混凝土表面電阻率影響因素試驗研究

牛維宏，徐清，張凱，馬忍，彭東航

（昆明理工大學 建筑工程學院，云南 昆明 650504）

0 引言

混凝土表面電阻率是一個電學參數，其反映了每單位長度混凝土阻擋電流的能力，屬于混凝土表層性能，表示為混凝土表層1～5 cm 電阻率的情況。實際工程中，可以通過對混凝土電阻率進行分析，來評判混凝土材料的多種性能。有研究表明，通過電阻率可表征混凝土抗碳化和抗氯鹽侵蝕能力[1]；還可準確找出混凝土裂縫位置，并判斷其裂縫深度和密實度[2]；此外，可以通過對混凝土電阻率進行分析，來預測混凝土的強度[3]。

混凝土導電效應是由孔隙溶液中液相離子的活性以及離子的遷移來決定的，混凝土表面電阻率與混凝土的孔隙數量，微孔尺寸及孔連通程度有關[4]。因此，表面電阻率受多種因素的影響，如原材料、強度等級、服役環(huán)境等。有研究表明[5]，混凝土中加入礦物摻合料，能夠細化混凝土內部孔結構，降低孔隙溶液離子濃度，進而提高混凝土密實度，使混凝土電阻率增大。Ehtesham 和Rasheeduzzafar[6]采用粉煤灰定量取代水泥，研究混凝土電阻率的變化，結果表明，在混凝土中摻入適量粉煤灰后，混凝土的內部孔結構得到細化，電阻率較未摻粉煤灰時有所提高。趙卓等[7]研究了機制砂用量與摻合料摻量對混凝土電阻率的影響，結果表明，同時提高機制砂用量與摻合料摻量時，混凝土的電阻率呈上升趨勢。張賀等[8]研究了水膠比對混凝土電通量的影響規(guī)律，結果表明，混凝土電通量隨著水膠比的增大而逐漸變大。此外，混凝土表面電阻率在不同服役環(huán)境下也有較大差別。劉志勇和詹鎮(zhèn)峰[1]研究了混凝土電阻率在不同溫度下的變化情況，結果表明，隨著溫度的升高，混凝土的電阻率顯著降低。李美利等[9]研究了混凝土表面電阻率在不同養(yǎng)護方式下的變化規(guī)律，結果表明，養(yǎng)護相對濕度越大，混凝土電阻率變化范圍越小。蔣建華和王強強[10]研究了混凝土電阻率與內部孔隙水飽和度的關系，結果表明，混凝土電阻率隨著其內部孔隙水飽和度的增大而減小。

混凝土電阻率作為混凝土阻擋電流能力的電學特性參數，利用混凝土表面電阻率來表征混凝土特性已經成為現階段一個熱門的研究課題。本文通過改變細骨料種類、粉煤灰及礦渣粉摻量、混凝土水灰比、環(huán)境溫度以及養(yǎng)護方式等因素，通過測試不同養(yǎng)護齡期混凝土表面電阻率的變化，研究各因素對混凝土表面電阻率的影響規(guī)律。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：P·O42.5 水泥，主要物理力學性能見表1；粉煤灰（FA）：Ⅱ級，主要技術性能見表2；礦渣粉（GGBS）：云南嘉華提供的磨細高爐礦渣粉，主要技術性能見表3；細骨料：云南本地山砂、機制砂、河砂及混合砂（山砂與機制砂按4∶6 的質量比混合），主要技術性能見表4；粗骨料：5～20 mm 連續(xù)級配天然碎石，主要技術性能見表5；試驗用水：自來水。

表1 水泥的主要物理力學性能

表2 粉煤灰的主要技術性能

表3 礦渣粉的主要技術性能

表4 細骨料的主要技術性能

表5 粗骨料的主要技術性能

1.2 表面電阻率測試方法

混凝土試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，采用電阻率測試儀對試件表面電阻率進行測試，表面電阻儀測試原理如圖1所示。測試時，將電阻測試儀wenner 探頭沿混凝土4 個側面（除了澆筑面及澆筑面對立面）的對角線進行測量，每個面量取對角線2 個電阻率數據，將平均偏差超過±15%的數據舍棄，取剩余測試數據的平均值為代表值。

圖1 表面電阻儀測試原理

2 試驗結果及分析

2.1 細骨料種類對混凝土表面電阻率的影響

試驗以C30 混凝土為基準，選用水泥作為膠凝材料，水膠比為0.5，采用山砂、機砂、河砂、混合砂4種不同類型細骨料，分別配制并成型混凝土試件，配合比如表6所示。

表6 不同細骨料種類混凝土配合比

將成型完畢的試件帶模放置于標準養(yǎng)護室[溫度（20±2）℃，相對濕度≥95%]養(yǎng)護，24 h 后拆模（記齡期為1 d），之后將試件于標準養(yǎng)護環(huán)境養(yǎng)護至28 d。試件養(yǎng)護期間，對不同齡期混凝土表面電阻率進行測試，結果如圖2所示。

