盐碱环境下混凝土电性参数差异性

漆玉茂， 黄俊革， 卢思同， 张 彧， 刘 宇

(上海应用技术大学 城市建设与安全工程学院， 上海 201418)

我国新疆和北方部分地区、沿海地区都有盐碱分布。盐碱环境下混凝土易受侵蚀，主要有如下几种方式:①直接的化学侵蚀:主要指混凝土保护层遭受环境中的酸性成分的化学作用。②碱-基料反应。③硫酸盐侵蚀。④内部加强筋的腐蚀,如钢筋的腐蚀[1]。对新疆的盐碱采样分析结果表明，阴离子中，以氯离子和硫酸根离子为主，其最大含量分别为15.39、141.86 g/kg，平均含量分别为1.73、10.91 g/kg，阳离子以钠离子为主。由于力学与非力学原因的影响，浇筑后的混凝土在使用前就已经存在微裂缝，而外部荷载和环境条件作用会使混凝土产生更多的微裂缝并使其相互连通[2]，形成大量的物质迁移通道，加速水及侵蚀物质在混凝土内的传输[3]。有些离子的富集将降低混凝土的承载力，如水泥杆菌的形成；有些离子会破环钢筋表面的钝化膜，使钢筋产生锈蚀，进而影响混凝土结构的承载力。

为了有效地提高建筑物的安全性，需在有害离子侵入混凝土的初期采取相应预防措施，必须对影响混凝土内部介质腐蚀、钢筋锈蚀的环境与时空变化规律进行有效检测与监测。目前检测的方法有化学和物理方法2种。化学方法[4]为直接检测方法，在混凝土中的敏感部位局部采样后进行化学分析，确定有害离子含量。这种方法会对混凝土结构造成损伤，影响混凝土的整体性能。物理法包括红外热像技术法、超声波检测法、电阻率法等。红外热像技术法可以快速、非接触地扫查检测物表面，不损伤检测物，结果直观形象，是一种灵敏的监测/检测方法[5]。在无损检测中超声波检测有着非常重要的地位，用该法检测方便简单，不受设备形状限制、检测速度快[6]。超声波法检测钢筋未发生明显锈胀裂纹时，其检测结果不够精确，通常将其用来检测钢筋所在结构内的位置[7]。电阻率法易受混凝土内部钢筋的影响，难以准确观测介质中离子的变化情况。而极化率参数基本不受内部钢筋影响，可通过研究混凝土内部激发极化效应，观测混凝土的极化率来检测混凝土内部离子变化情况。电阻率法或激发极化法都是以地壳中岩石和矿石的导电性或激电效应等物理性质的差异为物质基础，通过观测与研究人工建立的地中电流场或激电场的分布规律解决地质问题。因此本文为了考察不同盐碱离子拌和的混凝土试块电性参数的差异性，以各试块在养护期内的电阻率、极化率等电性参数为研究对象，利用SPSS 22通过单因素方差分析，判断各试块电性参数的差异性。

1 试验方法

1.1 试验材料及配合比

试验采用普通硅酸盐水泥，含矿物成分C3S、C2S、C3A、C4AF；细骨料为当地河砂，最大粒径不大于2 mm。粗骨料采用碎石，用筛子筛选出5～20 mm粒径的部分用于制作混凝土试块。筛选骨料时仔细选出掺杂着的各类杂质以减少实验误差。配合比为水∶水泥∶砂∶碎石=0.44∶1 ∶1.312∶2.666，清水试样用自来水拌合作为对比试块；根据盐碱成分分析的结果，其他试块分别用不同浓度的氯化钠溶液、硫酸钠溶液进行拌和，混凝土配合比设计方案见表1。

表1 混凝土配合比设计

1.2 试件成型及养护

拌和料采用搅拌机进行搅拌，先将量好的溶质缓慢倒入量好的水中，搅拌均匀；再将水泥、砂、碎石加入搅拌锅内干拌 30 s拌均匀，最后将溶液缓慢加入搅拌器中进行搅拌。搅拌完成后，将拌合物浇筑于70 mm×70 mm×90 mm的试模中，放置于振动台振动5 min，振动完成后用抹刀刮去多余部分，并将上表面抹平整。将成型后的试件移入养护室，养护12 h后拆模，将拆模后的试块进行自然养护28 d，定时每天测量试块的电阻率值、极化率值。

1.3 试件大小及观测方法

实验测量仪器为WDCB-1岩石标本电性测试仪器、PDJB-1 岩石标本电性测试架配合能同时完成岩石标本的电阻率参数和激电参数的测量、存储。测量时，将试块放置在两极化罐中间，并用支撑架调整试块的高度，使其中心与极化罐中心对齐，电流从试块两端流入或流出，可消除边界效应的影响。为了使试块模型与试架尺寸适应，测量更精准，试块模型的大小设定为70 mm×70 mm×90 mm。测量时，对同一试块测量10次，取其平均值作为当天的测量数据。测量装置图如图1所示。

