CN110361600B - 非饱和混凝土传输过程中电阻率变化的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种用于研究非饱和混凝土传输过程中电阻率变化的测量装置，其中包括由连接垫板、气泡水准仪和三个平衡脚螺旋组成的水平校准模块，设有电压感应环、微电流传感器、电压感应器、样品仓、溶液仓的电阻率测量模块以及人机接口模块和控制器。在应用时，应先将样品置于样品仓中，由环氧树脂密封样品及样品仓的间隙；然后将样品仓和溶液仓连接，根据气泡水准仪的气泡位置调试，使得样品仓和溶液仓闭合环保持水平，用环氧树脂密封样品仓与溶液仓的接缝，环氧树脂硬化后，在溶液仓中注入与样品温度一致的溶液，同时启动电阻率测量模块并接通人机接口模块采样记录分析相关检测值，以得到非饱和状态下样品传输过程中电阻率随时间的变化曲线。

Description

非饱和混凝土传输过程中电阻率变化的测量装置及方法

技术领域

本申请设计电阻率测量技术领域，特别是一种主要用于研究建筑、交通、桥梁、水利、地下工程等土木工程领域的混凝土在非饱和状态下传输过程中电阻率变化的测量装置及方法。

背景技术

水泥混凝土是现今土木工程领域应用最广泛、用量最大的建筑材料。数据显示，自1985年之后，我国水泥产量长期处于世界第一位，近些年更是占到世界水泥总产量的百分之五十以上。作为高耗能高污染企业，水泥生产过程产生的碳排放约占总排放量的11.3％，给环境带来巨大压力，由于冬季错峰生产影响，全国生产水泥总量出现下降，但庞大的产量总基数使我国水泥生产总量仍就占据了全球总产量的56.5％，可以预见的是，未来一段时间内，我国水泥产量虽有下降，但仍将保持较高的生产总量。虽然混凝土有各项优异的性能，但其在严酷环境下服役寿命短暂，性能劣化快。我国近年来因盐类侵蚀混凝土而造成的混凝土结构提早失效时有发生，这不仅导致了国家财富大量流失，而且造成了资源与能源的极大浪费。

水泥混凝土是一种典型的多相、多尺度非均匀材料，其物理力学性能、变性行为和传输性能很大程度上取决于其细微观结构的特征。而绝大部分水泥混凝土长期处于非饱和的服役状态，不同的饱和度大小会对混凝土的传输性能造成极大的影响监测非饱和状态下水泥混凝土传输过程中的电阻率变化过程，可用来监控水泥混凝土在非饱和状态下的传输行为，以更好地预测水泥混凝土的长期服役性能。采用测试电阻率的方法来监测非饱和状态下水泥混凝土的传输过程是一种有效可行的方法。目前的主流电阻率法主要测试离子在水泥混凝土中的扩散系数，但主流方法仅能得到非饱和状态至饱和状态过程中离子在水泥混凝土中的平均扩散系数，抑或不能解决电极与水泥混凝土产生接触电阻、电极极化等现象。因此，在避免电极极化、接触电阻等问题的前提下，研发非饱和状态下水泥混凝土传输过程中的电阻率测量装置具有十分重要的工程价值，为水泥混凝土质量监控提供了科学的实验仪器，应用前景十分广阔。

发明内容

发明目的：针对现有技术存在的技术问题，本申请提供了一种非饱和混凝土传输过程中电阻率变化的测量装置，实现避免电极极化、接触电阻等问题的非饱和状态混凝土传输过程电阻率变化的准确测试，并计算得到离子在混凝土中的稳态扩散系数。

