刘承斌，付传清，金贤玉

非接触式阻抗法测定混凝土连通孔隙率装置

刘承斌1，付传清2，金贤玉1

（1. 浙江大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310058；2. 浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310014）

准确测定混凝土的连通孔隙率是预测混凝土抵抗侵蚀介质传输能力的关键。采用非接触式阻抗法测定混凝土连通孔隙率，该方法通过测定混凝土试件的电阻率得到连通孔隙率。该装置由离子迁移系统、电阻率测定系统和数据处理系统组成，突破了传统测试方法对试样大小的限制，既适用于室内新拌制的混凝土，也可用于既有建筑结构钻芯取样混凝土连通孔隙率测试。

混凝土；连通孔隙率；实验装置；非接触式阻抗法；电阻率

我国是一个发展中的大国，各种资源和能源并不丰富，因此更需要从战略高度，合理地利用有限的资源，科学地设计出安全、适用又耐久的工程项目，更要尽可能延续现有基础设施的使用寿命[1]。

处于海洋环境、冰盐环境以及工业环境中的钢筋混凝土结构，由于氯盐、水分和氧气通过混凝土的毛细孔到达钢筋表面引起钢筋腐蚀，会大大降低混凝土结构的使用寿命[2-5]。钢筋锈蚀导致的混凝土结构耐久性问题，已成为国际研究热点问题。混凝土中的孔隙分为开口孔、半开口孔和封闭孔。侵蚀介质向混凝土中的传输速度除受环境温湿度影响外，主要取决于混凝土的开口连通孔隙率。准确测定混凝土的连通孔隙率是预测混凝土抵抗侵蚀介质传输能力的关键[6]。

1 混凝土连通孔隙率的测定

混凝土孔隙率的测定通常采用压汞法（MIP）。Huang等[7]通过压汞法分析了混凝土中的孔结构参数，并基于孔隙参数建立预测混凝土中水分传输的数值模型。压汞法的测定结果容易受汞压力的影响，测得孔隙率通常包括连通孔和部分半连通孔隙，而真正为介质传输提供通道的是连通孔隙。由于受测试技术和压汞原理的限制，测试混凝土的孔隙率，如今的做法是将混凝土破碎，然后取混凝土内的砂浆进行压汞测试，而且试样尺寸通常只有黄豆般大小（直径约5 mm）。可见，实际上是测试砂浆的孔隙率，没有包含粗骨料。实际应用中的钢筋混凝土结构，必然都是包含粗骨料。要真实测定混凝土的连通孔隙率，需要包含粗骨料，而要保证混凝土中粗骨料的均匀性，通常试件边长要大于2.5倍骨料粒径，假如粗骨料最大粒径为25 mm，试件截面边长应该在65 mm左右，采用传统测试方法很难做到。

事实上，混凝土是包含粗骨料、细骨料和水泥石基体的三相复合材料，而毛细孔（还有更小的凝胶孔）则主要存在于水泥石基体中[8]。有研究表明，骨料和水泥石的界面过渡区也是孔隙含量较高的区域[9]。如果采用砂浆反映混凝土的孔隙特征，粗骨料的影响不能很好测定，且粗骨料与水泥石基体间的界面过渡区会被忽略。要准确预测混凝土结构的抗介质侵蚀能力，需要准确定量混凝土的连通孔隙率。基于非接触式阻抗法，中国专利授权公告号CN102539928A，名称为“应用于分析水泥基材料孔结构的非接触式阻抗测量仪”，提供了一种应用于分析水泥基材料孔结构的非接触式阻抗测量仪，用于测量样品经历物理或化学过程状态变化过程中的阻抗和复电阻率[10]。中国专利授权公告号CN12226824B，名称为“高温环境混凝土形成过程中电阻率变化的测量装置与方法”，公开了一种高温环境混凝土形成过程中电阻率变化的测量装置与方法[11]。该两项专利采用无极非接触法分析水泥基材料或混凝土早龄期（通常7 d龄期内）的孔结构发展规律，但不能对成熟后（通常28 d龄期后）混凝土进行孔结构定量分析。

因此，研发一种操作简便、能够准确测定混凝土连通孔隙率的装置具有十分重要的工程价值，可对实验室配制混凝土样品或既有混凝土结构现场取得的混凝土进行连通孔隙率测定，从而进行耐久性能预测，对科学研究和工程应用都具有很重要的意义。

