CN102087194A - 基于高频交流电的混凝土抗渗透性测量系统 - Google Patents
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Abstract
基于高频交流电的混凝土抗渗透性测量系统属于混凝土性能测试领域，其特征在于，利用一个程控高频交流电源中的89C52型微处理器、TLC5615型幅值调整D/A模块、AD9832型直接数字频率合成器、AD534型乘法器和CVA-1000型功率放大模块，把计算机输入的用户期望频率和电流值调制成所需要的高频交流电后输出，再用DAM-3502型隔离采样模块采集测量回路中的电流，经计算机用含有PID控制模块的软件判断后进行闭环控制，形成用户期望的高频交流电供混凝土抗渗透性的测量，本发明具有测试精度高、负载能力大以及稳定性好，便于功能扩展的优点。
Description
技术领域：
用于测试实验室制备或工程钻芯所取得的混凝土试样的抗渗透性。
背景技术
混凝土结构的耐久性是当前混凝土材料学和混凝土结构工程专业研究的热点。混凝土的抗渗透性直接决定着外界物质如水溶液、二氧化碳、氯离子和硫酸盐等受压力、化学势或电场作用，向混凝土结构内部渗透、扩散或迁移的难易程度，因此是决定混凝土耐久性的关键参数。
渗透是指液体或气体在压力作用下的运动，描述其运动状态的数学模型是Darcy定理；扩散是指气体或液体中的粒子由于存在浓度差而进行的运动，描述其运动状态的数学模型是Fick定律；迁移是指液体中的带电粒子在电场的作用下的运动，描述其运动状态的数学模型是Nernst-Plank方程。
依据上述决定混凝土渗透性的三大机理：渗透、扩散和迁移，混凝土抗渗透性的测试方法也可分为三类：表面吸水性试验、渗透性试验和离子扩散试验。表面吸水性试验包括ISAT(Initial Surface Absorption Test)初始表面吸水性试验和AUTOCLAM吸水性试验；渗透性试验包括抗水渗透试验和抗气渗透性试验；离子扩散试验包括自然扩散法和电迁移法。
在三类混凝土抗渗透性的测试方法中，离子扩散试验相对于表面吸水性试验和渗透性试验，具有介质的踪迹易于观察、测试过程不需要复杂的试样固定和密封工作、不需要高压的水源和气源的优点。在离子扩散试验中，电迁移法相对于自然扩散法，又具有测试耗时短和测试过程易于自动化的特点，因此获得了广泛的应用。
现在广泛使用的测试混凝土抗渗透性的电迁移法包括：(1)美国材料和试验协会提出的ASTM C1202方法(ASTM C1202-2005，Standard Test Method for Electrical Indication ofConcrete′s Ability to Resist Chloride Ion Penetration[S])，该方法是在混凝土试样的两端，分别建立质量浓度为3％的NaCl溶液和摩尔浓度为0.3mol/L的NaOH溶液的盐池，在盐池中放置用作电极的铜网，并将60V恒压直流电源的负极和正极与上述两个盐池中的铜网分别连接，测试时间持续6小时，然后用测试期间的电流-时间关系计算出通过混凝土试样的电量，并用该电量来评价混凝土的抗渗透性。ASTM C1202方法的缺点是长时间在试样两端加载的60V的直流电压，导致了盐池中溶液和试样温度的上升，以及铜网电极的极化腐蚀，降低了测试的精度。(2)瑞典查尔莫斯技术大学唐路平教授提出的RCM方法(唐路平.氯离子在混凝土中的输运-测试、模拟及应用[A].沿海地区混凝土结构耐久性及其设计方法科技论坛与全国第六届混凝土耐久性学术交流会论文集[C]，2004)，该方法是在混凝土试样的两端，分别建立质量浓度为10％的NaCl溶液和摩尔浓度为0.3mol/L的NaOH溶液的盐池，在盐池中放置用作电极的不锈钢网，然后将30V恒压直流电源的负极和正极与上述两个盐池中的不锈钢网分别连接，依据接通后所测得的初始电流，调整在试样两端盐池中的电极上加载的电压，然后再次测定回路中的电流并设定测试持续的时间；试验结束后，将试样劈开，用0.1mol/L的AgNO3溶液进行氯离子的显色试验，然后用测试期间加载的电压值、阳极溶液在试验开始和结束时的温度和氯离子的渗透深度来计算氯离子在混凝土中的迁移系数，并通过该迁移系数来评价混凝土的抗渗透性。RCM方法的缺点是测试耗时较长，可达96小时，而且试样断面的显色反应不是很清晰、锐利，因此影响了测试的效率和精度，限制了该种测试方法的应用推广。