CN101576587B - 一种混凝土电阻率测量方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混凝土电阻率测量方法及装置，测量方法包括以下步骤：a.将待测混凝土两端各设置一个电极；b.在上述两个电极间施加某一恒定值的直流电流，测量所述电极之间的电位，记为通电电位；c.断开施加于所述电极的直流电流，并在足够短的时间内测量所述电极间的电位，记为断电电位；d.改变所施加的恒定值的直流电流的数值，重复操作步骤b和步骤c 0～50次；e.根据上述步骤测出的通电电位和断电电位计算混凝土电阻率。本测量方法及装置在不用破坏待测混凝土表面结构的情况下直接测量混凝土电阻率，测量结果稳定，且测量方法快速准确、测量仪器操作简便。
Description
技术领域
本发明涉及一种电阻率测量方法及其使用的测量装置，特别涉及一种混凝土电阻率测量方法及其装置。
背景技术
硬化混凝土的导电性能是混凝土孔隙液中离子流动时发生的电解过程，电阻率的大小取决于混凝土中氯化物的含量，取决于混凝土中孔结构中的含水率和温度等因素。
(1)氯化物。混凝土中的氯化物无论是先天带入还是后天渗入都将严重影响混凝土的电阻率。氯化物含量高，混凝土电阻率就低，氯化物含量低，混凝土电阻率就高。
(2)混凝土中孔结构中的含水率对电阻率的影响也相当大。混凝土在完全干燥时几乎是不导电的，电阻率可达约1011Ω.cm，在潮湿时大约为103Ω.cm，在饱水的时候可降低到5～102Ω.cm。含水率对混凝土电阻率的影响与混凝土的密实度有很大关系。密实度包括混凝土中孔隙率比、孔结构、孔径分布等，与混凝土在浇筑成型时的水灰比、掺合料种类及用量、胶凝材料用料、水化程度等因素有关。混凝土密实度小，孔隙多而又相互贯通，导电离子较易流动，混凝土电阻率就低。
(3)温度升高一方面提高了混凝土中离子的活性，使得混凝土电阻率下降；另一方面混凝土温度升高会加大混凝土中水分的蒸发，降低了混凝土的含水率，使得混凝土电阻率增大。一般来说含水率对混凝土电阻率的影响更大，因此随着温度升高混凝土电阻率往往是增大的。
混凝土中钢筋的腐蚀是电化学过程，在钢筋腐蚀发展期钢筋腐蚀的质量损失与腐蚀电流值成正比。室内与现场研究已证实：当混凝土含水率在40％～70％之间，即电阻率约在5～100kΩ.cm之间时，混凝土电阻率与钢筋腐蚀速度之间成反比关系。在非饱水或接近非饱水状态下混凝土电阻率越小，钢筋腐蚀速度越快，电阻率越大，钢筋腐蚀越轻微。在钢筋腐蚀速度与混凝土电阻率的反比关系中，不同的水泥品种、保护层厚度以及混凝土含盐量等参数有不同的影响，并且具有复杂的相关性。
在国家标准《GB/T50344-2004建筑结构检测技术标准》的附录D“混凝土中钢筋锈蚀状况的检测”中，混凝土电阻率与钢筋锈蚀状态判别见表1。
表1混凝土电阻率与钢筋锈蚀状态判别
| 混凝土电阻率 | 钢筋锈蚀状态判别 | |
| 1 | ＞100kΩ.cm | 钢筋不会锈蚀 |
| 2 | 50～100kΩ.cm | 低锈蚀速率 |
| 3 | 10～50kΩ.cm | 钢筋活化时，可出现中高锈蚀速率 |
| 4 | ＜10kΩ.cm | 电阻率不是锈蚀的控制因素 |
钢筋混凝土实施阴极保护时，混凝土电阻率是最为需要掌握的参数，阴极保护系统中几乎所有设备和参数的确定都受到电阻率的影响。
(1)保护电位和保护电流密度。钢筋混凝土保护电位的确定一般是基于钢筋的自腐蚀电位，钢筋所需要的保护电流度也与混凝土的电阻率有关。
