CN103267719A

CN103267719A - 基于非接触式电阻率的水泥基材料渗透性评价方法及系统

Info

Publication number: CN103267719A
Application number: CN2013101486169A
Authority: CN
Inventors: 田野; 陈军; 金南国; 金贤玉
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-04-25
Filing date: 2013-04-25
Publication date: 2013-08-28

Abstract

本发明涉及建筑材料检测技术，旨在提供一种基于非接触式电阻率的水泥基材料渗透性评价方法及系统。该系统包括两个带有盖子的半环形槽模具，半环形槽模具穿过非接触式电阻率测试仪测量模块的两个线圈后对接，其对接处用玻璃胶密封严实以防止溶液渗出；待测的试件以2个为一组，均是部分周长圆环形试件；试件放置于半环形槽模具中，在靠近试件端部的各表面与模具内壁之间涂抹有凡士林用于防止溶液直接渗过；在模具中灌注有与试件相同高度的氯化钠溶液。本发明可以克服现有检测技术存在的不足，客观、精确、合理地评价水泥基材料的渗透性，且该方法试件制备简单，操作简单，试验周期较短，试验成本低。

Description

基于非接触式电阻率的水泥基材料渗透性评价方法及系统

技术领域

本发明属于建筑材料检测技术领域，具体涉及一种基于非接触式电阻率的水泥基材料渗透性评价方法。

背景技术

水泥基材料是现代土木工程中最常用的建筑材料之一。改善水泥基材料的服役性能与耐久性对提高建筑结构的使用寿命具有非常重要的意义。目前，对水泥基材料耐久性的理论与试验研究已经成为土木工程研究的热点。研究表明，水泥基材料的渗透性和耐久性具有密切的联系。这主要是由于水泥基材料的渗透性决定了气体、液体以及各种侵蚀性离子侵入水泥基材料内部的难易程度。水泥基材料抗渗性好，可以有效抑制侵蚀性物质的渗透传输，防止侵蚀性离子与水泥基材料的水化产物产生物理与化学反应，保护钢筋不发生锈蚀，提高结构的服役性能。所以，水泥基材料渗透性一直是评价水泥基材料耐久性的一个重要指标，水泥基材料渗透性评价方法对研究水泥基材料的耐久性具有重要意义。

目前，水泥基材料渗透性的测试标准主要针对混凝土材料，还没有面向净浆和砂浆渗透性的试验方法与测试标准。混凝土渗透性能的测试方法大致可以分做3类，即吸水性试验、渗透性试验和离子扩散试验。吸水性试验方法又称为初始表面吸水法(Initial Surface Absorption Test)，其操作快速、简单、无损。但吸水性试验方法的缺点除了密封困难外，还有吸水性试验方法只能测试混凝土面层10~15 mm深度左右，并不能反映混凝土内部基体的渗透性能。对于低渗透性混凝土或高性能混凝土而言，由于通常吸水量很小，难以分辨或评价其渗透性，因此吸水性试验方法评价混凝土渗透性能并不多。目前我国对混凝土渗透性检测方法中，主要采用《普通混凝土长期性能与耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082-2009）中的抗水渗透试验法和抗氯离子渗透试验方法。国外主要采用美国材料试验协会（ACI）提出的关于混凝土抵抗氯离子渗透能力的标准试验方法，即混凝土抵抗氯离子渗透能力评价方法（ASTM C1202）。《普通混凝土长期性能与耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082-2009）中的抗水渗透试验方法属于渗透性试验法，该方法的特点是操作简单和计算简便，适合于工程上评价混凝土抗渗性能。但由于试验过程中要对混凝土施加一定的水压力，有可能破坏混凝土的孔隙结构，影响混凝土渗透性评价结果。同时，试验设备所能施加的压力也有限，低渗透性混凝土或高性能混凝土可能无法获得试验结果。《普通混凝土长期性能与耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082- 2009）中的抗氯离子渗透试验方法属于离子扩散试验方法，具体包括快速氯离子迁移系数法（RCM法）与电通量法。而国外普遍采用的混凝土抵抗氯离子渗透能力评价方法（ASTM C1202）与电通量法类似。抗氯离子渗透试验方法主要是将混凝土试件放入氯盐溶液中，并在混凝土试件上施加电流作用，属于接触式电流测定方法。通过测定一定时间后混凝土中氯离子的侵入深度或者通过混凝土的电量来评价混凝土的渗透性能。抗氯离子渗透试验方法避免在混凝土试件上施加荷载作用，避免影响混凝土孔隙结构，评价方法也更加精确。但是对混凝土试件直接施加电流可能会使混凝土内部产生热量，影响测试结果。如果混凝土渗透性较低，则测试时间较长，施加电流的时间过长将会使混凝土水化产物的电解，引起混凝土孔隙溶液的离子浓度发生变化，导致较大试验误差。上述这些试验方法的技术原理与测试手段都存在各种缺陷，难以高效、客观、准确地表征混凝土渗透性能，导致目前难以合理的评价混凝土的耐久性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种基于非接触式电阻率的水泥基材料渗透性评价方法。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种基于非接触式电阻率的水泥基材料渗透性评价方法，包括以下步骤：