(3)电阻率方法，该方法还没有形成统一的标准。其基本原理是根据美国西北大学Z.P.Bazant教授教授提出的混凝土中钢筋的腐蚀速率模型，即混凝土中钢筋的腐蚀速率与混凝土的电阻率成反比(Z.P.Bazant.Physical model for steel corrosion in concrete sea structures.Journal ofStructural Division，1979，105(6)：1155-1166)。因此，通过测试混凝土的电阻率，即可预测混凝土中钢筋的腐蚀速率，为混凝土的配合比设计和保护层厚度的确定提供指导。依据Z.P.Bazant教授教授提出的模型，上海交通大学的弓国军等建立了用于测试混凝土电阻的方法，该方法采用直流电源，在测试期间记录回路中的电流，然后用电源的电压和回路电流的比值计算出被测试样的电阻，再根据被测试样的面积和长度计算出电阻率(弓国军，宋晓冰，孔启明.氯盐污染下混凝土的电阻率.工业建筑，2005 35(12)：5-7.)，该方法的缺点是采用直流电源，因此无法避免电极的极化和腐蚀，同时，该方法未对测试回路中要达到的电流值或试样两端的电位差提出要求，因此难以实施；北京冶建特种材料有限公司的郝挺宇等申请了一项“一种混凝土电阻率测量方法及其装置(专利号200910148445)”的发明专利，该方法采用直流电源，在测试期间使得回路中形成一个恒定的电流值，并通过测试通电期间被测试样两端的电位差和断电后足够短时间内被测试样两端的电位差来计算混凝土的电阻率。该方法的不足同样是使用的直流电压会带来电极的极化腐蚀，同时，该方法所要求的在断电后足够短时间内测试被测试样两端的电位差的要求难以量化，因此难以操作并会影响测试结果的准确性。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于高频交流电的混凝土抗渗透性测量系统，在分析了上述3种电迁移法ASTM C1202、RCM方法和现有的基于直流电压的电阻率测试方法存在缺点的基础上，依据RILEM TC-154(Polder R B.2001.Test methods for on site measurement ofresistivity of concrete-a RILEM TC-154 technical recommendation[J].Construction and BuildingMaterials，15：125-131.)和2002-2005年间的欧洲的CHLORTEST项目(Guidelines for practicaluse of methods for testing the resistance of concrete to chloride ingress)中提出的两电极测试方法，制备了该基于高频交流电动混凝土抗渗透性测量系统，来测试混凝土的交流电阻率，并采用表1来判定被测混凝土试样的抗渗透性。该两电极测试方法要求测试时，回路中的电流为40mA，交流电的频率为100HZ。
表1混凝土的电阻率与抗渗透性之间的关系
本发明的特征在于，含有：紫铜电极2、被测混凝土试样3、程控高频交流电源7和计算机8，其中：
紫铜电极2，和所述被测混凝土试样3之间有海绵导电层4，该紫铜电极的裸露部分有一层环氧树脂绝缘层1，该紫铜电极2通过触点5和所述程控高频交流电源7的两个输出端相连，
程控高频交流电源7，含有：CVA-1000型功率放大模块7-1、AD534型乘法器7-2、TLC5615型幅值调整D/A模块7-3、AD9832型直接数字频率合成器7-4、DAM-3502型隔离采样模块7-5和89C52型微处理器7-6，其中：
89C52型微处理器7-6的电压幅值输出端与所述TLC5615型幅值调整D/A模块7-3的输入端相连，该89C52型微处理器7-6的频率输出端与所述AD9832型直接数字频率合成器7-4的输入端相连，该89C52型微处理器7-6的输出回路中的频率、电压和电流的反馈量的输入端与所述DAM-3502型隔离采样模块7-5的输出端相连，
AD534型乘法器7-2的两个输入端分别与所述TLC5615型幅值调整D/A模块7-3、AD9832型直接数字频率合成器7-4的输出端相连，分别输入所期望的交流电的幅值和频率特性的激励信号，经过合成之后再把控制信号送到所述CVA-1000型功率放大模块7-1的控制端，