(2)阳极。在进行阳极设计时，要计算阳极的规格、型号、数量和阳极的使用寿命。阳极的发射电阻取决于阳极周围混凝土的电阻率。混凝土电阻率高，阳极发射电阻大，阳极在一定电压下发出的电流就小，阳极的保护半径也小。阳极间距缩小，阳极的数量就会增加，此外，混凝土电阻率大，整流器输出的电压高。
(3)电源设备和电缆。电源设备输出电压的高低一方面取决于阳极的发射电阻，另一方面就取决于阳极到被保护钢筋间的电阻，也就是取决于混凝土的电阻率。混凝土电阻率越高，阳极高钢筋之间的电阻大，就要求电源的输出电压高，容量大，所需要的电缆直径也大。
现有技术中，对混凝土电阻率测量，主要有以下几种方法：
(1)四电极法，原理是交流电技术，这种方法在土壤电阻率测量时应用广泛，但是由于在测量过程中四个电极头要插入混凝土中，所以测试前需要在混凝土表面打4个能插入四个电极头的小孔(适宜的孔深与测量精度有密切的关系)，如果不打也可以测量，但是测量精度会受到明显影响。所以该方法在混凝土电阻率测量方面的应用受到限制而在土壤中应用广泛。(2)两电极法，是四电极法的简化，原理也是交流电技术、测试前也需要打孔；由于测量精度比四电极法差，所以现在市场上没有产品销售。
(3)单电极法，原理是直流电技术，但只有一个电极，由于混凝土中的钢筋充当了另一个测试电极，所以没有钢筋的混凝土便无法测试，另外虽然不用在混凝土表面打孔，但是需要混凝土中的钢筋外露才能构成测量电回路。这种方法精度最差，所以通常只是定性的实验测量方法之一，而不能成为商品化产品。
现有技术中，《无损检侧混凝土层厚度的电测方法》用的是低频交流电技术；《基于阻抗成像的混凝上损伤检测方法与设备》和《基于阻抗成像的混凝上损伤检测设备》，阻抗是交流阻抗的简称，直流没有阻抗，所以用的也是交流电技术；《濒海地区混凝土钢筋锈蚀状况的电化学测试方法》中，测量混凝土电阻率的方法没有明确记载，只是记载了“混凝土电阻率测试方便”，并表明测钢筋腐蚀电位用的是美国ASTM标准中的方法，只是把参比电极由ASTM标准中的硫酸铜参比电极换成了氯化银参比电极，实际上两者之间可以换算，评价方法也是通过ASTM标准换算过来的，其线性极化技术测量混凝土中钢筋的腐蚀电流密度也是教科书中标准方法。
发明内容
本发明提供了一种混凝土电阻率测量方法及装置，采用直流电技术的双电极法测量混凝土电阻率，不用破坏待测混凝土的表面结构，待测混凝土中没有钢筋也能测量其电阻率，本发明混凝土电阻率测量方法测量精度高，测量结果稳定，且测量方法快速准确、测量仪器操作简便。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种混凝土电阻率测量方法，所述方法包括以下步骤：
将待测混凝土两端各设置一个电极；
在上述两个电极间施加直流电，测量所述电极间的电位，记为通电电位；
断开施加于所述电极的直流电，并在极短的时间内测量所述电极间的电位，记为断电电位；
直接进行步骤e，或者重复操作步骤b和步骤c1～50次；
根据步骤d测出的通电电位和断电电位计算混凝土电阻率。
所述步骤a中，所述电极可以设置固定接触面，所述电极通过给定夹具将其固定接触面固定于待测混凝土的两端；所述步骤c中，所述极短的时间优选为10～160毫秒。
所述步骤c中，所述极短的时间优选为40～120毫秒；所述步骤d中，可以重复操作步骤b和步骤c5～30次。
所述步骤e可以进一步包括以下步骤：所述电极设置固定接触面，根据步骤d测出的通电电位和断电电位，以及两个电极固定接触面之间的距离和电极固定接触面的面积，通过数据的直线拟合计算出混凝土的电阻率。
所述方法可以进一步包括以下步骤：
a.将待测混凝土两端各设置一个电极，所述电极设置固定接触面，所述电极通过给定夹具将其固定接触面固定于待测混凝土的两端；