技术方案：本申请所述的非饱和混凝土传输过程中电阻率变化的测量装置测试平台底座、水平校准模块、电阻率测量模块、人机接口模块和控制器，其中，所述水平校准模块包括连接垫板、气泡水准仪、三个平衡脚螺旋，可校准样品仓和溶液仓的水平；所述电阻率测量模块包括电压感应环、微电流传感器、电压感应器、样品仓及溶液仓；样品仓和溶液仓闭合形成环状与电压感应环相扣；微电流传感器以及电压感应器分别监测样品仓和溶液仓形成的闭合环中的感应电流与感应电压并送至控制器中；控制器控制电压感应环中的电压；所述人机接口模块包括数据采样分析部分和显示部分，数据采样分析部分按一定频率对控制器的检测值进行采样并分析，显示部分显示数据采样分析部分的分析结果。

作为一种改进，本申请中所述电阻率测量模块的控制器，其相关控制电路可利用现有成熟电路技术实现，主要包括在工作时控制电压感应环的电压、测量接受微电流传感器的电流值与电压感应器的电压值以及分析获取电阻率，并通过现有技术中的成熟接口电路技术将数据传递至人机接口模块部分如计算机等储存并经过相关分析软件实现电阻率与时间变化关系曲线的绘制，相关分析软件可通过现有成熟软件技术实现。其中优选人机接口模块对控制器的检测值为主动采样，采样频率可通过软件按需要设定。此外对样品电阻率和样品中离子稳态扩散系数的计算也可由人机接口模块部分完成，即采样对象为控制器检测到的电压和电流值。

作为一种改进，本申请中所述连接垫板应置于测试平台底座上，气泡水准仪应水平固定于连接垫板上，样品仓和溶液仓置于连接垫板上，三个平衡脚螺旋应分别置于连接垫板的三个位置，成三角分布便于调节平衡。

作为一种改进，本申请中所述样品仓与溶液仓均为有机玻璃材料制成，其耐腐蚀，电阻率高，保障了测试数据的准确性。

作为一种改进，本申请中所述样品仓与溶液仓接口处均有卡槽，具体的，样品仓两侧的卡槽中部外凸，溶液仓两侧的卡槽中部内凹，可相互嵌合。样品仓和溶液仓的卡槽衔接后用环氧树脂密封接口，且样品仓和溶液仓在测试过程中应密封顶面，保障了测试过程中溶液不会外渗而引起测量误差。

作为一种改进，本申请中所述微电流传感器为环形，其环孔与样品仓和溶液仓闭合形成的环孔相扣。具体的，样品仓与溶液仓闭合形成的环为方形，穿过微电流传感器与电压感应环的环孔，且平行于水平面。因为本申请中的电阻率测量模块为避免直流法测量混凝土电阻率的极化问题，采用了无电极接触的感应方式进行测量。本申请中模拟了一个变压器，其中电压感应环等效于变压器的初级线圈，样品仓与溶液仓组成的闭合环等效于变压器的次级线圈，当在变压器初级线圈上施加一个交流电压(本申请中采用的频率为1kHz正弦信号)时，次级线圈内将感应出一个环电压V，这个电压使样品仓和溶液仓形成的环内产生了一个环形电流I。本申请用1个平行于样品仓和溶液仓，且通过微电流传感器和电压感应环环孔、但不闭合的导线，即电压感应器来测出样品上感应出的电压(V)，用一个微电流传感器来测试通过样品的环电流(I)。无机胶凝材料(如水泥混凝土、地聚合物等)在交流的电压作用下一般表现出电感的特征，即感应出电压与电流之间存在一个相位差

因此可以等效一个电阻与一个电感并联。并根据欧姆定律可以计算出样品和溶液的总电阻。

式中，R_t—整体环电阻，V—感应的环电压，I—感应的环电流，

—环电压与环电流的相位差。

由于使用的交流频率比较低，仅1kHz，完全可以忽略样品电感的影响。同时，当样品加上电场时，样品和溶液中的极化离子在环形回路内首尾相接，互相抵消，因此极化场是及其微弱的。从理论上讲，极化电场是由于电荷积累而产生的，对于这种无电极的闭合环回路，便不再存在电荷积累。尽管不能说极化场是绝对不存在的，但是在测量过程中完全可以忽略。而环电压与环电流相位差近似为0，那么(1)式可以简化为：

