测试方法及试件深度对水泥体视电阻率的影响研究

朱 超，田雯菁，许 真，方易小锁

(三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002)

混凝土的导电特性可表征为视电阻率、电导率(为视电阻率的倒数)、介电常数等参数。传统观念认为混凝土是电的不良导体，混凝土电导性能的研究十分有限，随着电法检测理论和技术的发展，混凝土电导特性的测量方法也逐渐受到人们的关注，以混凝土电导参数表征其性能指标和特征参数已经成为国内外学者的研究热点[1-3]。混凝土视电阻率作为一个电学参数，反应单位长度混凝土阻碍电流通过的能力[4]。通过测量混凝土视电阻率，可实现对混凝土养护状态与效率的评价[5]、水泥凝结时间的检测[6]、混凝土灌注桩质量情况的检测[7]、混凝土裂缝的测量[8]和混凝土渗透性能演变规律的分析[9]等。视电阻率法具有快捷、高效、直观、探测范围大、可靠性好等优点，在实际工程中得到广泛应用。

由于混凝土的导电特性很大程度上取决于胶凝材料的视电阻率，本文分别采用二电极法和四电极法对水泥体试件的视电阻率进行测量，对比分析两种测试方法在结果上的差异性。采用四电极法对不同深度的水泥体试件的视电阻率进行测量，得到在一定电极距情况下，不同深度的试件对视电阻率测试结果的影响。

1 混凝土视电阻率测量原理

二电极法视电阻率测试原理如图1所示。二电极法包括外贴和埋入两种方式，该方法是在混凝土试样两端外贴或是在试样内部预埋两块平行的电极板，通电后通过电压表测得混凝土试样两端电压，用电流表测得回路电流，再由式(1)计算得到混凝土试样的视电阻率值。

(1)

式中：ΔU为试件两端电压,V；I为回路电流,A；s为试件横断面积,m2；l为试件长度,m。

图1 二电极法视电阻率测试原理

图2 四电极法视电阻率测试原理

四电极法视电阻率测试原理如图2所示。四电极法采用4个等距排列的探头贴合试样表面进行测试，外侧2个探头提供交流电压并测得回路电流值，内侧2个探头测试其间电压，根据式(2)即可得出试样视电阻率[13]。

(2)

式中：a为探头间距,cm；U为内侧探头间电势差,V；I为外侧探头间电流,A。

2 材料与方法

2.1 试验材料

试验使用的水泥为葛洲坝股份有限公司水泥厂生产的“三峡牌”42.5R级普通硅酸盐水泥，水为自来水。

2.2 试件尺寸及配合比

水泥体试件a和b尺寸相同，配合比分别为C(水泥)∶W(水)=1∶0.4和1∶0.5，分别采用二电极法和四电极法对其视电阻率进行测量，用于分析两种测试方法的可靠性。水泥体试件b、c和d的配合比均为C∶W=1∶0.5，而试件尺寸在深度方向均不相同，用于分析水泥体试件不同深度对视电阻率测试结果的影响。试件尺寸及配合比如表1所示。

表1 水泥体试件的尺寸及配合比

2.3 试验装置

基于四电极法基本原理，本试验自行设计一种四电极视电阻率测试装置，装置分为电源、测量探头、万用表和试件四部分。由于直流电可能会对试样内部产生极化现象，供电电源采用110 V交流电，探头表面涂抹导电石墨后贴附于试件表面上，探头间距选取5 cm，用电流表测量流经外端两电极的电流，用电压表测量内端两电极的电位差。

3 结果和讨论

3.1 测试方法对结果的影响分析

在相同条件下，分别采用二电极法和四电极法对试件a和b的视电阻率进行测量，其测量结果如图3和图4所示。试件浇筑完3 d后拆模，然后对试件的视电阻率进行测量。由于水泥水化反应是一个长期进行的过程，早龄期水泥体的视电阻率值变化较大，随着水泥体龄期的增长，水泥水化反应逐渐完成，水泥体视电阻率值趋于平稳，为排除其他各种因素影响，故本次试验选取52 d龄期后的水泥体视电阻率值进行分析。由图3和图4可知，在相同条件下，二电极法测得水泥体视电阻率值均高于四电极法所测值。由于四电极法测试视电阻率时，电流从外侧两个探头流入，内侧两个探头测试其间电压，这样很大程度上减小表面接触电阻对测量结果的影响，使得二电极法测试结果均高于四电极法。此外，四电极法可以测得的水泥体区域相对于二电极法大得多，四电极法所测水泥体视电阻率值随龄期变化时比较稳定，故四电极法测量结果更加精确。

图3 试件a视电阻率测试结果

图4 试件b视电阻率测试结果

3.2 试件深度对结果的影响分析

采用四电极法对试件b、c和d的视电阻率进行测量，其测量结果如图5所示。由图5可以发现，试件b和c的视电阻率值随龄期增长过程中基本保持一致，而试件d的视电阻率值与b、c试件的视电阻率值有一定偏离，且偏高于b、c试件的视电阻率值。可见，当电极距为5 cm，试件深度大于20 cm时，用四电极法测试水泥体视电阻率值才能较为准确。

图5 不同深度的试件视电阻率测试结果

从图5中还可以得到，试件b、c和d的视电阻率随龄期的增长均逐渐增大，这是由于水泥水化反应过程中，水泥中的Ca2+、Al3+和OH-等离子形成沉淀物，水泥体中的自由离子逐渐变少，孔隙内的水分逐渐消耗，水泥体导电特性发生变化，从而水泥体视电阻率随龄期的增长而逐渐增大。图5中有个别龄期下的水泥体视电阻率值有一定突变，这是由于环境因素(温度和湿度)对测试结果有一定影响。

4 结 论

(1)对水泥体试件的视电阻率进行测试时，二电极法测量结果偏高于四电极法所测值，从而说明四电极法在很大程度上减小了表面接触电阻对测量结果的影响，且四电极法所测结果相对更加稳定。

(2)当电极距为5 cm，水泥体试件的深度为15 cm 时，视电阻率测试结果偏高且不稳定，故当试件深度小于15 cm时将会对试验结果造成一定影响。