b.在上述两个电极间施加直流电，其电流值为i，测量所述电极的固定接触面间的电位，记为通电电位Eon，所述通电电位Eon由两部分组成：
混凝土的电阻R由于电流i通过而产生的电压E1；
当电流i通过时，电极的固定接触面由于本身性质而反应出来的电位反馈E2；
且有，Eon＝E1+E2 公式1；
c.断开施加于所述电极的直流电，并在极短的时间内测量所述电极间的电位，记为断电电位Eoff；由于在断电后极短的时间内测量两个电极接触面之间的电位，因此有E1＝0，Eoff＝E2；
将Eoff＝E2带入公式1，得到E1＝Eon-Eoff；
d.直接进行步骤e，或者重复操作步骤b和步骤c1～50次；
e.根据公式R＝E1/i计算每次重复操作步骤b和步骤c测得的混凝土电阻R；
根据两个电极固定接触面之间的距离和电极固定接触面的面积计算出每次重复操作步骤b和步骤c测得的混凝土电阻率，通过数据的直线拟合，计算出最终的混凝土电阻率。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种混凝土电阻率测量装置，包括两个电极、给定夹具、传感元件、控制元件和运算元件。
所述电极设置固定接触面，测量时，所述电极通过给定夹具将其固定接触面固定于待测混凝土的两端，并将测量结果通过传感元件传送到运算元件。
所述控制元件可以与传感元件和运算元件相连，用于：
通过传感元件在所述两个电极间施加直流电，测量所述电极间的电位，记为通电电位；
通过传感元件断开施加于所述电极的直流电，并在极短的时间内测量所述电极间的电位，记为断电电位；
重复上述两个操作步骤0～50次。
所述运算元件用于：根据传感元件传送的通电电位和断电电位计算混凝土电阻率。
所述装置可以进一步设有输出元件，用于将运算元件计算出的混凝土电阻率输出到客户端。
所述足够短的时间优选为：50毫秒、60毫秒、80毫秒、或100毫秒。
所述所述步骤d中，可以重复操作步骤b和步骤c 10～20次。
所述电极可以设置有固定接触面，电极接触面通过接触海绵与待测的混凝土面接触。
所述给定夹具上可以设置有滑杆和固定螺钉，所述两个电极之间间距通过滑杆和固定螺钉调节和固定。
所述装置可以进一步设有输入元件，所述输入元件与运算元件相连，用于输入两个电极之间的距离。
所述装置可以进一步设有输入元件，所述输入元件与运算元件和控制元件相连，用于输入两个电极与待测混凝土的接触面积。
本发明混凝土电阻率测量方法及装置是在单电极测量方法及装置的基础上改进的产品，与上述方法及装置相比，不同于四电极法和两电极法，因为本发明方法采用的是直流电测量技术。本发明方法也不同于单电极法，因为本发明设有两个电极，不用破坏待测混凝土表面结构直接测量混凝土电阻率，混凝土中没有钢筋也能测量。本发明混凝土电阻率测量方法测量精度高，测量结果稳定，且测量方法快速准确、测量仪器操作简便。
附图说明
图1为本发明实施例所述混凝土电阻率测量方法流程图；
图2为本发明一实施例所述混凝土电阻率测量装置结构示意图；
图3为本发明另一实施例所述混凝土电阻率测量装置结构示意图；
图4为本发明一实施例所述混凝土电阻率测量方法测得的数据图；
图5为本发明另一实施例所述混凝土电阻率测量方法测得的数据图。
具体实施方式
如图1所示，为本发明实施例所述混凝土电阻率测量方法流程图。测量方法包括以下步骤：
a.将待测混凝土两端各设置一个电极；
b.在上述两个电极间施加直流电流，测量所述电极之间的电位，记为通电电位；
c.断开施加于所述电极的直流电，并在足够短的时间内测量所述电极间的电位，记为断电电位；
d.可以重复操作步骤b和步骤c多次，例如1～50次；也可以直接进行步骤e；