即得到相应条件下相应时间样品和溶液的整体电阻。根据欧姆定律，样品与溶液的整体电阻为样品电阻与溶液的电阻之和，即：

R_t＝R_Specimen+R_Solution (3)

式中，R_Specimen—样品的电阻，R_Solution—溶液的电阻。

其中，溶液的电阻可以根据其电阻率、溶液的高度计算得到：

式中，ρ_Solution—溶液的电阻率，L L—样品仓和溶液仓形成的闭合环总长度，S—测试过程中溶液的横截面积。

溶液的电阻率可事先通过液体电阻率测量仪或本实验设备进行测试。联立式(2)、(3)、(4)即可求解得到样品的电阻值。结合固体电阻和电阻率的关系式，可计算得到样品的电阻率值，如式(5)。后期可很容易的通过软件分析得到样品电阻率与时间变化的关系曲线。

在传输过程进行到稳态后，混凝土样品内部的孔溶液浓度与外界浓度一致，根据Nernst-Einstein经典公式可计算得到离子在混凝土样品的稳态扩散系数:

式中，D_i—离子i的稳态扩散系数，R—相对气体常数，T—绝对温度，Z_i—离子i的电荷数或价位，F—法拉第常数，C_i—离子i的浓度。

本申请的装置在测量时其测量方法包括以下步骤：

1)将样品4个表面用环氧树脂密封，仅剩用于传输的两个对面，并用环氧树脂将样品与样品仓固定；

2)将样品仓和溶液仓连接，调整电阻率测试平台上方的三个平衡脚螺旋位置，保持样品仓和溶液仓闭合环的水平，最后用环氧树脂密封样品仓与溶液仓的接缝；

3)待环氧树脂硬化后，在溶液仓中注入与样品温度一致的一定浓度溶液，同时启动电阻率测量模块并接通人机接口模块采样记录分析相关检测值。

作为一种改进，步骤1)中应用环氧树脂将样品及样品仓的间隙完全密封，保证在测试过程中溶液不会从间隙中通过而对测试结果产生影响。

作为一种改进，步骤2)中的连接垫板应置于测试台上，气泡水准仪应水平固定于连接垫板上，样品仓和溶液仓置于连接垫板上，三个平衡脚螺旋应分别置于连接垫板的三个位置，成三角分布便于调节平衡。

本申请装置在应用时，应先将样品置于样品仓中，由环氧树脂密封样品及样品仓的间隙；然后将样品仓和溶液仓连接，根据气泡水准仪的气泡位置调整电阻率测试平台上方的三个平衡脚螺旋，使得样品仓和溶液仓闭合环保持水平，最后用环氧树脂密封样品仓与溶液仓的接缝；待环氧树脂硬化后，在溶液仓中注入与样品温度一致的一定浓度溶液，同时启动电阻率测量模块并接通人机接口模块采样记录分析相关检测值，以得到非饱和状态下样品传输过程中电阻率随时间的变化曲线。

有益效果：综合运用电磁感应技术，采用连接垫板、气泡水准仪和三个平衡脚螺旋控制溶液仓的液面平整度。在整个监测过程中，监测仪器和样品无需移动即可连续采集并自动记录水泥混凝土在非饱和状态下传输过程中的电阻率参数，后期极易通过相关软件分析获得变化曲线，并通过计算得到水泥混凝土中离子的稳态扩散系数。实现了非饱和状态下水泥混凝土在传输过程中的电阻率变化的连续、自动、原位监测。