圖2 細骨料種類對混凝土表面電阻率的影響

由圖2 可見：在相同養(yǎng)護方式下，不同種類細骨料混凝土表面電阻率隨齡期的延長變化規(guī)律一致，在7 d 齡期之前混凝土表面電阻率均增長幅度較大，7 d 齡期后增長幅度減緩并趨于穩(wěn)定；相同齡期時，細骨料種類的改變對混凝土表面電阻率基本無影響。分析原因，28 d 齡期后不同細骨料的混凝土表面電阻率最大值僅為最小值的1.056 倍，骨料在混凝土中不具有導電效應，且不參與水化反應，但由于骨料具有一定的吸水性，會在骨料表面形成一層水膜。此外，骨料在混凝土中起骨架作用，骨料之間相互連接，膠凝材料的填充作用使得混凝土中起到導電作用的移動導電通道堵塞，使得混凝土的導電性降低。試驗改變細骨料的種類，但摻量不變，混凝土內部骨料連接結構相差較小，使得不同種類細骨料混凝土在相同齡期時表面電阻率相差不大。

2.2 粉煤灰和礦渣粉摻量對混凝土表面電阻率的影響

試驗選用水泥、粉煤灰和礦渣粉作為膠凝材料，混合砂作為細骨料，混凝土配合比（kg/m3）為：m（膠凝材料）∶m（水）∶m（混合砂）∶m（粗骨料）=390∶195∶839∶1026，分別采用粉煤灰、礦渣粉等質量取代水泥，摻量分別為0、10%、20%、30%，配制并成型混凝土試件，將試件帶模放置于標準養(yǎng)護室養(yǎng)護，24 h后拆模（記齡期為1 d），之后將試件于標準養(yǎng)護環(huán)境養(yǎng)護至28 d。試件養(yǎng)護期間，對不同齡期混凝土的表面電阻率進行測試，結果如圖3 與圖4所示。

圖3 粉煤灰摻量對混凝土表面電阻率的影響

圖4 礦渣粉摻量對混凝土表面電阻率的影響

由圖3、圖4 可見：

（1）在相同養(yǎng)護方式下，隨粉煤灰、礦渣粉摻量從0 增大到30%，混凝土的表面電阻率隨齡期的延長變化規(guī)律均一致。7 d 前表面電阻率增長較快，7 d 后增長幅度變緩。

（2）在養(yǎng)護齡期達到7 d 后，相同齡期下，隨著礦渣粉、粉煤灰摻量的增加，混凝土表面電阻率稍有增大。28 d 齡期時，粉煤灰摻量分別為10%、20%、30%的混凝土表面電阻率較基準組分別增大了6.8%、12.3%、13.7%；礦渣粉摻量分別為10%、20%、30%的混凝土表面電阻率較基準組分別增大了6.8%、15.1%、17.8%。由于混凝土中摻入粉煤灰及礦渣粉可以改善混凝土的工作性，使其流動性與密實度增大，降低混凝土的孔隙率[11]；此外，粉煤灰與礦渣粉在水泥的水化產物Ca（OH）2的激發(fā)下，反應生成C-S-H 凝膠，C-S-H 凝膠填充硬化水泥漿體中的孔隙，使混凝土的孔隙率降低。礦物摻合料的摻入細化了混凝土內部的孔結構，堵塞了混凝土內部的導電通路，使得導電性能降低[12]，表面電阻率增大。

2.3 水灰比對混凝土表面電阻率的影響

試驗選用水泥作為膠凝材料，混合砂作為細骨料，改變水灰比分別為0.3、0.4、0.5、0.6，分別配制混凝土并成型試件，配合比如表7所示。

表7 不同水灰比混凝土的配合比

將成型完畢的試件帶模放置于標準養(yǎng)護室養(yǎng)護，24 h 后拆模（記齡期為1 d），之后將試件于標準養(yǎng)護環(huán)境養(yǎng)護至28 d。試件養(yǎng)護期間，對不同齡期混凝土表面電阻率進行測試，結果如圖5所示。

圖5 水灰比對混凝土表面電阻率的影響

由圖5 可見：（1）在相同養(yǎng)護方式下，水灰比為0.3～0.6時，隨齡期的延長，試件表面電阻率變化規(guī)律一致。（2）在相同齡期時，水灰比越大，試件表面電阻率越小，且水灰比的改變對試件的表面電阻率有較大影響。28 d 齡期時，水灰比為0.6 的混凝土表面電阻率較0.3 時下降了37.5%。這是由于表面電阻率受混凝土內部孔隙結構影響較大，而水灰比的改變對孔隙結構有很大影響。養(yǎng)護條件相同時，隨著水灰比的增大，混凝土內部孔隙量也明顯增大[13]，混凝土的孔隙率越大，其密實度越差，混凝土的表面電阻率越小。此外，混凝土內部的游離態(tài)離子量也受水灰比的影響[12]。當混凝土中水泥用量相同時，其內部的游離態(tài)離子量隨著水灰比的增大而增大，進而使得混凝土的導電性增強，表面電阻率減小。

