使用交流阻抗技术的混凝土渗透性快速评价.pdf

1 60 铁道建筑 Ra i l wa y En g i n e e r i n g 文章编 号 ： 1 0 0 3 - 1 9 9 5 ( 2 0 1 3 ) 0 4 0 1 6 0 0 3 使用 交流 阻抗技术 的混凝 土渗透性快速评价 吴 立 朋 ， 阎培 渝 ( 1 石家庄铁道大学 土木工程学院 道路与铁 道工程安全保 障省部共建教育部重点实验 室， 河北 石家庄0 5 0 0 4 3 ； 2 清华大学 土木工程系 土木工 程安全与耐久教育部重点实验室 ， 北京 1 0 0 0 8 4 ) 摘要 ： 混凝土结构的耐久性问题主要 由其渗透性决定。本文提 出了一种基 于交流阻抗技术的混凝土氯 离子 渗透性 快速 测试 方 法。该 法测试 时 间短 ， 重复性好 ， 无破 损性 ， 可对 同一试 件进行 长期 监测 ， 且对 不 同胶凝材料体 系的水泥基材料具有广泛适用性。理论分析和试验测试表 明， 该法与 A S T M C 1 2 0 2方法 具有很好的相关性， 并根据试验结果拟合得到 了两者的换算关 系， 参照 A S T M C 1 2 0 2的渗透性划分， 建 立 了新 的混凝 土渗透 性分级 标 准。 关键 词 ： 混凝 土渗透性 电 阻抗 相 关性 中 图分类 号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标 识码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 - 1 9 9 5 2 0 1 3 0 4 4 9 混凝土中氯离子的传输性质对混凝土结构的耐久 性至关重要 。为了测量混凝 土中氯离子的传输参数 ， 开发 了多种 测 试 方 法 ， 美 国材 料 与 试 验 协 会 ( A S T M) 规定 了 3种 测 试 方法 ， 即快 速 氯 离子 侵 入 试验 ( A S T M C 1 2 0 2 ) ， 9 0 d泡水试验 ( A S T M C 1 5 4 3 ) 及体 扩散试 验 ( A S T M C 1 5 5 6 ) 。我 国 的 普 通混 凝 土 长 期性 能和 耐久性 能试 验方 法 标准 将 C 1 2 0 2方法 及 北 欧标准 N T B u i l d 4 9 2 ( 或称 R C M方法) 定为推荐方法 。 A S T M C 1 2 0 2方法因其易用性而成为最为普遍 的氯离 子传输参数测试方法 。然而 ， 除文献 4 所指出的一 些缺 点 外 ， A S T M C 1 2 0 2测 试 持 续 时 间过 长 ( 6 h ) ， 且 属破坏性试验， 不能对试件进行长期监测 ， 也是其 短 处 。S H I c a i j u n经 理 论分 析 指 出 A S T M C 1 2 0 2实 际 上 是一种 电导测试方法 。据此， Z h a o T i e j u n等提 出用 固定频率的小幅交流电对混凝土试件进行电导测试 。 ， 但混凝土材料是一种含复杂成分孔溶液的多孔材料， 不 同测试频率下 得 到 的电导 不 同。本文基 于 交流 阻抗 技 术提出了一种简单易行 ， 且与 A S T M C 1 2 0 2方法具有很 好相关性的混凝土氯离子传输参数的测定方法。 1 方法介绍 交流阻抗是研究水泥基材料微、 细观结构和化学 反应机理的一种技术 。应用到素混凝土渗透性测 试时 ， 一般采用双 电极体系 ， 通过在试件两端施加小幅 收稿 日期 ： 2 o 1 2 1 0 - 2 0 ； 修 回日期 ： 2 0 1 3 一 O 1 2 0 基金项 目： 北京市 自然科学基金重点项 目( 8 1 0 0 0 0 1 ) 作者 简介： 吴立朋 ( 1 9 8 l 一) ， 男 ， 河北石 家庄人 ， 讲师 ， 博士。 交流 扰动 电 压 ， 测试 试 件 的 电流 响应 ， 得 到 其 交 流 阻 抗 。因施加 的交变 电压 幅值很 小 ( 一 般 5 0 0 m V) ， 故 对混凝土的微结构基本没有破坏， 可以认为是一种非 破损性试验方法。将试验得到的不同频率下的阻抗虚 部及实部分别作为纵坐标及横坐标， 即得 N y q u i s t 图， 通过对 N y q u i s t 图进行分析， 可得到水泥基材料的丰富 信息 。 1 1 原 材料 和配合 比 为研究 基于交 流 阻抗 技术 的混凝 土抗氯 离子渗 透 性测试方法对不同胶凝材料体系混凝土的适用性和敏 感性 ， 共设计 了 1 0组配 比， 其胶凝材料包括 P O4 2 5 普通硅 酸盐水泥 、 一级粉煤灰、 $ 9 5矿渣及凝 聚态硅 灰 ， 涵 盖 了 目前应 用 的绝 大 部分 胶 凝 材料 。所 用 水 胶 比固定 为 0 4 ， 胶凝材 料 用量 为 4 6 6 k g n l 。细骨料 为 细度模数 2 6的河砂 ， 粗骨料为 5 2 0 mm连续级配 石灰 石 。混 凝土配 合 比见表 1 。 为使各组混凝土具有相近的密实度 ， 通过使用高 效减水剂调整新拌混凝土的坍落度为 1 5 0 m i l l 左右。 