測試方法及試件深度對水泥體視電阻率的影響研究

朱 超，田雯菁，許 真，方易小鎖

(三峽大學 水利與環境學院，湖北 宜昌 443002)

混凝土的導電特性可表征為視電阻率、電導率(為視電阻率的倒數)、介電常數等參數。傳統觀念認為混凝土是電的不良導體，混凝土電導性能的研究十分有限，隨著電法檢測理論和技術的發展，混凝土電導特性的測量方法也逐漸受到人們的關注，以混凝土電導參數表征其性能指標和特征參數已經成為國內外學者的研究熱點[1-3]。混凝土視電阻率作為一個電學參數，反應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，可實現對混凝土養護狀態與效率的評價[5]、水泥凝結時間的檢測[6]、混凝土灌注樁質量情況的檢測[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、可靠性好等優點，在實際工程中得到廣泛應用。

由于混凝土的導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行測量，對比分析兩種測試方法在結果上的差異性。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部預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行測試，外側2個探頭提供交流電壓并測得回路電流值，內側2個探頭測試其間電壓，根據式(2)即可得出試樣視電阻率[13]。

(2)

式中：a為探頭間距,cm；U為內側探頭間電勢差,V；I為外側探頭間電流,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部產生極化現象，供電電源采用110 V交流電，探頭表面涂抹導電石墨后貼附于試件表面上，探頭間距選取5 cm，用電流表測量流經外端兩電極的電流，用電壓表測量內端兩電極的電位差。

3 結果和討論

3.1 測試方法對結果的影響分析

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的視電阻率進行測量，其測量結果如圖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行測量。由于水泥水化反應是一個長期進行的過程，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，水泥水化反應逐漸完成，水泥體視電阻率值趨于平穩，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，電流從外側兩個探頭流入，內側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果的影響，使得二電極法測試結果均高于四電極法。此外，四電極法可以測得的水泥體區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定，故四電極法測量結果更加精確。

圖3 試件a視電阻率測試結果

圖4 試件b視電阻率測試結果

3.2 試件深度對結果的影響分析

采用四電極法對試件b、c和d的視電阻率進行測量，其測量結果如圖5所示。由圖5可以發現，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。可見，當電極距為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確。

圖5 不同深度的試件視電阻率測試結果

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，孔隙內的水分逐漸消耗，水泥體導電特性發生變化，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，這是由于環境因素(溫度和濕度)對測試結果有一定影響。

4 結 論

(1)對水泥體試件的視電阻率進行測試時，二電極法測量結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果的影響，且四電極法所測結果相對更加穩定。

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