非接触式阻抗法测定混凝土连通孔隙率的方法与试验装置

摘要

非接触式阻抗法测定混凝土连通孔隙率的方法与试验装置，所述的方法包括测定标准浓度盐溶液的电阻率、待测试件预处理、安装待测混凝土试件及离子迁移系统、测定混凝土试件的电阻率，根据Archie方程计算混凝土连通孔隙率；所述的装置包括离子迁移系统、电阻率测定系统和数据处理系统，离子迁移系统主要包括法兰压盘、加液管、补液水槽、待测试件和对拉螺杆；电阻率测定系统包括信号发生器、线圈、磁芯、电流传感器；数据处理系统包括信号处理器和中央控制器。本发明的有益效果是：突破了传统测试方法对试样大小的限制，实现对混凝土材料连通孔隙率的测试；既适用于室内新拌制的混凝土也适用于既有建筑结构钻芯取样的混凝土连通孔隙率的测试。

说明书

技术领域

本发明涉及混凝土孔隙率测定技术领域，尤其涉及一种非接触式阻抗法测定混凝 土连通孔隙率的方法与试验装置。

背景技术

混凝土是一种多孔材料，在土木工程结构中有着广泛的应用。随着全球经济快速 发展，建设规模空前，水泥基材料使用量逐年上升，对于经济高速发展的中国尤为突出。我 国是一个发展中的大国，正在从事着大规模的基础设施建设，但我国的各种资源和能源并 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。

处于海洋环境、撒除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从而引起钢筋腐蚀，会大大降低混凝土结构的使 用寿命。由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。据统计，环 境对混凝土结构腐蚀破坏造成的损失，有些国家会达到国民生产总值的2％～4％。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。如今，混凝土孔隙率的测定通常采用压汞法。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。由于受试验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部分进行压汞试验，而且试样尺寸 通常只有黄豆般大小(约直径5mm)。可见，压汞法测试混凝土的孔隙率，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，混凝土必然都是包含粗骨料 的。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25mm，试件截面边长应该在 65mm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。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。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。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试验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样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。

发明内容

为了克服现有测定混凝土连通孔隙率实验技术的不足，本发明提供一种稳定性 高、操作简便、能够实现混凝土连通孔隙率测试，尤其涉及应用非接触式阻抗技术，且适用 于实验室新配制混凝土以及现场取样性能未知混凝土连通孔隙率测试的试验装置，用以测 定混凝土的连通孔隙率并评估混凝土的抗侵蚀性能，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。

本发明所述的非接触式阻抗法测定混凝土连通孔隙率的方法，包括以下步骤：

1)混凝土待测试件的准备：

浇筑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～ 2mol/L；

2)测定前的准备：

实验前保证标准浓度盐溶液与步骤1)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ρ₀；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0.1～2mol/L；

3)电阻率ρ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：

$\rho =\frac{V}{I}\times \frac{S}{L}---\left(1\right)$

式中，ρ为待测试件的电阻率(Ω·m)，V为感应环电压(V)，I为感应环电流(A)，S为 待测试件的有效截面面积(m²)，L为待测试件的厚度(m)；

4)孔隙率φ测定：

根据Archie方程可得电阻率与孔隙率的关系，如式(2)。将其应用到混凝土连通孔 隙计算，则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φ：

$\rho =\alpha \frac{{\rho }_0}{{\phi }^m}---\left(2\right)$

式中，ρ为混凝土的电阻率(Ω·m)，ρ₀为标准浓度盐溶液的电阻率(Ω·m)，φ为 孔隙率，α和m为拟合系数。

按照本发明所述的方法构建的试验装置，其特征在于：包括离子迁移单元、电阻测 量单元和数据处理单元，所述的离子迁移单元包括两个带通孔的法兰压盘、加液管、补液水 槽和对拉螺杆，所述的加液管的每个端口对应一个法兰压盘；所述的加液管的两端口分别 从相应的法兰压盘外端面插入其通孔内；两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；所述的补液水槽与 所述的加液管管路连通；

