使用交流阻抗技術(shù)的混凝土滲透性快速評(píng)價(jià)

吳立朋，閻培渝

(1．石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院 道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050043;2．清華大學(xué) 土木工程系 土木工程安全與耐久教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

使用交流阻抗技術(shù)的混凝土滲透性快速評(píng)價(jià)

吳立朋1，2，閻培渝2

(1．石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院 道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050043;2．清華大學(xué) 土木工程系 土木工程安全與耐久教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題主要由其滲透性決定。本文提出了一種基于交流阻抗技術(shù)的混凝土氯離子滲透性快速測(cè)試方法。該法測(cè)試時(shí)間短，重復(fù)性好，無(wú)破損性，可對(duì)同一試件進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，且對(duì)不同膠凝材料體系的水泥基材料具有廣泛適用性。理論分析和試驗(yàn)測(cè)試表明，該法與ASTM C1202方法具有很好的相關(guān)性，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果擬合得到了兩者的換算關(guān)系，參照ASTM C1202的滲透性劃分，建立了新的混凝土滲透性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

混凝土滲透性 電阻抗 相關(guān)性

混凝土中氯離子的傳輸性質(zhì)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性至關(guān)重要。為了測(cè)量混凝土中氯離子的傳輸參數(shù)，開發(fā)了多種測(cè)試方法，美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)規(guī)定了 3種測(cè)試方法，即快速氯離子侵入試驗(yàn)［1］(ASTM C1202)，90 d 泡水試驗(yàn)［2］(ASTM C1543)及體擴(kuò)散試驗(yàn)［3］(ASTM C1556)。我國(guó)的《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》將C1202方法及北歐標(biāo)準(zhǔn)NT Build 492(或稱RCM方法)定為推薦方法。ASTM C1202方法因其易用性而成為最為普遍的氯離子傳輸參數(shù)測(cè)試方法。然而，除文獻(xiàn)［4］所指出的一些缺點(diǎn)外，ASTM C1202測(cè)試持續(xù)時(shí)間過長(zhǎng)(6 h)，且屬破壞性試驗(yàn)，不能對(duì)試件進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，也是其短處。SHI caijun經(jīng)理論分析指出ASTM C1202實(shí)際上是一種電導(dǎo)測(cè)試方法［5］。據(jù)此，Zhao Tiejun等提出用固定頻率的小幅交流電對(duì)混凝土試件進(jìn)行電導(dǎo)測(cè)試［6］，但混凝土材料是一種含復(fù)雜成分孔溶液的多孔材料，不同測(cè)試頻率下得到的電導(dǎo)不同。本文基于交流阻抗技術(shù)提出了一種簡(jiǎn)單易行，且與ASTM C1202方法具有很好相關(guān)性的混凝土氯離子傳輸參數(shù)的測(cè)定方法。

1 方法介紹

交流阻抗是研究水泥基材料微、細(xì)觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的一種技術(shù)［7-8］。應(yīng)用到素混凝土滲透性測(cè)試時(shí)，一般采用雙電極體系，通過在試件兩端施加小幅交流擾動(dòng)電壓，測(cè)試試件的電流響應(yīng)，得到其交流阻抗。因施加的交變電壓幅值很小(一般＜500 mV)，故對(duì)混凝土的微結(jié)構(gòu)基本沒有破壞，可以認(rèn)為是一種非破損性試驗(yàn)方法。將試驗(yàn)得到的不同頻率下的阻抗虛部及實(shí)部分別作為縱坐標(biāo)及橫坐標(biāo)，即得Nyquist圖，通過對(duì)Nyquist圖進(jìn)行分析，可得到水泥基材料的豐富信息。

1.1 原材料和配合比

為研究基于交流阻抗技術(shù)的混凝土抗氯離子滲透性測(cè)試方法對(duì)不同膠凝材料體系混凝土的適用性和敏感性，共設(shè)計(jì)了10組配比，其膠凝材料包括P．O42.5普通硅酸鹽水泥、一級(jí)粉煤灰、S95礦渣及凝聚態(tài)硅灰，涵蓋了目前應(yīng)用的絕大部分膠凝材料。所用水膠比固定為0.4，膠凝材料用量為466 kg/m3。細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)2.6的河砂，粗骨料為5～20 mm連續(xù)級(jí)配石灰石。混凝土配合比見表1。