e.根据前述步骤测出的通电电位和断电电位计算混凝土电阻率。
所述步骤a中，所述电极可以设置固定接触面，所述电极通过给定夹具将其固定接触面固定于待测混凝土的两端；所述步骤c中，所述足够短的时间优选为100毫秒以内。
所述步骤c中，所述足够短的时间优选为100毫秒以内；所述步骤d中，可以重复操作步骤b和步骤多次，例如1～50次。
所述步骤e可以进一步包括以下步骤：所述电极设置固定接触面，根据步骤d测出的通电电位和断电电位，以及两个电极固定接触面之间的距离和电极固定接触面的面积，通过数据的直线拟合计算出混凝土的电阻率。
或者：
a.将待测混凝土两端各设置一个电极，所述电极设置固定接触面，所述电极通过给定夹具将其固定接触面固定于待测混凝土的两端；
b.在上述两个电极间施加直流电流，其电流值为i，测量所述电极的固定接触面间的电位，记为通电电位Eon，所述通电电位Eon由两部分组成：
混凝土的电阻R由于电流i通过而产生的电压E1；
当电流i通过时，电极的固定接触面由于本身性质而反应出来的电位反馈E2；
且有，Eon＝E1+E2 公式1；
c.断开施加于所述电极的直流电，并在足够短的时间内测量所述电极间的电位，记为断电电位Eoff；由于在断电后足够短的时间内测量两个电极接触面之间的电位，因此有E1＝0，Eoff＝E2；
将Eoff＝E2带入公式1，得到E1＝Eon-Eoff；
d.重复操作步骤b和步骤c多次；
e.根据公式R＝E1/i计算每次重复操作步骤b和步骤c测得的混凝土电阻R；
根据两个电极固定接触面之间的距离和电极固定接触面的面积计算出每次重复操作步骤b和步骤c测得的混凝土电阻率，通过数据的直线拟合，计算出最终的混凝土电阻率。
如图2、图3所示，分别为两种本发明实施例所述混凝土电阻率测量装置结构示意图。图中各个部件分别为：1固定螺钉；2滑杆；3电极接触面a；4电极接触面b；5传感器连接线接口a；6传感器连接线接口b；7湿润的海绵a；8湿润的海绵b；9待测的混凝土试块；10固定重量物品。
测量时，通过仪器给定夹具的两个电极接触面(图2、3中电极接触面接触湿水的海绵，也可以为其它吸湿物，海绵的另一侧接触混凝土试样，在水结冰的环境中测试，可以用乙醇或者乙醇溶液)施加一个电流值i，这时可以测量到两个电极接触面之间的电位Eon，称为“通电电位”，这个通电电位Eon由两部分组成：
(1)混凝土的电阻R由于有电流i通过而产生的电压E1；
(2)当有电流i通过时，电极接触面由于本身性质而反应出来的电位反馈E2。
因此，Eon＝E1+E2(公式1)
紧接着，在施加电流i测量电位Eon的过程中，仪器控制外加电流变为0，同时在足够短的时间内(最好100毫秒以内，例如10毫秒，20毫秒，30毫秒，40毫秒，60毫秒，80毫秒，100毫秒。也可以为120毫秒，140毫秒或160毫秒，但时间不能超过1秒，否则不能测得有效数据)测量两个电极接触面之间的电位Eoff，我们称为“断电电位”。
由于外加电流为0，那么混凝土试样的电阻R由于有电流i通过而产生的电压E1＝0；
由于在断电后足够短的时间内测量的两个电极接触面之间的电位，根据电化学理论(两个电极接触面之间可以看成电容，断电后电位是逐步衰减的)，可以认为Eoff＝E2。当然，随着时间的延续，断电电位会衰减，时间越长测到的数据就没有意义了，所以仪器设置要求最好100毫秒以内测量断电电位，例如10毫秒，20毫秒，30毫秒，40毫秒，60毫秒，80毫秒，100毫秒。也可以为120毫秒，140毫秒或160毫秒，但时间不能超过1秒，否则不能测得有效数据。
将Eoff＝E2带入公式1，Eon＝E1+Eoff
由于Eon和Eoff可以通过实验测得，这样E1＝Eon-Eoff便可以得到。