1 2试 件 制备及预 处理 成 型 6 1 o o mm 3 0 0 m m 的 圆柱体 试 件 ， 1 d后 拆 模 ， 分别养护至测试龄期 ， 切割成 6 1 o o m m 5 0 I B m试 件 ， 进行真空饱水 ， 饱水制度 同 A S T M C 1 2 0 2 。将饱水 后 的 试 件 先 进 行 交 流 阻 抗 测 试 ， 再 将 同一 试 件 进 行 C 1 2 0 2电通量测试 ， 每个配 比每个龄期采用 3个试件 ， 测试值取其平均值 。测试龄期为 2 8 d及 9 0 d 。 1 3 测试 仪器及 测试步 骤 交流阻抗测试所用仪器为 P a r s t a t 2 2 6 3型 电化学 工作站 ， 电极布置为双电极体系 ， 电极为 1 0 0 m m1 0 0 2 0 1 3年第 4期 吴 立朋 等 ： 使用交流阻抗技术 的混凝土渗透性快速评价 1 6 1 m m不锈钢。采用 的频率范 围为 1 0 0 mH z一1 0 0 k H z ， 共取 6 O个频率点进行测试 ， 各频率点在总频率范围内 呈对数间隔分布 。为保证电极 与试件 紧密接触 ， 减小 界面效应影响 ， 采取了以下措施 ： 在电极和试件问垫 入浸泡 0 3 m o l L N a O H溶 液的滤纸； 使 用平板夹 具 ， 并施 加 预紧力 。 2 测试 结果与分析 阻抗测 试典 型 N y q u i s t 图见 图 1 。 由图 1可 见 ， 图 中有一特征点 ， 其 阻抗虚部最小 。对不同配比不 同龄 期混凝土试件进行测试 ， 发现该特征点对应 的频率不 同 ( 分 布于 5 0 H z 5 k H z 之 间 ) ， 阻抗实 部也 不 同 。故 对不同配比不同龄期混凝土试件采用固定频率交流电 进 行测 试 ， 得到 的阻 抗可 能包 含较 大 的虚阻抗 成 分 。 c ； 赣 搐 盛 1 2 0 0 1 3 0 0 1 4 0 0 1 5 0 0 1 6 0 01 7 0 0 1 8 0 01 9 0 0 2 0 0 0 阻抗( 实部) 胞 图 1 阻抗测试典型 N y q u i s t 图 根据特征点 ( 虚 阻抗最小点 ) 的阻抗实部及试件 尺寸 ， 用式 ( 1 ) 计算混凝土试件的电导率 一 一 式 中， 为电导率 ， S m； 为试件厚度 ， 为 0 0 5 m； 为 试件截面积 ， 为 0 0 1 m ； 为特征实阻抗 ， n。 从交流阻抗测试 的导 电机理分析， 混凝 土试件 中 起导 电作 用 的 成分 为孔 溶 液 中 的离 子 ， 如 O H一， K ， ca “ ，N a ， S O ： 一等。劈开完成 A S T M C 1 2 0 2测试的试 件 ， 在断面上喷涂 A g N O 溶液 ， 发现氯离子并未穿透 混凝土 ， 说明在阳极端起导电作用 的离子并不包括氯 离 子 。故交 流阻抗 测试 的导 电机 理 和 A S T M C 1 2 0 2测 试 的导 电机理 相 同 ， 可 预 期 交 流 阻抗 测 试 得 到 的特 征 电导率与 A S T M C 1 2 0 2得到的电通量之间存在相关关 系 。两 种方 法 的测试结 果见 图 2 。 图 2 特征电导率与电通量间的关 系 由图2可见 ， 对不同胶凝材料体系不 同龄期混凝 土采用 交 流阻抗 方法 得到 的特 征 电导率 均 与 A S T M C 1 2 0 2方法得到的电通量 p间存在 良好的线性关 系， 其关系式见式( 2 ) 。两者的相关系数为 0 9 6 。 Q =2 41 0 x 一3 0 0 ( 2 ) 根据 A S T M C 1 2 0 2的渗 透性 评 级 准则 和 式 ( 2 ) 可得到新方法的渗透性评级准则 ， 见表 2 。 表 2 混凝 土 特 征 电 导 率 法渗 透性 评 级 准 则 特征电导率 (1 0 S m) 氯离子渗透性 高 中等 低 非常低 可忽 略 姗 o 砉砉 删 m 加 ，、 咖 1 6 2 铁道建筑 A p ri l ， 2 0 1 3 可见 ， 交流阻抗试验测得的特征 电导率值通过式 ( 2 ) 可换算得到 A S T M C 1 2 0 2的电通量值 ， 通过表 2可 得到试件的渗透性等级。新方法 的特点在于 ： 测试 时 间非 常 短 ， 在 本 文 采 用 的 扫频 范 围 内测 试 时 间 5 mi n ， 且可仅对特征阻抗对应 的频率范 围进行测试 ， 测 试时问可缩短至 1 0 S ； 属非破损性试验方法 ， 可对同 一 试件进行持续研究 ； 在饱水充分的前提下 ， 测试结 果的可重复性很好 ； 施加的交变电压很低 ， 可有效避 免极 化 现象 的产生 。 3 结 论 1 ) 基于阻抗测试技术， 提出了一种混凝土渗透性 快 速评 价方 法 。 2 ) 交 流 阻抗 测 试得 到 的特 征 电导 率 与 A S T M C 1 2 0 2方 法得 到 的电通量之 间存 在 良好 的线 性相 关关 系。在本文研究的范围内， 该关 系不随胶凝材料体系 及龄期 的改变而 变化 。 3 ) 依据 A S T M C 1 2 0 2的渗 透性评 级标 准和两 种方 法的换算关系， 建立了新 的渗透性评级标准。 