所述的电阻测量单元包括信号发生器、线圈、磁芯和电流传感器，所述的加液管依 次穿过磁芯和电流传感器后与相应的法兰压盘固接；所述的线圈缠绕在所述的磁芯上，并 且所述的线圈两端与所述的信号发生器的信号输入端电连；

所述的数据处理单元包括信号采集器、信号处理器和中央控制器，所述的信号采 集器的输入端与所述的电流传感器的信号输出端电连，所述的信号发生器的信号输出端、 所述的信号采集器的输出端分别与所述的信号处理器的信号输入端电连，所述的信号处理 器的信号输出端与所述的中央控制器的相应的端口电连。

所述的加液管为环形结构。

所述的加液管上设有进液阀门和排液阀门，其中所述的进液阀门设置在与补液水 槽相连的管路连接处，所述的排液阀门设置在加液管的底部。

所述的补液水槽通过软管与所述的加液管连通。

所述的法兰压盘上部设有通气孔，其中所述的通气孔一端与所述的通孔连通，另 一端与法兰压盘外部连通。

所述的加液管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。

所述的法兰压盘的通孔为台阶孔，并且所述的法兰压盘的内端面的通孔直径大于 外端面的通孔直径，并且所述的通气孔其中一端与靠近所述的法兰压盘的内端面的通孔连 通。

所述的对拉螺栓两端穿过法兰压盘上的螺栓连接孔后螺接两个紧固螺帽，其中所 述的紧固螺帽采用翼型不锈钢螺帽。

作为一种改进，本发明中所述离子迁移系统的加液管中注满已知浓度的盐溶液， 盐溶液可以由补液水槽补充，法兰上部设置有通气孔，保证加注盐水顺畅且盐水能充满整 个加液管截面，试验结束后盐溶液由排液阀门排出。待测试件放置于两个法兰压盘之间，法 兰压盘与待测试件之间由橡胶圈密封，用对拉螺杆固定法兰压盘与待测试件。

作为一种改进，本发明的特征还在于所述的加液管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。对拉螺栓采 用不锈钢螺栓，紧固螺帽采用翼型不锈钢螺帽，紧固法兰不需借助外在工具。

作为一种改进，本发明所涉及的混凝土试件，既可以在方形截面或圆形截面标准 模具中浇筑，切取中间部分进行试验，也可以针对现场取样采用取芯机钻取圆形截面混凝 土试件进行试验。

作为一种改进，本发明所使用的橡胶垫圈沿周长方向为圆形断面，橡胶垫圈的直 径随法兰压盘大小、待测试件有效截面积而改变，待测试件有效截面尺寸范围为直径50mm ～150mm的圆形截面，亦即待测混凝土试块离子通过的有效截面区域为直径50mm～150mm的 圆形断面。

作为一种改进，本发明所述电阻率测定系统，其相关控制电路可利用现有成熟技 术实现，主要包括控制线圈的工作电压、测定接收电流传感器的电流值从而根据试件尺寸 计算电阻率值，电阻率测定系统与数据处理系统通过信号处理器和中央控制器完成数据存 储、后处理和实时显示。

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，所采集数据和计算结果实时储存在中央控制器中，并由显示器 实时显示分析计算结果。

本发明的有益效果是：本发明基于非接触式阻抗法，运用电磁感应技术实现非接 触无极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，从而实现对混凝土试件连通孔隙率的测试，测得 的混凝土连通孔隙率更可直接应用于混凝土结构耐久性预测。测试对象既适用于室内新拌 制的混凝土也适用于既有建筑结构钻芯取样的混凝土，具有原理清楚、方法简便、测定速度 快和稳定性好等优点，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。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图。

图2为本发明测试装置的离子迁移系统展开示意图。

图3是本发明的法兰压盘的正视图。

图4是本发明的法兰压盘的侧视图。

图5是本发明的加液管的透视图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明

参照附图：

实施例1本发明所述的非接触式阻抗法测定混凝土连通孔隙率的方法，包括以下 步骤：

1)混凝土待测试件的准备：

浇筑成型待测混凝土试件或现场取芯制样，并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0.1～2mol/L；