（1）水泥基材料待测试件的准备：

水泥基材料待测试件是半径为122.5mm的部分周长圆环形试件；将配置好的试件放入20℃±2℃、相对湿度95%RH的标准养护室养护，在指定龄期将试件放入105℃的恒温干燥箱中，烘干2天，然后取出冷却1 小时；

（2）测定前的准备：

将两个半环形槽模具放置于非接触式电阻率测试仪上，对接处用玻璃胶密封严实以防止溶液渗出；待测试件2个为一组，在靠近试件端部的各表面涂抹凡士林后放入槽模具中，检查试件与模具侧壁之间是否密封严实以防止溶液直接渗过；

（3）电阻率检测

在模具中灌注与水泥基材料试件相同高度的氯化钠溶液，然后用盖子封闭；设定非接触式电阻率测定仪的采样频率，测定水泥基材料试件电阻率随时间的变化曲线，记录试件电阻率突变点发生的时间；

（4）渗透性评定

根据下述公式计算氯化钠溶液通过试件的渗透速率V，以此评定水泥基材料试件的渗透性能：

Figure 2013101486169100002DEST_PATH_IMAGE001

式中：L为样品的弧长；θ为样品对应的圆弧角度；r为样品半径；T为样品电阻率变化速率达到-5Ωm/min所对应的时间，即样品电阻率发生突变的时间。

本发明中，所述试件部分周长圆环形的圆弧角度为π/4~π/2。

本发明中，所述氯化钠溶液的浓度为1 ~2mol/L。

本发明中，所述非接触式电阻率测定仪的采样频率为0.1~1Hz。

本发明中，所述试样的径向截面为梯形，梯形的截面底边边长为37mm，顶部边长为47mm，高为54.5mm。

本发明中，如果测定混凝土的渗透性能，配制水泥基材料待测试件所使用的粗骨料是粒径为5～20 mm连续级配的碎石。

本发明进一步提供了一种基于非接触式电阻率的水泥基材料渗透性评价的系统，包括通过导线相连的非接触式电阻率测试仪测量模块和非接触式电阻率测试仪电阻率分析模块和与之相连的计算机；该系统还包括两个带有盖子的半环形槽模具，半环形槽模具穿过非接触式电阻率测试仪测量模块的两个线圈后对接，其对接处用玻璃胶密封严实以防止溶液渗出；待测试件2个为一组，均是半径为122.5mm的部分周长圆环形试件；待测试件放置于半环形槽模具中，在靠近试件端部的各表面与模具内壁之间涂抹有凡士林用于防止溶液直接渗过；在模具中灌注有与试件相同高度的氯化钠溶液。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

