻和料的雙摻效果在提高混凝土的抗?jié)B性能方面優(yōu)于單摻，且在后期發(fā)展中體現(xiàn)的更加明顯.礦物摻和料的復(fù)摻，提高了混凝土的抗?jié)B性能，也即提高了混凝土阻礙氯離子滲透擴(kuò)散的能力.另外，粉煤灰的物理吸附和二次水化產(chǎn)物的物理化學(xué)吸附固化，也有助于降低氯離子在混凝土中的滲透深度.

2.4 電阻率與氯離子擴(kuò)散系數(shù)間的相關(guān)關(guān)系

對(duì)于多孔類(lèi)材料如混凝土，可采用能斯特-愛(ài)因斯坦方程來(lái)反映氯離子擴(kuò)散系數(shù)與材料電阻率之間的關(guān)系［16］如式(2)所示.

式中:Di為離子i的擴(kuò)散系數(shù);R為氣體常數(shù);T為絕對(duì)溫度;Z為離子化合價(jià);F為法拉第常數(shù);ti為離子i的遷移數(shù);γi為離子i的活度系數(shù);ci為離子i的在孔隙水中的濃度;ρ為材料電阻率.

對(duì)于在一定溫度和濕度條件下的特定混凝土，式(2)可簡(jiǎn)化為［17］

式中:D為氯離子擴(kuò)散系數(shù);k為常量;ρ為混凝土電阻率.

綜合考慮不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土28 d、56 d和84 d的電阻率與氯離子擴(kuò)散系數(shù)，可得混凝土電阻率與氯離子擴(kuò)散系數(shù)間的回歸關(guān)系如圖4所示.混凝土電導(dǎo)率(即電阻率的倒數(shù))與氯離子擴(kuò)散系數(shù)間的相關(guān)關(guān)系如圖5所示.

由圖4和圖5可知，氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨電阻率的增大而下降，并呈良好的倒數(shù)回歸關(guān)系.氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨電導(dǎo)率的增加而增加，并呈良好的線性相關(guān)關(guān)系.

與氯離子擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)試相比，混凝土電阻率的測(cè)試是無(wú)損試驗(yàn)，所以在施工過(guò)程中，可采用預(yù)先確定的基于實(shí)際混凝土類(lèi)型的電阻率與氯離子擴(kuò)散系數(shù)間的相關(guān)關(guān)系標(biāo)定曲線，通過(guò)定期測(cè)試混凝土的電阻率，來(lái)間接反映混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，并進(jìn)一步確定混凝土的抗?jié)B性能.

3 結(jié)論

(1)混凝土電阻率隨齡期的增長(zhǎng)而增加，氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨齡期的增長(zhǎng)而下降.在提高混凝土電化學(xué)性能和抗?jié)B性能方面，礦物摻合料的雙摻效果優(yōu)于單摻.

(2)氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨電阻率的增大而下降，并呈良好的倒數(shù)回歸關(guān)系，符合能斯特-愛(ài)因斯坦方程.氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨電導(dǎo)率的增加而增加，并呈良好的線性相關(guān)關(guān)系.

(3)在實(shí)際工程中，可依據(jù)兩者間的回歸關(guān)系直接測(cè)定混凝土電阻率來(lái)反映氯離子擴(kuò)散系數(shù)，為現(xiàn)場(chǎng)評(píng)定混凝土的耐久性提供了參考依據(jù).

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