图1 测量装置图

1.4 养护龄期内各试块电阻率值/极化率值测量结果

采用上述测量装置测量养护龄期28 d内各试块的电阻率值、极化率值，将其测量数据绘图,如图2～图5所示。

图2 养护龄期内不同盐碱溶液拌和的混凝土试块电阻率

图3 养护龄期内不同盐碱溶液拌和的钢筋混凝土试块电阻率

图4 养护龄期内不同盐碱溶液拌和的混凝土试块极化率

图5 养护龄期内不同盐碱溶液拌和的钢筋混凝土试块极化率

对同一浓度不同溶质试块，不同浓度同一溶质试块的电性参数进行差异性分析，利用SPSS 22软件分别对试块所测的电阻率、极化率进行单因素方差分析，对各试块在养护期内的电阻率、极化率等电性参数进行研究。

2 盐碱元素对混凝土电阻率的影响

混凝土的电阻率首先取决于混凝土毛细孔的饱水率，其次为混凝土的孔结构、孔隙液离子浓度和温度。混凝土质量 (水灰比、凝结硬化状况、外加剂等)也会在很大程度上影响混凝土的电阻率[8]。

2.1 不同盐碱离子混凝土试块的电阻率差异性分析

不同盐碱离子混凝土试块的电阻率差异性分析，如表2所示。从5类不同离子混凝土试块电阻率差异来看，清水混凝土试块与3%硫酸钠试块的电阻率差异不显著，与6%硫酸钠、15%硫酸钠、3%氯化钠的试块的电阻率差异均显著。3%硫酸钠与6%硫酸钠试块的电阻率差异显著，与15%硫酸钠、3%氯化钠的试块的电阻率差异均不显著。6%硫酸钠与15%硫酸钠试块的电阻率差异不显著。正是因为在试块中加入离子，改变了试块的导电性，使加了离子的试块与清水试块的电阻率差异显著。且氯离子与硫酸离子对水泥水化反应的促进作用，会加速消耗试块的自由水，改变试块中的离子浓度，从而清水试块与3%氯化钠、3%硫酸钠试块的电阻率值之间呈现不同的差异性，可分辨是3%氯盐的侵蚀或是3%硫酸盐的侵蚀。

表2 不同盐碱离子混凝土试块的电阻率差异性分析 Tab.2 Resistivity difference analysis of concrete blocks with different saline alkali ions

2.2 不同盐碱离子钢筋混凝土试块的电阻率差异分析

由表3中的显著性可知，清水钢筋试块与3%硫酸钠、6%硫酸钠钢筋试块的电阻率差异均不显著，与15%硫酸钠、3%氯化钠钢筋试块的电阻率差异均显著。3%硫酸钠钢筋试块与6%硫酸钠、15%硫酸钠、3%氯化钠钢筋试块的电阻率差异均不显著。6%硫酸钠与15%硫酸钠钢筋试块的电阻率差异显著。因氯离子与硫酸离子会促进水泥水化反应，加速消耗试块内的自由水，改变试块内的离子浓度，从而改变试块的导电性，使其与清水试块的电阻率间呈现不同的差异性，可根据差异性是否显著分辨是3%氯盐试块或是3%硫酸盐试块。同时可根据与清水钢筋试块电阻率差异性是否显著，判别硫酸盐的浓度。

表3 不同盐碱离子钢筋混凝土试块的电阻率差异性分析

3 盐碱元素对混凝土极化率的影响

在人工电流场一次场或激发场作用下，具有不同电化学性质的岩石或矿石，由于电化学作用将产生随时间变化的二次电场(激发极化场)。这种物理化学作用称为激发极化效应[9]。通常用极化率来表示被测岩石产生激发极化现象的程度，它等于二次电场产生的最大电压ΔU2与总电场产生的最大电压ΔU的比电位，比值消除同样存在的影响因素，公式如下所示。

(1)

式中：η为极化率；ΔU2为二次电场；ΔU为一次电场与二次电场之和。利用极化率参数进行金属矿勘查、石油探测、海底地质调查等工作时，极化率值不易受地形影响，可如实反映岩石中的极化体空间位置，观测精确。同样，用极化率法观测混凝土时，消除了混凝土内钢筋因素的影响，可以如实地反映混凝土内部介质离子变化情况，因此可通过观测混凝土的极化率来检测混凝土内部离子变化情况。

3.1 不同盐碱离子混凝土试块的极化率差异性分析

表4 不同盐碱离子混凝土试块的极化率差异性分析

3.2 不同盐碱离子钢筋混凝土试块的极化率差异性分析

表5 不同盐碱离子钢筋混凝土试块的极化率差异性分析

4 结 语

(1) 差异性分析表明，对混凝土试块来说，清水与3%硫酸钠试块的电阻率差异显著，与其他溶液试块的电阻率差异均不显著；对钢筋混凝土来说，清水与3%硫酸钠、6%硫酸钠试块的电阻率差异均不显著，与15%硫酸钠、3%氯化钠试块的电阻率差异均显著；清水混凝土试块与各溶液混凝土试块的极化率均存在显著性差异，清水钢筋混凝土试块与各溶液钢筋混凝土试块的极化率均存在显著性差异。不论是混凝土试块还是钢筋混凝土试块，溶液拌和试块的电阻率之间的差异性不全显著，溶液拌和试块的极化率之间的差异性也不全显著。

(2) 上述各溶液试块极化率与清水试块极化率的差异均显著，而各溶液试块的电阻率与清水试块的电阻率差异不全显著，因此可用极化率参数分辨混凝土试块是否受离子侵蚀，采用极化率参数探测混凝土被盐碱侵蚀情况是可行的。