2)测定前的准备：

实验前保证标准浓度盐溶液与饱盐的混凝土试块温度相同。将两法兰压盘对接密 封，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ρ₀；标定结束 后，排掉标准盐溶液，将混凝土试块接触橡胶垫圈的位置涂少许凡士林以增加密封性，然后 将连接有法兰的加液管与混凝土试件密封紧固成为一个环形整体，重新向加液管中灌注标 准盐溶液，试验中选用NaCl溶液；

3)电阻率ρ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：

$\rho =\frac{V}{I}\times \frac{S}{L}---\left(1\right)$

式中，ρ为待测试件的电阻率，V为感应环电压，I为感应环电流，S为待测试件的有 效截面面积，L为待测试件的厚度。

4)孔隙率φ测定：

根据Archie方程可得电阻率与孔隙率的关系，如式(2)；将其应用到混凝土连通孔 隙计算，则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φ：

$\rho =\alpha \frac{{\rho }_0}{{\phi }^m}---\left(2\right)$

式中，ρ为混凝土的电阻率，ρ₀为标准浓度盐溶液的电阻率，φ为孔隙率，α和m为拟 合系数。

实施例2按照实施例1所述的方法构建的试验装置，包括离子迁移单元、电阻测量 单元和数据处理单元，所述的离子迁移单元包括两个带通孔的法兰压盘1、加液管7、补液水 槽10和对拉螺杆5，所述的加液管7的每个端口对应一个法兰压盘1；所述的加液管7的两端 口分别从相应的法兰压盘1外端面插入其通孔内，并在二者结合处密封；两个法兰压盘1内 端面相对并通过对拉螺杆5形成用于夹持待测试件的测试腔，法兰压盘1与待测试件11之间 由橡胶垫圈4密封；所述的补液水槽10与所述的加液管7管路连通；

所述的电阻测量单元包括信号发生器14、线圈13、磁芯12和电流传感器15，所述的 加液管7依次穿过磁芯12和电流传感器15后与相应的法兰压盘1固接；所述的线圈13缠绕在 所述的磁芯12上，并且所述的线圈13两端与所述的信号发生器14的信号输入端电连；

所述的数据处理单元包括信号采集器16、信号处理器17和中央控制器18，所述的 信号采集器16的输入端与所述的电流传感器15的信号输出端电连，所述的信号发生器14的 信号输出端、所述的信号采集器16的输出端分别与所述的信号处理器17的信号输入端电 连，所述的信号处理器17的信号输出端与所述的中央控制器18的相应的端口电连。

所述的加液管7为环形结构。

所述的加液管7上设有进液阀门8和排液阀门9，其中所述的进液阀门8设置在与补 液水槽10相连的管路连接处，所述的排液阀门9设置在加液管7的底部。

所述的补液水槽10通过软管与所述的加液管7连通。

所述的法兰压盘1上部设有通气孔2，其中所述的通气孔2一端与所述的通孔连通， 另一端与法兰压盘1外部连通。

所述的加液管7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。

所述的法兰压盘1的通孔为台阶孔，并且所述的法兰压盘1的内端面的通孔直径大 于外端面的通孔直径，并且所述的通气孔2其中一端与靠近所述的法兰压盘1的内端面的通 孔连通。

所述的对拉螺栓5两端穿过法兰压盘上的螺栓连接孔后螺接两个紧固螺帽6，其中 所述的紧固螺帽6采用翼型不锈钢螺帽。

作为一种改进，本发明所涉及的混凝土试件，既可以在方形截面或圆形截面标准 模具中浇筑，切取中间部分进行试验，也可以针对现场取样采用取芯机钻取圆形截面混凝 土试件进行试验。