参 考 文 献 1 A m e r i c a n S o c i e t y f o r T e s t i n g a n d M a t e r i a l s A S T M C 1 2 0 2 1 2 ： S t a nd a r d Te s t Me t ho d for El e c t r i c a l I n di c a t i o n o f Co n c r e t e S Ab i l i t y t o R e s i s t C h l o r i d e I o n P e n e t r a t i o n S We s t C o n s h o h o c k e n ： A S T M， p i d a s s e s s me n t o f c o n c r e t e 2Ol 2 2 A m e ri c a n S o c i e t y fo r T e s t i n g a n d Ma t e ri a l s A S T M C 1 5 4 3 1 0 a ： S t a n d a r d Te s t Me t h o d for De t e r mi ni n g t he Pe ne t r a t i o n o f Ch l o r i de I o n i n t o C o n c r e t e b y P o n d i n g s We s t C o n s h o h o e k e n ： A S T M， 2 01 0 3 A m e r i c a n S o c i e t y fo r T e s t i n g a n d Ma t e r i a l s A S T M C 1 5 5 6 1 1 a ： St a n d a r d Te s t Me t ho d for De t e r mi n i ng t he Ap pa r e n t Ch l o r i d e Di f f us i o n Co e f f i c i e n t o f Ce me n t i t i o u s Mi x t u r e s b y Bul k Di f f us i on s We s t C o n s h o h o c k e n ： A S T M， 2 0 1 1 4 史才军 ， 元强 ， 邓德华 ， 等 混凝土 中氯离子迁移特征的表征 J 硅酸盐学报 ， 2 0 0 7， 3 5 ( 4 ) ： 5 2 2 5 3 0 5 S H I C a i j u n E f f e c t o f mi x i n g p r o p o r t i o n s o f c o n c r e t e o n i t s e l e c t r i c a l c o n du c t i v i t y a n d t h e r a pi d c h l o r i d e p e r me a b i l i t y t e s t r e s u l t s J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 4 ， 3 4 ( 3 ) ： 5 3 7 5 4 5 6 Z H A O T i e j u n ，Z H O U Z o n g h u i ，Z H U J i n q u a n ，e t a 1 A n a l t e r n a t i n g t e s t me t h o d fo r c o n c r e t e p e r me a b i l i t y J C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h， 1 9 9 8， 2 8 ( 1 )： 7 1 2 7 N E I T H A L A T H N， J A I N N R e l a t i n g r a p i d c h l o ri d e t r a n s p o r t pa r a m e t e r s o f c o n c r e t e s t o m i c r os t r u e t u r a l f e a t u r e s e x t r a c t e d f r o m e l e c t r i c a l i m p e d a n c e J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 1 0 ， 4 0 ( 7)： 1 0 4 1 1 0 51 【 8 D I A Z B， N O V O A X R， P E R E Z M c S t u d y o f t h e c h l o ri d e d i f f us i o n i n mo r t a r ： A n e w me t h o d o f de t e r mi ni n g di f f u s i o n c o e ffic i e n t s b a s e d o n i m p e d a n c e m e a s u r e m e n t s J C e m e n t a n d C o n c r e t e