该方法采用非接触式电阻率测试技术，即不会对水泥基材料试件施加荷载作用，也不会直接对水泥基材料试件施加电流作用。同时，本发明不仅可以应用于混凝土材料，还可以用于测定净浆、砂浆等水泥基材料的渗透性，既可以评价普通水泥基材料的渗透性能，也适用于评价高强或高性能水泥基材料的渗透性。本发明可以克服现有检测技术存在的不足，客观、精确、合理地评价水泥基材料的渗透性，且该方法试件制备简单，操作简单，试验周期较短，试验成本低。

附图说明

图1为水泥基材料渗透性能测试装置；其中：1-非接触式电阻率测试仪测量模块；2-水泥基材料试件；3-氯化钠溶液；4-非接触式电阻率测试仪电阻率分析模块；5-计算机；

图2 为实施案例1中水泥净浆样品尺寸（单位mm）；

图3为实施案例1中一个水泥基材料样品的电阻率-时间曲线、电阻率速率-时间曲线以及样品电阻率突变时间的确定方法；

图4为实施案例3中混凝土样品不同龄期的渗透速率。

具体实施方式

本发明中基于非接触式电阻率的水泥基材料渗透性评价的系统，包括通过导线相连的非接触式电阻率测试仪测量模块1和非接触式电阻率测试仪电阻率分析模块4和与之相连的计算机5；还包括两个带有盖子的半环形槽模具，半环形槽模具穿过非接触式电阻率测试仪测量模块1的两个线圈后对接，其对接处用玻璃胶密封严实以防止溶液渗出；待测的水泥基材料试件2以两个为一组，均是半径为122.5mm的部分周长圆环形试件；待测的试件放置于半环形槽模具中，在靠近试件端部的各表面与模具内壁之间涂抹有凡士林用于防止溶液直接渗过；在模具中灌注有与试件相同高度的氯化钠溶液3。

试件部分周长圆环形的圆弧角度为π/4~π/2，其径向截面为梯形，梯形的截面底边边长为37mm，顶部边长为47mm，高为54.5mm。如果测定混凝土的渗透性能，配制水泥基材料待测试件所使用的粗骨料是粒径为5～20 mm连续级配的碎石。

基于非接触式电阻率的水泥基材料渗透性评价方法，包括以下步骤：

（1）水泥基材料待测试件的准备：

（2）测定前的准备：

（3）电阻率检测

在模具中灌注与水泥基材料试件相同高度的1 ~2mol/L的氯化钠溶液，然后用盖子封闭；设定非接触式电阻率测定仪的采样频率为0.1~1Hz，测定水泥基材料试件电阻率。

当发现水泥基材料样品电阻率出现突变，且电阻率降低至0Ωm左右时，结束试验。根据计算机采集的数据绘制水泥基材料样品电阻率与时间关系曲线（R-T曲线），并绘制水泥基材料样品电阻率变化速率与时间的关系曲线，记录每分钟的电阻率降低幅度为5Ωm的时间T，即水泥基材料样品电阻率变化速率达到-5Ωm/min所对应的时间，认为时间T即为水泥基材料样品电阻率发生突变的时间，精确至s。重复试验，直至1组样品（2件）测定完毕。

（4）渗透性评定

根据下述公式计算氯化钠溶液通过试件的渗透速率V，以此评定水泥基材料试件的渗透性能，精确至10^-9m/s。

取每组2个样品的算术平均值作为该组样品在该龄期的水泥基材料渗透速率。在测量水泥基材料样品电阻率突变时间时，如果水泥基材料试件电阻率未发生突变，而是缓慢下降，则该组样品测试结果无效。在计算水泥基材料渗透速率时，若2个测值与该组样品算术平均值的差超过15%时，该组样品测试结果无效。

实施案例1：

采用本发明的检测方法考察水泥净浆的渗透性能。使用的非接触电阻率测试仪为中衡港科（深圳）科技有限公司生产的CCR2型测试仪。水泥净浆的水灰比为0.60，养护龄期为7d。每组水泥净浆采用2个试件，试件对应的圆弧角度为π/2，氯化钠溶液浓度为1mol/L，采样频率为0.167Hz。其中，水泥采用湖北华新水泥厂生产的P·O 52.5级普通硅酸盐水泥，比表面积为350 m²/kg；水为自来水。水泥净浆样品的电阻率突变时间与渗透速率测试结果可见表1。