附图说明

图1所示为本申请的装置示意图；

图2所示为本申请中电阻率测量模块结构示意图；

图3所示为本申请中水平校准模块结构示意图；

图4所示为采用本申请应用例1的检测结果曲线；

图5所示为采用本申请应用例2的检测结果曲线；

图6所示为采用本申请应用例3的检测结果曲线；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步说明：

如图1所示的一种非饱和状态下混凝土传输过程电阻率变化测量装置包括试平台底座11、水平校准模块2、电阻率测量模块1、人机接口模块3和控制器4。其中如图3所示的水平校准模块2用于校准样品仓和溶液仓的水平状态，包括连接垫板22、气泡水准仪21和平衡脚螺旋23，连接垫板22通过平衡脚螺旋23固定在测试平台底座11上，气泡水准仪21安装在连接垫板22上。

如图2所示的电阻率测量模块1，其包括电压感应环12、微电流传感器14、电压感应器13、样品仓16及溶液仓15；样品仓16内放置待测样品17，样品仓16和溶液仓15闭合形成环状与电压感应环12相扣；微电流传感器14以及电压感应器13分别监测样品仓16和溶液仓15形成的闭合环中的感应电流与感应电压并送至控制器4中；控制器4控制电压感应环12中的电压；人机接口模块3包括数据采样分析部分和显示部分，数据采样分析部分按一定频率对控制器的检测值进行采样并分析，显示部分显示数据采样分析部分的分析结果。

电阻率测量模块的控制器，其相关控制电路可利用现有成熟电路技术实现，其与人机接口模块的连接可通过现有技术中的成熟接口电路技术实现，由人机接口模块部分按照一定频率主动对控制器进行采样并记录存储，采样频率可通过软件设置，相关软件可用现有技术的成熟软件技术实现。

结合图4至图6分别为利用本申请的装置和方法进行的三个不同饱和度的具体应用案例的电阻率检测结果，其中：

图4检测结果对应应用例1，采用水灰比为0.40的P·II52.5硅酸盐水泥净浆样品，尺寸为40mm×40mm×40mm，在标准养护室中养护至120d后取出，置于鼓风干燥箱中，控制干燥箱温度每小时上升5℃至80℃，在80℃下持续36h，随后每小时降低5℃至室温。测试溶液为实验室自来水，25℃下电导率为0.00077S/cm，测试环境温度为25℃±1℃。

图5检测结果对应应用例2，采用水灰比为0.40的P·II52.5硅酸盐水泥净浆样品，尺寸为40mm×40mm×40mm，在标准养护室中养护至120d后取出，置于鼓风干燥箱中，控制干燥箱温度每小时上升5℃至80℃，在80℃下持续8h，随后每小时降低5℃至室温。测试溶液为实验室自来水，25℃下电导率为0.00077S/cm，测试环境温度为25℃±1℃。

图6检测结果对应应用例3，采用水灰比为0.40的P·II52.5硅酸盐水泥净浆样品，尺寸为40mm×40mm×40mm，在标准养护室中养护至12d后取出，置于鼓风干燥箱中，控制干燥箱温度每小时上升5℃至60℃，每天记录一次样品的质量，直至间隔两天样品质量变化小于0.01％，随后每小时降低5℃至室温并取出。测试溶液为实验室自来水，25℃下电导率为0.00077S/cm，测试环境温度为25℃±1℃。

具体测试步骤为：

1)将样品4个表面用环氧树脂密封，仅剩用于传输的两个对面，并用环氧树脂将样品与样品仓固定；

2)将样品仓和溶液仓连接，调整电阻率测试平台上方的三个平衡脚螺旋，调整样品仓和溶液仓闭合环的水平，最后用环氧树脂密封样品仓与溶液仓的接缝；

3)待环氧树脂硬化后，在溶液仓中注入与样品温度一致的一定浓度溶液，同时启动电阻率测量模块并接通人机接口模块采样记录分析相关检测值。

通过现有技术中的成熟借口技术将控制器实时监测到的电阻率传输至计算机，并通过相关软件分析样品电阻率随时间变化曲线，应用例1至例3分别得到图4至图6的相应检测结果。

Claims (6)