為使各組混凝土具有相近的密實(shí)度，通過使用高效減水劑調(diào)整新拌混凝土的坍落度為150 mm左右。

1.2 試件制備及預(yù)處理

成型φ100 mm×300 mm的圓柱體試件，1 d后拆模，分別養(yǎng)護(hù)至測(cè)試齡期，切割成φ100 mm×50 mm試件，進(jìn)行真空飽水，飽水制度同ASTM C1202。將飽水后的試件先進(jìn)行交流阻抗測(cè)試，再將同一試件進(jìn)行C1202電通量測(cè)試，每個(gè)配比每個(gè)齡期采用3個(gè)試件，測(cè)試值取其平均值。測(cè)試齡期為28 d及90 d。

1.3 測(cè)試儀器及測(cè)試步驟

交流阻抗測(cè)試所用儀器為Parstat 2263型電化學(xué)工作站，電極布置為雙電極體系，電極為100 mm×100mm不銹鋼。采用的頻率范圍為100 mHz～100 kHz，共取60個(gè)頻率點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，各頻率點(diǎn)在總頻率范圍內(nèi)呈對(duì)數(shù)間隔分布。為保證電極與試件緊密接觸，減小界面效應(yīng)影響，采取了以下措施:①在電極和試件間墊入浸泡0.3 mol/L NaOH溶液的濾紙;②使用平板夾具，并施加預(yù)緊力。

表1 混凝土配合比

2 測(cè)試結(jié)果與分析

阻抗測(cè)試典型Nyquist圖見圖1。由圖1可見，圖中有一特征點(diǎn)，其阻抗虛部最小。對(duì)不同配比不同齡期混凝土試件進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率不同(分布于50 Hz～5 kHz之間)，阻抗實(shí)部也不同。故對(duì)不同配比不同齡期混凝土試件采用固定頻率交流電進(jìn)行測(cè)試，得到的阻抗可能包含較大的虛阻抗成分。

圖1 阻抗測(cè)試典型Nyquist圖

根據(jù)特征點(diǎn)(虛阻抗最小點(diǎn))的阻抗實(shí)部及試件尺寸，用式(1)計(jì)算混凝土試件的電導(dǎo)率σ

式中，σ為電導(dǎo)率，S/m;L為試件厚度，為0.05 m;A為試件截面積，為0.01 m2;為特征實(shí)阻抗，Ω。

從交流阻抗測(cè)試的導(dǎo)電機(jī)理分析，混凝土試件中起導(dǎo)電作用的成分為孔溶液中的離子，如OH－，K+，Ca2+，Na+，SO等。劈開完成ASTM C1202測(cè)試的試件，在斷面上噴涂 AgNO3溶液，發(fā)現(xiàn)氯離子并未穿透混凝土，說明在陽(yáng)極端起導(dǎo)電作用的離子并不包括氯離子。故交流阻抗測(cè)試的導(dǎo)電機(jī)理和ASTM C1202測(cè)試的導(dǎo)電機(jī)理相同，可預(yù)期交流阻抗測(cè)試得到的特征電導(dǎo)率與ASTM C1202得到的電通量之間存在相關(guān)關(guān)系。兩種方法的測(cè)試結(jié)果見圖2。

圖2 特征電導(dǎo)率與電通量間的關(guān)系

由圖2可見，對(duì)不同膠凝材料體系不同齡期混凝土采用交流阻抗方法得到的特征電導(dǎo)率σ均與ASTM C1202方法得到的電通量Q間存在良好的線性關(guān)系，其關(guān)系式見式(2)。兩者的相關(guān)系數(shù)為0.96。

根據(jù)ASTM C1202的滲透性評(píng)級(jí)準(zhǔn)則［1］和式(2)可得到新方法的滲透性評(píng)級(jí)準(zhǔn)則，見表2。