C o mp o s i t e s ， 2 0 0 6， 2 8( 3) ： 2 3 7 2 4 5 pe r me a b i l i t y us i n g a l t e r n a t i n g c u r r e n t( A C)i mp e d a n c e s p e c t r o s c o p y t e c h n o l o g y W U Li p e n g ，YAN Pe i y u ( 1 Ke y L a b o r a t o r y o f R o a d s a n d R a i l wa y En g i n e e r i n g S a f e t y C o n t r o l o f Mi n i s t ry o f E d u c a t i o n， S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g， S h i j i a z h u a n g T i e d a o Un i v e r s i t y ， S h i j i a z h u a n g He b e i 0 5 0 0 4 3， C h i n a ； 2 Ke y La b o r a t o r y o f Ci v i l Eng i n e e r i n g S a f e t y a n d Du r a b i l i t y o f Ch i n a Ed u c a t i o n Mi n i s t ry ， D e p a r t m e n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， T s i n g h u a U n i v e r s i t y ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 4 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Th e d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e s t r u c t u r e i s ma i n l y d e t e r mi n e d b y i t s p e r me a b i l i t y T h i s p a p e r p r o p o s e d a r a p i d t e s t me t h o d f o r c o n c r e t e c h l o r i d e i o n p e r me a bi l i t y b a s e d o n AC i mp e d a n c e t e c h n i q u e， w h i c h h a s t h e f e a t u r e o f s h o r t t e s t d u r a t i o n， g o o d r e p e a t a b i l i t y ， a n d n o n d e s t r u c t i v i t y， i s f e a s i b l e for l o n g t e r m mo n i t o r i n g o f s p e c i f i c s p e c i me n，a n d i s a p p l i c a b l e t o c e me n t b a s e ma t e r i a l s wi t h v a r i a b l e c e me n t i t i o us s y s t e ms Th e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n d t e s t i n g r e s u hs s h o we d t h a t t h i s me t h o d a n d AS TM C 1 2 0 2 h a s g o o d c o r r e l a t i o n，t h e c o n v e r s i o n r e l a t i o n s h i p i s f o u n d b y l i n e a r r e g r e s s i o n b a s e d o n e x p e r i me n t a l r e s u l t s ， a n d t h e n e w c o n c r e t e p e r me a b i l i t y g r a d i n g c r i t e r i a i s e s t a b l i s h e d a c c o r d i n g t o t h e o l d o n e o f AS TM C1 2 0 2 Ke y wo r ds ： Co n c r e t e p e r me a b i l i t y； El e c t r i c i mpe d a n c e； Co r r e l a t i v i t y ( 责任 审编葛全红)