知道E1和外加电流i，就可以计算混凝土的电阻R
R＝E1/i
进一步根据两个电极接触面之间的距离和电极接触面的面积算出混凝土的电阻率。
测量的时候会外加一组电流，逐个测量断电电位和通电电位，算出E1电位，通过数据的直线拟合得到斜率，即混凝土的电阻值。
传感元件的示意图见图3。接触传感器有2个电极接触面，电极接触面通过接触海绵与待测的混凝土面接触。尽可能避免传感器电极之间的混凝土内有钢筋存在。传感器电极系统的电极表面与混凝土表面之间通过浸水的海绵而存在完全的接触。接触海绵浸水的程度以用水浸后用手轻轻拧干，并用手指拿住海绵一角，海绵基本上不自发向下滴水为优选状态。传感器电极之间的间距决定于夹在之间的混凝土的厚度，间距的调节方式是通过滑杆和固定螺钉调节和固定。夹具也可以通过其它方式来实现。传感器电极安装好之后，测量两个传感器电极面之间的距离并记录。本实施例中，分别用了2根传感器连接线将传感器电极与装置控制元件相连接，用于保证连接的可靠性。
图3所示的混凝土电阻率测量装置与图2所示的混凝土电阻率测量装置相比，最主要的变化是增加了固定重量物品10，其目的在于：确保本发明混凝土电阻率测量装置在每次测量过程中，接触海绵的含水量基本一致。由于每位实验操作者自身感受到的“海绵基本上不自发向下滴水的状态”可能会有所不同，从而可能由于接触海绵的测量状态的含水量不同，这可能会造成一定的系统误差。需要说明的是，实验数据表明，所述系统误差是可以接受的。在本发明图3所示的实施例中，增加了固定重量物品10。在使用本发明装置测量混凝土的电阻率时，将固定重量物品10压在待测混凝土与两块接触海绵之上(如图3所示)，由固定重量物品10将其自身重力施加于所述接触海绵上，测试者不在施加任何外力。这样就确保了每次测量时，施加在接触海绵的力是恒定的，从而保证了接触海绵在测量时含水量为一个恒定值，降低了系统误差，提高了测量的精确度。
如图4，图5所示，分别为本发明实施例所述混凝土电阻率测量方法测得的数据图。四电极法和单电机法的测量每次只能出现一个数据显示在表头上，本发明仪器每个直流电流和通/断电电位都可以得到一个数据，多次测量就可以得到多个测量数据，因而可以进行误差分析，不同的数据在本发明仪器客户端显示为一条直线，可以证明数据的准确性。
图4、图5中，待测的混凝土块的几何尺寸为100×100×100的混凝土试块，养护条件为标准养护：温度为20±2℃，相对湿度为≥95％的条件下养护28天。
图4为对所述混凝土试块的左、右面与试验仪器的电极接触面接触进行测试得到的测试结果。其中，横坐标为外加电流，纵坐标为测量到的电位值，黑色的方点为实验数据点，直线为最小二乘法拟合的直线。对所述混凝土试块的左、右面与试验仪器的电极接触面接触进行测试，起始外加电流为-100μA，阶跃电流为20μA，试验数据如图所示，经过最小二乘法拟合得到为混凝土电阻率为20.34kΩ.cm。
图5为对所述混凝土试块的前、后面与试验仪器的电极接触面接触进行测试得到的测试结果。其中，横坐标为外加电流，纵坐标为测量到的电位值，黑色的方点为实验数据点，直线为最小二乘法拟合的直线。起始外加电流为-80μA，阶跃电流为10μA，试验数据如图所示，试验数据经过最小二乘法拟合得到为混凝土电阻率为20.50kΩ.cm。
从图4、图5的实验结果可以看出，对试块测量的数据重现性非常好，而且测量数据的线性也非常好。
针对上述检测的混凝土块，采用传统的电阻率测量装置进行测试对比实验的结果如下：
采用四电极法测量上述混凝土块，分别得到如下数据：17.6kΩ.cm、19.2kΩ.cm、25.8kΩ.cm和24.6kΩ.cm，数据的精度和重现性明显不如本发明装置。