CVA-1000型功率放大模块7-1把输入的220V，50HZ单相交流电，在所述控制信号作用下，调制成具有所期望的频率和电压的高频交流电，输出到所述紫铜电极2上，
计算机(8)按照以下步骤计算被测混凝土试样的电阻率ρ：
步骤(1)，用户输入期望频率、期望电流、电压尝试值和上限值、以及所述被测混凝土试样(3)的截面积S和高度H，并记录测试开始时刻，
步骤(2)，把所述期望频率和电压尝试值输出到所述89C52型微处理器7-6中，
步骤(3)，在所述89C52型微处理器7-6控制下，分别用所述TLC5615型幅值调整D/A模块7-3和AD9832型直接数字频率合成器7-4，分别把所述电压尝试值和期望频率调制成幅值和频率的激励信号，并通过所述AD534型乘法器7-2合成后，再通过所述CVA-1000型功率放大模块7-1调制成高频交流电压，
步骤(4)，通过所述DAM-3502型隔离采样模块7-5采集所述程控高频交流电源7输出回路的频率、电压和电流值，经所述89C52型微处理器7-6采集后送往所述计算机8，
步骤(5)，所述计算机8判断该输出回路中的电流值是否等于所述的期望电流：
若不相等，则用比例积分微分(PID)模块处理后，转步骤(2)，把电流差值转换成调节后的电压值送往所述89C52型微处理器7-6，
若相等，则按下式计算所述被测混凝土试样3的电阻率ρ，单位为Ω·m，
其中：V为加到所述紫铜电极2的电压值，I为所述测量回路中的电流值，
步骤(6)，按以下方式判断所述混凝土试样3的抗渗透性：
ρ＝100Ω·m，抗渗透性为低，
ρ＝100～500Ω·m，抗渗透性为中等，
ρ＝500～1000Ω·m，抗渗透性为高，
ρ＞1000Ω·m，抗渗透性为很高。
本发明的效果在于，可依据RILEM TC-154方法，精确地测定实验室制备或工程钻芯所取得的混凝土试样的电阻率，并依据该电阻率来判定混凝土的抗渗透性。具有测试精度高、负载能力大以及稳定性好，便于功能扩展的优点。
附图说明
图1，基于高频交流电的混凝土抗渗透性测量系统架构图。
图2，基于高频交流电的混凝土抗渗透性测量系统的硬件装置的电路图。
图3，基于高频交流电的混凝土抗渗透性测量系统的软件总体架构图。
具体实施方式
所发明的高频交流混凝土抗渗透性测量系统的架构如附图1所示，包括被测试样夹具的环氧树脂绝缘层1；紫铜电极2；被测混凝土试样3；电极和试样之间的海绵导电层4；电极和导线的触点5；电极到程控高频交流电源的导线6；程控高频交流电源7；计算机8。
相对于上述的基于直流的电迁移方法，本发明具有如下优点：(1)测试过程采用交流电，避免了电极的极化对测试结果的影响；(2)程控交流电源具有很高的负载能力，输出的电压可达600V，电流可达4.0A，频率可达1000HZ；(3)控制程序中的PID模块通过智能化的反馈控制，保证了输出回路中所期望的电流特性的准确性；(4)测试所需时间短，只需要数分钟即可完成测试。同时，本发明采用虚拟仪器方法，通过“软件即是仪器”的思想来架构整个系统，从而使得系统具有良好的功能扩展性、测试稳定性和精度。
(一)硬件装置：
本发明的硬件装置的电路图如附图2所示。其中计算机是核心的数据分析、调理、显示、存储和控制单元，计算机将要输出的交流电压的频率和幅值参数发送到程控高频交流电源中的微处理器后，由该微处理器控制直接数字频率合成器和幅值调整模块来调制所期望的交流电压频率和幅值特性的激励信号，该激励信号经过乘法器合成后，输入到功率放大模块的控制端，该功率放大模块依据输入的指令，将输入的单相交流电调制为具有所期望的频率和电压的交流电输出到测试所用夹具的电极上。在进行输出的同时，隔离采样模块对输出的交流电信号进行采集并反馈到程控交流电源的微处理器和计算机中，从而实现反馈控制，保证输出的准确度。
为实现本发明所描述的上述功能，可采用如下型号的硬件：计算机使用工控机或桌面PC，程控高频交流电源中使用89C52型微处理器，AD9832型直接数字频率合成器，TLC5615型幅值调整模块，AD534型乘法器，CVA-1000型功率放大模块。
(二)方法：
在软件编程方面，本测量系统要解决的主要问题是：(1)如何保证测量回路中所要求的高频交流电特性(40mA，100HZ)的精准实现；(2)通过测量回路中的电压值和电流值来计算被测试样的电阻率；(3)电阻率数据的显示和存储；(4)基于电阻率数据来判定被测混凝土试样的抗渗透性。