表2 混凝土特征電導(dǎo)率法滲透性評(píng)級(jí)準(zhǔn)則

可見，交流阻抗試驗(yàn)測(cè)得的特征電導(dǎo)率值通過式(2)可換算得到ASTM C1202的電通量值，通過表2可得到試件的滲透性等級(jí)。新方法的特點(diǎn)在于:①測(cè)試時(shí)間非常短，在本文采用的掃頻范圍內(nèi)測(cè)試時(shí)間＜5 min，且可僅對(duì)特征阻抗對(duì)應(yīng)的頻率范圍進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)間可縮短至10 s;②屬非破損性試驗(yàn)方法，可對(duì)同一試件進(jìn)行持續(xù)研究;③在飽水充分的前提下，測(cè)試結(jié)果的可重復(fù)性很好;④施加的交變電壓很低，可有效避免極化現(xiàn)象的產(chǎn)生。

3 結(jié)論

1)基于阻抗測(cè)試技術(shù)，提出了一種混凝土滲透性快速評(píng)價(jià)方法。

2)交流阻抗測(cè)試得到的特征電導(dǎo)率與ASTM C1202方法得到的電通量之間存在良好的線性相關(guān)關(guān)系。在本文研究的范圍內(nèi)，該關(guān)系不隨膠凝材料體系及齡期的改變而變化。

3)依據(jù)ASTM C1202的滲透性評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和兩種方法的換算關(guān)系，建立了新的滲透性評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

［1］American Society for Testing and Materials．ASTM C1202-12:Standard Test Method for Electrical Indication of Concrete's Ability to Resist Chloride Ion Penetration［S］．West Conshohocken:ASTM，2012．

［2］American Society for Testing and Materials．ASTM C1543-10a:Standard Test Method for Determining the Penetration of Chloride Ion into Concrete by Ponding［S］．West Conshohocken:ASTM，2010．

［3］American Society for Testing and Materials．ASTM C1556-11a:Standard Test Method for Determining the Apparent Chloride Diffusion Coefficient of Cementitious Mixtures by Bulk Diffusion［S］．West Conshohocken:ASTM，2011．

［4］史才軍，元強(qiáng)，鄧德華，等．混凝土中氯離子遷移特征的表征［J］．硅酸鹽學(xué)報(bào)，2007，35(4):522-530．

［5］SHI Caijun．Effect of mixing proportions of concrete on its electrical conductivity and the rapid chloride permeability test results［J］．Cement and Concrete Research，2004，34(3):537-545．［6］ZHAO Tiejun，ZHOU Zonghui，ZHU Jinquan，etal． An alternating test method for concrete permeability［J］． Cement and Concrete Research，1998，28(1):7-12．

［7］NEITHALATH N，JAIN N．Relating rapid chloride transport parameters of concretes to microstructural features extracted from electrical impedance［J］．Cement and Concrete Research，2010，40(7):1041-1051．

［8］DIAZ B，NOVOA X R，PEREZ M C．Study of the chloride diffusion in mortar:A new method ofdetermining diffusion coefficients based on impedance measurements［J］． Cement and Concrete Composites，2006，28(3):237-245．

Rapid assessment of concrete permeability using alternating current(AC)impedance spectroscopy technology

WU Lipeng1，2，YAN Peiyu2

(1．Key Laboratory of Roads and Railway Engineering Safety Control of Ministry of Education，School of Civil Engineering，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang Hebei 050043，China;2．Key Laboratory of Civil Engineering Safety and Durability of China Education Ministry，Department of Civil Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China)

The durability of concrete structure is mainly determined by its permeability．This paper proposed a rapid test method for concrete chloride ion permeability based on AC impedance technique，which has the feature of short test duration，good repeatability，and non-destructivity，is feasible for longterm monitoring of specific specimen，and is applicable to cement base materials with variable cementitious systems．The theoretical analysis and testing results showed that this method and ASTM C1202 has good correlation，the conversion relationship is found by linear regression based on experimental results，and the new concrete permeability grading criteria is established according to the old one of ASTM C1202．

Concrete permeability;Electric impedance;Correlativity

TU528.01

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．04．49

1003-1995(2013)04-0160-03

2012-10-20;

2013-01-20

北京市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(8100001)

吳立朋(1981— )，男，河北石家莊人，講師，博士。

(責(zé)任審編 葛全紅)