表1 水泥净浆渗透速率测试结果

样品编号	电阻率突变时间 T (s)	渗透速率 V (10^-6m/s)
			1	12006	4.007
2	12024	4.003
			测试结果	12015	4.005

由图3与表1可知，采用本发明测量水泥基材料的渗透性操作方便，数据处理简单，试验时间较短，试验结果离散性小，测试结果较精确。在具体进行水泥基材料渗透性能的评价时，只需采用一种试验参数进行对比分析，即可反应不同的水泥基材料的渗透性能，说明本发明的检测方法是切实可行的。

实施案例2：

采用本发明的检测方法考察水泥净浆的渗透性能。使用的非接触电阻率测试仪为中衡港科（深圳）科技有限公司生产的CCR2型测试仪。水泥净浆的水灰比分别为0.60、0.53和0.45，养护龄期为28d。每组水泥净浆采用2个试件，试件对应的圆弧角度为π/2，氯化钠溶液浓度为1mol/L，采样频率为0.167Hz。其中，水泥采用湖北华新水泥厂生产的P·O 52.5级普通硅酸盐水泥，比表面积为350 m²/kg；水为自来水。水泥净浆样品的电阻率突变时间与渗透速率测试结果可见表2。

表2 不同水灰比水泥净浆电阻率突变时间与渗透性能

表2表明，如果采用相同的水泥基材料，随着水灰比降低，水灰比高的净浆期电阻率突变时间增大，而渗透速率降低，说明低水灰比的水泥净浆其抗渗性好，这种现象与目前的理论与试验研究相符。这说明本发明提出的水泥基材料渗透性能评价方法可以应用于水泥净浆，并可以反映水灰比等参数对水泥基材料渗透性能的影响。

实施案例3：

采用本发明的检测方法考察混凝土的渗透性能。使用的非接触电阻率测试仪为中衡港科（深圳）科技有限公司生产的CCR2型测试仪。混凝土的配合比可见表3，分别测试混凝土12h、18h、1d、2d、3d、7d、14d与28d的渗透速率。每组水泥净浆采用2个试件，试件对应的圆弧角度为π/2，氯化钠溶液浓度为1mol/L，采样频率为0.167Hz。其中，水泥采用湖北华新水泥厂生产的P·O 52.5级普通硅酸盐水泥，比表面积为350 m²/kg；细骨料采用河砂，细度模量为2.5-2.6；粗骨料采用5～20 mm连续级配的碎石；水为自来水。水泥净浆样品的电阻率突变时间与渗透速率测试结果可见图4。

表3 混凝土配合比

配合比编号	水灰比	水泥（kg/m³）	水（kg/m³）	砂（kg/m³）	碎石（kg/m³）
						PC	0.6	351	211	735	1102

由图4可知，随着龄期不断发展，混凝土渗透速率将不断降低，表明混凝土的抗渗性能随着龄期不断提高，这与目前的理论与试验研究相符，表明本发明提出的水泥基材料抗渗性能测试方法也可以应用于混凝土，并可以反应混凝土抗渗性能随龄期的发展变化。

