混凝土表面电阻率影响因素试验研究

牛维宏，徐清，张凯，马忍，彭东航

（昆明理工大学 建筑工程学院，云南 昆明 650504）

0 引言

混凝土表面电阻率是一个电学参数，其反映了每单位长度混凝土阻挡电流的能力，属于混凝土表层性能，表示为混凝土表层1～5 cm 电阻率的情况。实际工程中，可以通过对混凝土电阻率进行分析，来评判混凝土材料的多种性能。有研究表明，通过电阻率可表征混凝土抗碳化和抗氯盐侵蚀能力[1]；还可准确找出混凝土裂缝位置，并判断其裂缝深度和密实度[2]；此外，可以通过对混凝土电阻率进行分析，来预测混凝土的强度[3]。

混凝土导电效应是由孔隙溶液中液相离子的活性以及离子的迁移来决定的，混凝土表面电阻率与混凝土的孔隙数量，微孔尺寸及孔连通程度有关[4]。因此，表面电阻率受多种因素的影响，如原材料、强度等级、服役环境等。有研究表明[5]，混凝土中加入矿物掺合料，能够细化混凝土内部孔结构，降低孔隙溶液离子浓度，进而提高混凝土密实度，使混凝土电阻率增大。Ehtesham 和Rasheeduzzafar[6]采用粉煤灰定量取代水泥，研究混凝土电阻率的变化，结果表明，在混凝土中掺入适量粉煤灰后，混凝土的内部孔结构得到细化，电阻率较未掺粉煤灰时有所提高。赵卓等[7]研究了机制砂用量与掺合料掺量对混凝土电阻率的影响，结果表明，同时提高机制砂用量与掺合料掺量时，混凝土的电阻率呈上升趋势。张贺等[8]研究了水胶比对混凝土电通量的影响规律，结果表明，混凝土电通量随着水胶比的增大而逐渐变大。此外，混凝土表面电阻率在不同服役环境下也有较大差别。刘志勇和詹镇峰[1]研究了混凝土电阻率在不同温度下的变化情况，结果表明，随着温度的升高，混凝土的电阻率显著降低。李美利等[9]研究了混凝土表面电阻率在不同养护方式下的变化规律，结果表明，养护相对湿度越大，混凝土电阻率变化范围越小。蒋建华和王强强[10]研究了混凝土电阻率与内部孔隙水饱和度的关系，结果表明，混凝土电阻率随着其内部孔隙水饱和度的增大而减小。

混凝土电阻率作为混凝土阻挡电流能力的电学特性参数，利用混凝土表面电阻率来表征混凝土特性已经成为现阶段一个热门的研究课题。本文通过改变细骨料种类、粉煤灰及矿渣粉掺量、混凝土水灰比、环境温度以及养护方式等因素，通过测试不同养护龄期混凝土表面电阻率的变化，研究各因素对混凝土表面电阻率的影响规律。

1 试验

1.1 原材料

水泥：P·O42.5 水泥，主要物理力学性能见表1；粉煤灰（FA）：Ⅱ级，主要技术性能见表2；矿渣粉（GGBS）：云南嘉华提供的磨细高炉矿渣粉，主要技术性能见表3；细骨料：云南本地山砂、机制砂、河砂及混合砂（山砂与机制砂按4∶6 的质量比混合），主要技术性能见表4；粗骨料：5～20 mm 连续级配天然碎石，主要技术性能见表5；试验用水：自来水。

表1 水泥的主要物理力学性能

表2 粉煤灰的主要技术性能

表3 矿渣粉的主要技术性能

表4 细骨料的主要技术性能

表5 粗骨料的主要技术性能

1.2 表面电阻率测试方法

混凝土试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，采用电阻率测试仪对试件表面电阻率进行测试，表面电阻仪测试原理如图1所示。测试时，将电阻测试仪wenner 探头沿混凝土4 个侧面（除了浇筑面及浇筑面对立面）的对角线进行测量，每个面量取对角线2 个电阻率数据，将平均偏差超过±15%的数据舍弃，取剩余测试数据的平均值为代表值。