作为一种改进，本发明所使用的橡胶垫圈沿周长方向为圆形断面，橡胶垫圈的直 径随法兰压盘大小、待测试件有效截面积而改变，待测试件有效截面尺寸范围为直径50mm ～150mm的圆形截面，亦即待测混凝土试块离子通过的有效截面区域为直径50mm～150mm的 圆形断面。

作为一种改进，本发明所述电阻率测定系统，其相关控制电路可利用现有成熟技 术实现，主要包括控制线圈13的工作电压、测定接收电流传感器16的电流值从而根据试件 尺寸计算电阻率值，电阻率测定系统与数据处理系统通过信号处理器17和中央控制器18完 成数据存储、后处理和实时显示。

实施例3下面以测量水灰比0.53、配合比为水泥:水:砂子:粗骨料＝1:0.53:2.0: 3.0的混凝土连通孔隙率测定为例，对本发明的工作做具体说明。

该实施例拌制混凝土的原材料为：水泥为P.I525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25mm)，水采用自来水。在标准模具中浇 筑尺寸为100mm×100mm×100mm的混凝土试件，在养护室中标准养护28d后，将试件沿长度 方向两端切除50mm后，切取取中间部分厚度为50mm的混凝土试件进行试验测试。

将新制得尺寸为100mm×100mm×50mm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0.5mol/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。实验前将配制好的0.5mol/L的NaCl溶液与试验装置、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8和排液阀门9关闭，在补液水槽10中灌注2/3水位高度的室温0.5mol/ L的NaCl溶液。将两法兰压盘1对接，并采用对拉螺杆5和翼形螺帽6紧固法兰1，使环形圆管7 在法兰压盘1对接后形成一个完整的环形，法兰压盘1之间由橡胶圈4确保密封。打开进液阀 门8，使NaCl溶液完全填充环形圆管7，直至通气孔2将要有NaCl溶液流出为止，迅速关闭进 液阀门8。

通过中央控制器18设置试验电压为1V，采样频率为1Hz，信号处理器17的采集结果 通过中央控制器18实时显示，数据稳定后由下式确定该NaCl溶液的电阻率。

$\rho =\frac{V}{I}\times \frac{S}{L}$

式中，ρ为待测试件的电阻率(此处为预配置的NaCl溶液，浓度为0.5mol/L)，V为感 应环电压，I为感应环电流，S为待测试件的有效截面面积(此处为加液管截面积)，L为待测 试件的厚度(此处为圆管周长)。

计算确定0.5mol/L的NaCl溶液的电阻率ρ₀为0.16462Ω·m(实验室温度为20℃)。 记录数据后停止采样，打开排液阀门9排净加液管7中的NaCl溶液，松开翼形螺帽6，将混凝 土试件11从NaCl溶液中取出，用吸水纸擦干断面，在预计接触橡胶圈4的位置涂少许凡士 林，增加密封性，将混凝土试件7按照图1固定在法兰压盘1中间。

关闭排液阀门9，打开进液阀门8使NaCl溶液重新灌注满环形圆管7及法兰压盘1与 待测试件7之间的所有空隙，关闭进液阀门8。重复上述步骤测定混凝土电阻率ρ为2.98613 Ω·m。

根据Archie方程可得电阻率与孔隙率的关系，根据下式计算混凝土的连通孔隙 率。

$\rho =\alpha \frac{{\rho }_0}{{\phi }^m}$

式中，ρ为混凝土的电阻率，ρ₀为标准浓度盐溶液的电阻率，φ为孔隙率，α和m为拟 合系数，α取2，m取1.3。

根据上式计算得该混凝土试件的连通孔隙率为18.3％。

试验结束后，先打开排液阀门9，待环形圆管7中的溶液全部排尽后，取下待测试件 11。

具体实现时，本发明对具体的器件型号不做限制，只要能完成上述功能的元器件 均可。

最后，需要注意的是，以上列举的仅针对测定实验室新配制混凝土的具体实施例， 并不限制本发明。对于从既有工程中钻取芯样的混凝土，只需将圆形截面待测试件替换实 施例中的方形截面试件，其余过程和方法完全一致，此处不再赘述。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护 范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术 人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。