在本发明的测定方法中，水泥基材料试件在105℃的恒温干燥箱中烘干2天，可以有效去除水泥基材料试件中的可蒸发水，阻止水泥基材料的继续水化。同时此温度条件不会导致水泥基材料中凝胶体内部的化学吸附水和结构水挥发，导致凝胶体过度变形从而影响水泥基材料微观孔隙结构。因此，采用105℃的恒温干燥箱中对水泥基材料试件进行处理可以有效“固化”水泥基材料的微观孔隙结构。将水泥基材料试件放置于非接触式电阻率测试仪的模具内，并将水泥基材料试件与模具内壁通过凡士林密封，可以有效防止氯化钠溶液沿着水泥基材料试件与模具内壁间隙渗透，从而保证氯化钠溶液只能通过水泥基材料试件渗透。在经过干燥处理过后，水泥基材料试件内部的孔隙水全部挥发，离子在水泥基材料内部无法自由迁移，可以将水泥基材料试件近似看作电绝缘体。灌注在模具内部的氯化钠溶液中离子含量高，在外加磁场的作用下，内部离子迁移迅速，可以近似看作电的良导体。在试验开始前，氯化钠溶液未渗透进入水泥基材料内部，氯化钠溶液内部的离子迁移受到水泥基材料阻隔，无法形成有效通路，因此采用非接触式电阻率测试仪测得的材料电阻率较高。当氯化钠溶液逐渐渗透到混凝土内部并贯通水泥基材料试件时，溶液中的离子可以通过连通的孔隙溶液快速迁移，形成连通电路，此时材料的电阻率将急剧下降。从氯化钠溶液开始渗透进入水泥基材料开始到材料电阻率急剧下降的时间，就是氯化钠溶液渗透贯通水泥基材料试件所消耗的时间，而氯化钠溶液通过水泥基材料试件的速率就表征了水泥基材料的渗透性能。非接触式电阻率仪未在水泥基材料试件与氯化钠溶液中直接施加电流，因此不会影响溶液中的离子浓度和水泥基材料的孔隙结构，对试验结果的评定更加准确。同时，非接触式电阻率仪具有很高的灵敏度，可以精确捕捉材料电阻率急剧下降的时间，并实现自动采集，操作简便，无需人为控制，数据结果的后续处理也非常简单。试验中的水泥基材料试件对应的弧度不应过大，过大将导致试验的时间过长，降低试验的效率。但是实验中水泥基材料试件对应的弧度也不应过短，否则水泥基材料试件中的随机孔隙缺陷将显著影响氯化钠溶液通过混凝土试件的时间，降低试验结果的精度。氯化钠溶液的浓度也不应过高或过低，过高则电阻率降低幅度不显著，影响氯化钠溶液渗透水泥基材料试件的时间采集。如果氯化钠溶液离子浓度过低，形成连通路径后，离子迁移能力弱，混凝土电阻率将缓慢减低而非突变，影响连通时间的读取。本发明适用于普通性能以及高性能净浆、砂浆和混凝土材料渗透性能的测定。

Claims

1.基于非接触式电阻率的水泥基材料渗透性评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）水泥基材料待测试件的准备：

（2）测定前的准备：

（3）电阻率检测

（4）渗透性评定

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述试件部分周长圆环形的圆弧角度为π/4~π/2。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氯化钠溶液的浓度为1~2mol/L。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述非接触式电阻率测定仪的采样频率为0.1~1Hz。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述试样的径向截面为梯形，梯形的截面底边边长为37mm，顶部边长为47mm，高为54.5mm。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，如果测定混凝土的渗透性能，配制水泥基材料待测试件所使用的粗骨料是粒径为5～20 mm连续级配的碎石。

7.一种基于非接触式电阻率的水泥基材料渗透性评价的系统，包括通过导线相连的非接触式电阻率测试仪测量模块和非接触式电阻率测试仪电阻率分析模块和与之相连的计算机，其特征在于，该系统还包括两个带有盖子的半环形槽模具，半环形槽模具穿过非接触式电阻率测试仪测量模块的两个线圈后对接，其对接处用玻璃胶密封严实以防止溶液渗出；待测的试件以2个为一组，均是半径为122.5mm的部分周长圆环形试件；试件放置于半环形槽模具中，在靠近试件端部的各表面与模具内壁之间涂抹有凡士林用于防止溶液直接渗过；在模具中灌注有与试件相同高度的氯化钠溶液。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述试件部分周长圆环形的圆弧角度为π/4~π/2。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述试样的径向截面为梯形，梯形的截面底边边长为37mm，顶部边长为47mm，高为54.5mm。