图1 表面电阻仪测试原理

2 试验结果及分析

2.1 细骨料种类对混凝土表面电阻率的影响

试验以C30 混凝土为基准，选用水泥作为胶凝材料，水胶比为0.5，采用山砂、机砂、河砂、混合砂4种不同类型细骨料，分别配制并成型混凝土试件，配合比如表6所示。

表6 不同细骨料种类混凝土配合比

将成型完毕的试件带模放置于标准养护室[温度（20±2）℃，相对湿度≥95%]养护，24 h 后拆模（记龄期为1 d），之后将试件于标准养护环境养护至28 d。试件养护期间，对不同龄期混凝土表面电阻率进行测试，结果如图2所示。

图2 细骨料种类对混凝土表面电阻率的影响

由图2 可见：在相同养护方式下，不同种类细骨料混凝土表面电阻率随龄期的延长变化规律一致，在7 d 龄期之前混凝土表面电阻率均增长幅度较大，7 d 龄期后增长幅度减缓并趋于稳定；相同龄期时，细骨料种类的改变对混凝土表面电阻率基本无影响。分析原因，28 d 龄期后不同细骨料的混凝土表面电阻率最大值仅为最小值的1.056 倍，骨料在混凝土中不具有导电效应，且不参与水化反应，但由于骨料具有一定的吸水性，会在骨料表面形成一层水膜。此外，骨料在混凝土中起骨架作用，骨料之间相互连接，胶凝材料的填充作用使得混凝土中起到导电作用的移动导电通道堵塞，使得混凝土的导电性降低。试验改变细骨料的种类，但掺量不变，混凝土内部骨料连接结构相差较小，使得不同种类细骨料混凝土在相同龄期时表面电阻率相差不大。

2.2 粉煤灰和矿渣粉掺量对混凝土表面电阻率的影响

试验选用水泥、粉煤灰和矿渣粉作为胶凝材料，混合砂作为细骨料，混凝土配合比（kg/m3）为：m（胶凝材料）∶m（水）∶m（混合砂）∶m（粗骨料）=390∶195∶839∶1026，分别采用粉煤灰、矿渣粉等质量取代水泥，掺量分别为0、10%、20%、30%，配制并成型混凝土试件，将试件带模放置于标准养护室养护，24 h后拆模（记龄期为1 d），之后将试件于标准养护环境养护至28 d。试件养护期间，对不同龄期混凝土的表面电阻率进行测试，结果如图3 与图4所示。

图3 粉煤灰掺量对混凝土表面电阻率的影响

图4 矿渣粉掺量对混凝土表面电阻率的影响

由图3、图4 可见：

（1）在相同养护方式下，随粉煤灰、矿渣粉掺量从0 增大到30%，混凝土的表面电阻率随龄期的延长变化规律均一致。7 d 前表面电阻率增长较快，7 d 后增长幅度变缓。

（2）在养护龄期达到7 d 后，相同龄期下，随着矿渣粉、粉煤灰掺量的增加，混凝土表面电阻率稍有增大。28 d 龄期时，粉煤灰掺量分别为10%、20%、30%的混凝土表面电阻率较基准组分别增大了6.8%、12.3%、13.7%；矿渣粉掺量分别为10%、20%、30%的混凝土表面电阻率较基准组分别增大了6.8%、15.1%、17.8%。由于混凝土中掺入粉煤灰及矿渣粉可以改善混凝土的工作性，使其流动性与密实度增大，降低混凝土的孔隙率[11]；此外，粉煤灰与矿渣粉在水泥的水化产物Ca（OH）2的激发下，反应生成C-S-H 凝胶，C-S-H 凝胶填充硬化水泥浆体中的孔隙，使混凝土的孔隙率降低。矿物掺合料的掺入细化了混凝土内部的孔结构，堵塞了混凝土内部的导电通路，使得导电性能降低[12]，表面电阻率增大。

2.3 水灰比对混凝土表面电阻率的影响

试验选用水泥作为胶凝材料，混合砂作为细骨料，改变水灰比分别为0.3、0.4、0.5、0.6，分别配制混凝土并成型试件，配合比如表7所示。

表7 不同水灰比混凝土的配合比

将成型完毕的试件带模放置于标准养护室养护，24 h 后拆模（记龄期为1 d），之后将试件于标准养护环境养护至28 d。试件养护期间，对不同龄期混凝土表面电阻率进行测试，结果如图5所示。