2 实验方法与原理

由于多孔材料的电参数取决于多孔材料的微结构、孔隙内溶液的移动性、浓度等参数[12-13]。当孔隙内溶液浓度保持不变时，其电阻率将唯一取决于孔结构，并且对于孔结构的变化十分敏感[14]。因此在水泥基材料孔隙内溶液不变的前提下，可以用其电阻率来研究其微结构，以解决目前尚无有效方法测定混凝土材料连通孔隙率的问题[15]。

本文采用非接触式阻抗法测定混凝土连通孔隙率。

2.1 混凝土待测试件的准备

浇制成型待测混凝土试件或现场取芯制成待测混凝土试件，并将待测混凝土试件在标准浓度盐溶液中浸泡或真空饱盐至孔隙饱和，所述标准氯化钠溶液的浓度为0.1~2 mol/L。

2.2 测定前的准备

实验前保证标准浓度盐溶液与2.1节获得的饱盐待测混凝土试件温度相同，将两法兰压盘密封对接，在加液管中灌注标准盐溶液以标定仪器，并确定标准浓度盐溶液的电阻率；标定结束后，排掉标准盐溶液，将饱盐待测混凝土试件与橡胶密封圈接触处涂少许凡士林以增加密封性，然后将连接有法兰压盘的加液管与饱盐待测混凝土试件密封紧固成为一个密封整体，重新向加液管中灌注标准盐溶液。试验中选用NaCl溶液；所述NaCl溶液的浓度为0.1~2 mol/L。

2.3 电阻率测定

设置数据采集系统的采样频率，数据处理系统从电阻率测定系统中自动采集感应电流和电压，计算程序根据式（1）计算电阻率，并实时显示电阻率变化率曲线，待电阻率变化率随时间的变化曲线接近水平直线时，此时的电阻率值即为混凝土试块在标准盐溶液饱和情况下的电阻率。

2.4 孔隙率测定

根据Archie方程可得电阻率与孔隙率的关系，将其应用到混凝土连通孔隙计算，则可通过测定混凝土的电阻率值，再由式（2）计算混凝土的连通孔隙率：

3 测试系统组成

3.1 系统组成

该非接触式测试装置包括离子迁移单元、电阻测量单元和数据处理单元，见图1。

离子迁移单元包括2个带通孔的法兰压盘、加液管、补液水槽和对拉螺杆。加液管的每个端口对应一个法兰压盘，分别从相应的法兰压盘外端面插入其通孔内，2个法兰压盘内端面相对并通过对拉螺杆形成用于夹持待测试件的测试腔，法兰压盘与待测试件之间由橡胶垫圈密封，补液水槽与所述的加液管管路连通。

1-法兰压盘；2-通气孔；3-螺栓孔；4-橡胶垫圈；5-对拉螺杆；6-紧固螺帽；7-加液管；8-进液阀门；9-排液阀门；10-补液水槽；11-待测试件；12-磁芯；13-控制线圈；14-信号发生器；15-电流传感器；16-信号采集器；17-信号处理器；18-中央处理器。

电阻测量单元包括信号发生器、线圈、磁芯和电流传感器。加液管依次穿过磁芯和电流传感器后与相应的法兰压盘固接，线圈缠绕在磁芯上，并且线圈两端与信号发生器的信号输入端电连接。

数据处理单元包括信号采集器、信号处理器和中央控制器。

加液管为环形结构，采用非导电类的酚醛塑料、聚氨酯塑料、环氧塑料、不饱和聚酯塑料、有机硅树脂或丙烯基树脂类材料制成。加液管上设有进液阀门和排液阀门，其中进液阀门设置在与补液水槽相连的管路连接处，排液阀门设置在加液管的底部。补液水槽通过软管与加液管连通。法兰压盘上部设有通气孔，其中所述的通气孔一端与通孔连通，另一端与法兰压盘外部连通。

法兰压盘的通孔为台阶孔，其内端面的通孔直径大于外端面的通孔直径，并且通气孔其中一端与靠近法兰压盘的内端面的通孔连通。对拉螺栓两端穿过法兰压盘上的螺栓连接孔后连接2个紧固螺帽，其中紧固螺帽采用翼型不锈钢螺帽。