2.4 環(huán)境溫度對混凝土表面電阻率的影響

試驗以C30 混凝土為基準，選用水泥作為膠凝材料，混合砂作為細骨料，混凝土配合比（kg/m3）為：m（水泥）∶m（水）∶m（混合砂）∶m（粗骨料）=390∶195∶839∶1026，配制并成型混凝土試件，將試件帶模放置于標準養(yǎng)護室養(yǎng)護，24 h 后拆模（記齡期為1 d），將試件持續(xù)標準養(yǎng)護28 d 后，將其放置在50 ℃烘箱中進行升溫處理，采用表面電阻測試儀每10 min 對混凝土試件表面電阻率進行測試并記錄，當溫度達到50 ℃時停止試驗，結果如圖6所示。

圖6 環(huán)境溫度對混凝土表面電阻率的影響

由圖6 可見：隨環(huán)境溫度的升高，混凝土的表面電阻率減小，且環(huán)境溫度的改變對表面電阻率影響較大。環(huán)境溫度由10 ℃升至50 ℃時，混凝土表面電阻率下降了18.9%。混凝土表面電阻率受環(huán)境溫度影響主要是由于混凝土的孔隙溶液黏度和混凝土液相中的離子活性[14]。隨著表層混凝土所接觸的環(huán)境溫度升高，孔隙溶液中的導電離子活性增大，從而提高混凝土的導電性，使得試件表面電阻率降低。

2.5 養(yǎng)護方式對混凝土表面電阻率的影響

試驗以C30 混凝土為基準，混凝土配合比（kg/m3）為：m（水泥）∶m（水）∶m（混合砂）∶m（粗骨料）=390∶195∶839∶1026，配制并成型混凝土試件，將成型完畢的試件帶模放置標準養(yǎng)護室養(yǎng)護，24 h 后拆模（記齡期為1 d），之后將試件分別置于表8所示5種不同養(yǎng)護環(huán)境下養(yǎng)護至28 d 齡期，養(yǎng)護期間對不同齡期的混凝土表面電阻率進行測試，結果如圖7所示。

由圖7 可見，28 d 灑水蓋膜養(yǎng)護及標準養(yǎng)護下，隨養(yǎng)護齡期延長，混凝土試件表面電阻率變化幅度較為平緩且變化規(guī)律一致。7 d、14 d 灑水養(yǎng)護以及干燥養(yǎng)護方式下，隨養(yǎng)護齡期延長，混凝土試件表面電阻率的變化幅度較大。28 d 齡期時，自然干燥養(yǎng)護下的混凝土表面電阻率是標準養(yǎng)護下的混凝土表面電阻率的3.66 倍，養(yǎng)護方式的改變對試件的表面電阻率有較大影響。這是因為混凝土表面電阻率對表層混凝土濕度的變化極為敏感[9]，當試件處于標準養(yǎng)護或28 d 灑水蓋膜養(yǎng)護的條件時，表層區(qū)域混凝土所接觸的環(huán)境潮濕度較高，環(huán)境濕度越大，表層混凝土孔隙的飽水率就越高[14]，因此隨齡期延長混凝土表面電阻率變化幅度小且較為平緩。自然干燥養(yǎng)護下的試件，干燥環(huán)境使試件表層水分喪失較快，且水泥水化消耗部分水，使得水分喪失較多，導致混凝土表面電阻率變化幅度最大。當試件處于短期持續(xù)灑水養(yǎng)護下時，初期混凝土由于水化反應與蒸發(fā)失水使表層自由水減少，但通過灑水對水分進行了補充，灑水使得混凝土表面濕度增大，表面電阻率較小。一旦停止灑水，處于自然干燥環(huán)境中時，表層水分因水化作用和蒸發(fā)[15]，喪失較快又得不到及時補充，則混凝土表面電阻率增長幅度顯著加大。

表8 混凝土試件的養(yǎng)護方式

3 結論

（1）在相同齡期、相同養(yǎng)護方式下，細骨料種類對表面電阻率基本無影響；粉煤灰與礦渣粉摻量對表面電阻率雖有影響，但影響程度較小。

（2）在相同齡期、相同養(yǎng)護方式下，水灰比、環(huán)境溫度對表面電阻率影響較大。

（3）濕養(yǎng)護和干燥養(yǎng)護方式下，混凝土電阻率隨齡期的變化規(guī)律不同，養(yǎng)護方式對表面電阻率影響較大。