采用单电极法测量上述混凝土块，分别得到如下数据：32.5kW.cm、41.3kW.cm和12.9kW，数据的精度和重现性明显不如本发明装置。
本发明的实验数据可以通过多次测量数据后通过多点去平均的计算方法，最新二乘法拟合或其他数据拟合方法得到最终的混凝土电阻率的数据，也可以只测量一次，获得一组实验数据计算得到混凝土电阻率。
Claims (10)
1.一种混凝土电阻率测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a.将待测混凝土两端各设置一个电极，所述电极设置固定接触面，所述电极通过给定夹具将其固定接触面固定于待测混凝土的两端；
b.在上述两个电极间施加直流电，其电流值为i，测量所述电极的固定接触面间的电位，记为通电电位Eon，所述通电电位Eon由两部分组成：
混凝土的电阻R由于电流i通过而产生的电压E1；
当电流i通过时，电极的固定接触面由于本身的电容性质而反应出来的电位反馈E2；
且有，Eon＝E1+E2 公式1；
c.断开施加于所述电极的直流电，并在足够短的时间内测量所述电极间的电位，记为断电电位Eoff；由于在断电后足够短的时间内测量两个电极接触面之间的电位，使得断电电位Eoff等于电极与混凝土之间接触面的电容性质所反映的电位，因此有E1＝0，Eoff＝E2；
将Eoff＝E2带入公式1，得到E1＝Eon-Eoff；
其中，所述足够短的时间为10～160毫秒；
d.根据前述步骤测出的通电电位和断电电位计算混凝土电阻率。
2.根据权利要求1所述混凝土电阻率测量方法，其特征在于，所述步骤d为：重复操作步骤b和步骤c1～50次；根据前述步骤测出的通电电位和断电电位计算混凝土电阻率。
3.根据权利要求1所述混凝土电阻率测量方法，其特征在于，所述步骤c中，所述足够短的时间为40～120毫秒。
4.根据权利要求1所述混凝土电阻率测量方法，其特征在于，所述步骤d中，重复操作步骤b和步骤c5～30次。
5.一种如权利要求1～4中任一项所述混凝土电阻率测量方法使用的混凝土电阻率测量装置，其特征在于，包括两个电极、给定夹具、传感元件、控制元件和运算元件，其特征在于，所述电极设置固定接触面，测量时，所述电极通过给定夹具将其固定接触面固定于待测混凝土的两端，并将测量结果通过传感元件传送到运算元件，所述控制元件与传感元件和运算元件相连，通过传感元件在所述两个电极间施加直流电，测量所述电极间的 电位，记为通电电位，通过传感元件断开施加于所述电极的直流电，并在足够短的时间内测量所述电极间的电位，记为断电电位，运算元件根据传感元件传送的通电电位和断电电位计算混凝土电阻率。
6.根据权利要求5所述混凝土电阻率测量装置，其特征在于，所述装置进一步设有输出元件，用于将运算元件计算出的混凝土电阻率输出到客户端。
7.根据权利要求5所述混凝土电阻率测量装置，其特征在于，所述电极设置有固定接触面，固定接触面通过接触海绵与待测的混凝土面接触。
8.根据权利要求5所述混凝土电阻率测量装置，其特征在于，所述给定夹具上设置有滑杆和固定螺钉，所述两个电极之间间距通过滑杆和固定螺钉调节和固定。
9.根据权利要求5所述混凝土电阻率测量装置，其特征在于，所述装置进一步设有输入元件，所述输入元件与运算元件相连，用于输入两个电极之间的距离。
10.根据权利要求5所述混凝土电阻率测量装置，其特征在于，所述装置进一步设有输入元件，所述输入元件与运算元件和控制元件相连，用于输入两个电极与待测混凝土的接触面积。
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