1.一种非饱和混凝土传输过程中电阻率变化的测量装置，其特征在于，包括测试平台底座(11)、水平校准模块(2)、电阻率测量模块(1)、人机接口模块(3)和控制器(4)，其中，

水平校准模块(2)用于校准样品仓和溶液仓的水平状态，包括连接垫板(22)、气泡水准仪(21)和平衡脚螺旋(23)，所述连接垫板(22)通过平衡脚螺旋(23)固定在测试平台底座(11)上，所述气泡水准仪(21)安装在连接垫板(22)上；

电阻率测量模块(1)包括电压感应环(12)、电压感应器(13)、微电流传感器(14)、溶液仓(15)、样品仓(16)，其中，样品仓(16)和溶液仓(15)闭合形成环状与电压感应环(12)相扣；所述样品仓(16)与溶液仓(15)接口处均有卡槽，样品仓(16)两侧的卡槽中部外凸，溶液仓(15)两侧的卡槽中部内凹，二者相互嵌合，样品仓(16)和溶液仓(15)的卡槽衔接后用环氧树脂密封接口；样品仓(16)与溶液仓(15)闭合形成的环为方形，穿过微电流传感器(14)与电压感应环(12)的环孔，且平行于水平面；微电流传感器(14)以及电压感应器(13)分别监测样品仓(16)和溶液仓(15)形成的闭合环中的感应电流与感应电压，并送至控制器(4)中；控制器(4)还控制电压感应环(12)中的电压；

人机接口模块(3)包括数据采样分析部分和显示部分，数据采样分析部分按一定频率对控制器(4)的检测值进行采样并分析，显示部分显示数据采样分析部分的分析结果；

所述平衡脚螺旋(23)为三个，所述连接垫板(22)呈工字型，其中2个平衡脚螺旋(23)分别位于连接垫板(22)一横与两侧溶液仓(15)交接处，另1个平衡脚螺旋(23)位于连接垫板(22)另一横中心处。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述气泡水准仪(21)水平固定于连接垫板(22)上，样品仓(16)和溶液仓(15)置于连接垫板(22)上。

3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述样品仓(16)和溶液仓(15)均为有机玻璃材料制成。

4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述微电流传感器(14)为环形，其环孔与样品仓(16)和溶液仓(15)闭合形成的环孔相扣，且样品仓(16)和溶液仓(15)在测试过程中进行密封。

5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述电压感应器(13)为1根不闭合导线，其穿过电压感应环(12)与微电流传感器(14)的环孔。

6.采用权利要求1-5中任一所述装置测量非饱和混凝土传输过程中电阻率变化的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将样品4个表面用环氧树脂密封，仅剩用于传输的两个对面，并用环氧树脂将样品与样品仓固定；

(2)将样品仓和溶液仓连接，调整电阻率测试平台上方的三个平衡脚螺旋位置，保持样品仓和溶液仓闭合环的水平，最后用环氧树脂密封样品仓与溶液仓的接缝；

(3)待环氧树脂硬化后，在溶液仓中注入与样品温度一致的一定浓度溶液，同时启动电阻率测量模块并接通人机接口模块采样记录分析相关检测值；测试采用的交流频率为1kHz；

根据欧姆定律计算出样品和溶液的总电阻：

式中，R_t-整体环电阻，V-感应的环电压，I-感应的环电流；

样品与溶液的整体电阻为样品电阻与溶液的电阻之和：

R_t＝R_specimen+R_Solution (3)；

式中，R_Specimen-样品的电阻，R_Solution-溶液的电阻；

溶液的电阻根据其电阻率、溶液的高度计算得到：

式中，p_Solution-溶液的电阻率，L-样品仓和溶液仓形成的闭合环总长度，S-测试过程中溶液的横截面积；

计算样品电阻率：

最后，得到样品电阻率与时间变化的关系曲线。

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