图5 水灰比对混凝土表面电阻率的影响

由图5 可见：（1）在相同养护方式下，水灰比为0.3～0.6时，随龄期的延长，试件表面电阻率变化规律一致。（2）在相同龄期时，水灰比越大，试件表面电阻率越小，且水灰比的改变对试件的表面电阻率有较大影响。28 d 龄期时，水灰比为0.6 的混凝土表面电阻率较0.3 时下降了37.5%。这是由于表面电阻率受混凝土内部孔隙结构影响较大，而水灰比的改变对孔隙结构有很大影响。养护条件相同时，随着水灰比的增大，混凝土内部孔隙量也明显增大[13]，混凝土的孔隙率越大，其密实度越差，混凝土的表面电阻率越小。此外，混凝土内部的游离态离子量也受水灰比的影响[12]。当混凝土中水泥用量相同时，其内部的游离态离子量随着水灰比的增大而增大，进而使得混凝土的导电性增强，表面电阻率减小。

2.4 环境温度对混凝土表面电阻率的影响

试验以C30 混凝土为基准，选用水泥作为胶凝材料，混合砂作为细骨料，混凝土配合比（kg/m3）为：m（水泥）∶m（水）∶m（混合砂）∶m（粗骨料）=390∶195∶839∶1026，配制并成型混凝土试件，将试件带模放置于标准养护室养护，24 h 后拆模（记龄期为1 d），将试件持续标准养护28 d 后，将其放置在50 ℃烘箱中进行升温处理，采用表面电阻测试仪每10 min 对混凝土试件表面电阻率进行测试并记录，当温度达到50 ℃时停止试验，结果如图6所示。

图6 环境温度对混凝土表面电阻率的影响

由图6 可见：随环境温度的升高，混凝土的表面电阻率减小，且环境温度的改变对表面电阻率影响较大。环境温度由10 ℃升至50 ℃时，混凝土表面电阻率下降了18.9%。混凝土表面电阻率受环境温度影响主要是由于混凝土的孔隙溶液黏度和混凝土液相中的离子活性[14]。随着表层混凝土所接触的环境温度升高，孔隙溶液中的导电离子活性增大，从而提高混凝土的导电性，使得试件表面电阻率降低。

2.5 养护方式对混凝土表面电阻率的影响

试验以C30 混凝土为基准，混凝土配合比（kg/m3）为：m（水泥）∶m（水）∶m（混合砂）∶m（粗骨料）=390∶195∶839∶1026，配制并成型混凝土试件，将成型完毕的试件带模放置标准养护室养护，24 h 后拆模（记龄期为1 d），之后将试件分别置于表8所示5种不同养护环境下养护至28 d 龄期，养护期间对不同龄期的混凝土表面电阻率进行测试，结果如图7所示。

由图7 可见，28 d 洒水盖膜养护及标准养护下，随养护龄期延长，混凝土试件表面电阻率变化幅度较为平缓且变化规律一致。7 d、14 d 洒水养护以及干燥养护方式下，随养护龄期延长，混凝土试件表面电阻率的变化幅度较大。28 d 龄期时，自然干燥养护下的混凝土表面电阻率是标准养护下的混凝土表面电阻率的3.66 倍，养护方式的改变对试件的表面电阻率有较大影响。这是因为混凝土表面电阻率对表层混凝土湿度的变化极为敏感[9]，当试件处于标准养护或28 d 洒水盖膜养护的条件时，表层区域混凝土所接触的环境潮湿度较高，环境湿度越大，表层混凝土孔隙的饱水率就越高[14]，因此随龄期延长混凝土表面电阻率变化幅度小且较为平缓。自然干燥养护下的试件，干燥环境使试件表层水分丧失较快，且水泥水化消耗部分水，使得水分丧失较多，导致混凝土表面电阻率变化幅度最大。当试件处于短期持续洒水养护下时，初期混凝土由于水化反应与蒸发失水使表层自由水减少，但通过洒水对水分进行了补充，洒水使得混凝土表面湿度增大，表面电阻率较小。一旦停止洒水，处于自然干燥环境中时，表层水分因水化作用和蒸发[15]，丧失较快又得不到及时补充，则混凝土表面电阻率增长幅度显著加大。

表8 混凝土试件的养护方式

3 结论

（1）在相同龄期、相同养护方式下，细骨料种类对表面电阻率基本无影响；粉煤灰与矿渣粉掺量对表面电阻率虽有影响，但影响程度较小。

（2）在相同龄期、相同养护方式下，水灰比、环境温度对表面电阻率影响较大。

（3）湿养护和干燥养护方式下，混凝土电阻率随龄期的变化规律不同，养护方式对表面电阻率影响较大。