本高频交流混凝土抗渗透性测量系统的软件流程图如附图3所示。首先是测量程序的初始化，在该阶段，程序会记录测试开始时刻，用户输入的期望频率、期望电流、尝试电压值、电压上限、被测试件的截面积和高度等参数。接着程序会将期望的频率和尝试电压值输出到程控高频交流交流电源的微处理器中，微处理器通过控制直接数字频率合成器、幅值调整和功率放大模块实现高频交流电的输出，并通过隔离模块采集并反馈输出回路中的频率、电压值和电流值，然后程序判断回路中的电流值是否等于期望的电流值，如果不相等，则程序会利用PID模块对下次输出的电压进行调整，然后将调整后的电压值输出到程控高频交流交流电源的微处理器中并再次进行上述判断，该处的循环直到测试回路中的电流值等于期望的电流值为止。然后程序会通过测量回路中的电压值、电流值和试件的尺寸来计算被测试样的电阻率，如下式1所示，并通过电阻率来判断被测试样的抗渗透性。
其中：ρ为被测混凝土试样的电阻率(Ω·m)；V为测量回路中的电压值(V)；I为测量回路中的电流值(A)；S为被测混凝土试样的截面积(m2)；H为被测混凝土试样的高度(m)。
Claims (1)
1.基于高频交流电的混凝土抗渗透性测量系统，其特征在于，含有：紫铜电极(2)、被测混凝土试样(3)、程控高频交流电源(7)和计算机(8)，其中：
紫铜电极(2)，和所述被测混凝土试样(3)之间有海绵导电层(4)，该紫铜电极的裸露部分有一层环氧树脂绝缘层(1)，该紫铜电极(2)通过触点(5)和所述程控高频交流电源(7)的两个输出端相连，
程控高频交流电源(7)，含有：CVA-1000型功率放大模块(7-1)、AD534型乘法器(7-2)、TLC5615型幅值调整D/A模块(7-3)、AD9832型直接数字频率合成器(7-4)、DAM-3502型隔离采样模块(7-5)和89C52型微处理器(7-6)，其中：
89C52型微处理器(7-6)的电压幅值输出端与所述TLC5615型幅值调整D/A模块(7-3)的输入端相连，该89C52型微处理器(7-6)的频率输出端与所述AD9832型直接数字频率合成器(7-4)的输入端相连，该89C52型微处理器(7-6)的输出回路中的频率、电压和电流的反馈量的输入端与所述DAM-3502型隔离采样模块(7-5)的输出端相连，
AD534型乘法器(7-2)的两个输入端分别与所述TLC5615型幅值调整D/A模块(7-3)、AD9832型直接数字频率合成器(7-4)的输出端相连，分别输入所期望的交流电的幅值和频率特性的激励信号，经过合成之后再把控制信号送到所述CVA-1000型功率放大模块(7-1)的控制端，
CVA-1000型功率放大模块(7-1)把输入的220V，50HZ单相交流电，在所述控制信号作用下，调制成具有所期望的频率和电压的高频交流电，输出到所述紫铜电极(2)上，
计算机(8)按照以下步骤计算被测混凝土试样的电阻率ρ：
步骤(1)，用户输入期望频率、期望电流、电压尝试值和上限值、以及所述被测混凝土试样(3)的截面积S和高度H，并记录测试开始时刻，
步骤(2)，把所述期望频率和电压尝试值输出到所述89C52型微处理器(7-6)中，
步骤(3)，在所述89C52型微处理器(7-6)控制下，分别用所述TLC5615型幅值调整D/A模块(7-3)和AD9832型直接数字频率合成器(7-4)，分别把所述电压尝试值和期望频率调制成幅值和频率的激励信号，并通过所述AD534型乘法器(7-2)合成后，再通过所述CVA-1000型功率放大模块(7-1)调制成高频交流电压，
步骤(4)，通过所述DAM-3502型隔离采样模块(7-5)采集所述程控高频交流电源(7)输出回路的频率、电压和电流值，经所述89C52型微处理器(7-6)采集后送往所述计算机(8)，
步骤(5)，所述计算机(8)判断该输出回路中的电流值是否等于所述的期望电流：
若不相等，则用比例积分微分(PID)模块处理后，转步骤(2)，把电流差值转换成调节后的电压值送往所述89C52型微处理器(7-6)，
若相等，则按下式计算所述被测混凝土试样(3)的电阻率ρ，单位为Ω·m，
其中：V为加到所述紫铜电极(2)的电压值，I为所述测量回路中的电流值，
步骤(6)，按以下方式判断所述混凝土试样(3)的抗渗透性：
ρ＝100Ω·m，抗渗透性为低，
ρ＝100～500Ω·m，抗渗透性为中等，
ρ＝500～1000Ω·m，抗渗透性为高，
ρ＞1000Ω·m，抗渗透性为很高。
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