3.2 工作原理

电流传感器检测离子迁移系统的感应电流并送至信号处理器，离子迁移系统中的电压由信号发生器控制；信号处理器按设置频率对信号发生器和信号采集器的数据进行采集并计算分析，并实时储存在中央控制器中，由显示器实时显示分析计算结果。

4 应用实例

以水灰比为0.53，水泥与水、砂子、粗骨料的配合比为1∶0.53∶2.0∶3.0的混凝土连通孔隙率测定为例，对本测试方法和装置的工作进行具体验证，实物装置见图2。

图2 装置实物图

所采用拌制混凝土的原材料为：水泥为P.I 525级波特兰水泥，砂采用细度模数2.6的河砂，粗骨料采用连续级配的碎石（最大粒径25 mm），水采用自来水。在标准模具中浇制尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的混凝土试件，在养护室中标准养护28 d后，将试件沿长度方向两端切除50 mm后，取中间部分厚度为50 mm的混凝土试件进行测试。

将新制得的尺寸为100 mm×100 mm×50 mm的混凝土试件在烘箱中105 ℃下烘干至恒重，将其浸泡在浓度为0.5 mol/L的NaCl溶液中饱和至恒重，或采用真空饱水装置使混凝土试件快速饱水。测试前将配制好的0.5 mol/L的NaCl溶液与测试装置和混凝土试件置于恒温的室内环境中，以保证温度一致。

将进液阀门和排液阀门关闭，在补液水槽中灌注2/3水位高度的室温0.5 mol/L的NaCl溶液。将两法兰压盘对接，并采用对拉螺杆和翼形螺帽紧固法兰，使加液管在法兰压盘对接后形成一个完整的环形，法兰压盘之间由橡胶圈确保密封。打开进液阀门，使NaCl溶液完全填充加液管，直至通气孔将要有NaCl溶液流出为止，迅速关闭进液阀门。

通过中央控制器设置测试电压为1 V，采样频率为1 Hz，信号处理器的采集结果通过中央控制器实时显示，数据稳定后由式（1）确定该NaCl溶液的电阻率（此处为预配置的NaCl溶液，浓度为0.5 mol/L），计算确定0.5 mol/L的NaCl溶液的电阻率为0.164 62 Ω·m（实验室温度为20 ℃）。记录数据后停止采样，打开排液阀门排净加液管中的NaCl溶液，松开翼形螺帽，将混凝土试件从NaCl溶液中取出，用吸水纸擦干断面，在预计接触橡胶圈的位置涂少许凡士林，增加密封性，将混凝土试件按照图1固定在法兰压盘中间。

关闭排液阀门，打开进液阀门使NaCl溶液重新灌注满加液管及法兰压盘与待测试件之间的所有空隙，关闭进液阀门。重复上述步骤。测得混凝土电阻率为2.98613 Ω·m。

5 结语

本装置基于非接触式阻抗法，运用电磁感应技术测定盐水饱和混凝土的电阻率，从而根据理论公式计算得到混凝土的连通孔隙率，突破了传统测试方法对试样大小的限制，测得的混凝土连通孔隙率可直接应用于混凝土结构耐久性预测。该方法原理清楚、方法简便、测定速度快、稳定性好，可弥补现有方法与设备不能满足混凝土孔隙率测定的不足。

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Experimental device of concrete connected porosity determination by non-contact impedance method

LIU Chengbin1, FU Chuanqing2, JIN Xianyu1

(1. College of Architectural Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China; 2. College of Architectural Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Accurate determination of the connectivity porosity of concrete is the key to predict the transmission capacity of concrete against erosion media, and the non-contact impedance method is used to measure the concrete connected porosities. The connected porosity is obtained by measuring resistivity of concrete specimens, and the device consists of the ion migration system, resistivity measurement system and data processing system. This method and device break through the limitation of sample size in traditional testing methods, and it can be used not only for indoor fresh concrete, but also for connecting porosity test of drill core sampling concrete of existing building structures.

concrete; connected porosity; experimental device; non-contact impedance method; resistivity

TU528-33

A

1002-4956(2019)11-0065-03

10.16791/j.cnki.sjg.2019.11.016

2019-03-03

国家自然科学基金项目(51678529)资助

刘承斌（1978—），男，浙江东阳，博士，高级工程师，从事结构试验方面的研究工作。E-mail:cb@zju.edu.cn

付传清（1982—），男，山东潍坊，博士，副教授，研究方向为混凝土结构耐久性。E-mail: chuanqingfu@126.com