侯云芬，王 玲，吳越愷，王振地

(1.北京建筑大學，北京，100044;2.中國建筑材料科學研究總院，北京，100024)

混凝土是固相、液相、氣相共存的組合體。Li.等對混凝土基體的導電性進行了研究［1-3］，認為混凝土的整體電導率由三部分組成，見式1。

其中，K1—混凝土中各類離子的電導率;

K2—混凝土中可遷移電子的電導率;

K3—混凝土中孔隙的電導率。

式(1)中K為電導率，其與試件的電阻率ρ成倒數(shù)關系(即K=1/ρ)。由公式1可知，混凝土的電導率主要取決于其內(nèi)部液相和氣相的組成。由于固相骨料通常具有較高的電阻率，被認為是不導電體;而液相中存在的Ca+，OH-等多種離子使混凝土具有了一定的導電性。而混凝土液相和氣相的組成又隨水化反應進程和外部環(huán)境(如溫濕度)的變化而處于動態(tài)變化中，即混凝土的電阻率會隨著水化過程和環(huán)境溫濕度而變化，據(jù)此可對混凝土的各種性能進行研究，如水化進程、凝結(jié)時間、混凝土強度發(fā)展及外加劑的作用效果等［4-5］，根據(jù)電阻率隨環(huán)境溫濕度的表現(xiàn)可以就混凝土結(jié)冰情況進行研究。其中利用電阻率研究各種原材料(如摻合料、外加劑等)對水泥水化過程、凝結(jié)時間的影響及其機理的文獻很多，而將電阻率用于研究溫濕度變化對混凝土影響的很少。

本課題主要研究在凍融循環(huán)過程中混凝土內(nèi)部濕度隨溫度的變化規(guī)律，以及濕度變化對變形的影響，由于凍融循環(huán)過程中伴隨著溫濕度的變化，尤其會出現(xiàn)結(jié)冰與融化現(xiàn)象，即有液相與固相的轉(zhuǎn)變，這一轉(zhuǎn)變過程會使混凝土的液相和孔隙結(jié)構發(fā)生很大的變化，據(jù)此本文在已有凍融循環(huán)過程中混凝土溫濕度變化規(guī)律以及濕度變化對變形影響分析研究結(jié)果的基礎上，主要研究在凍融循環(huán)過程中砂漿試件電阻率隨溫濕度的變化規(guī)律，并分析其產(chǎn)生機理，為全面分析解釋在凍融循環(huán)過程中混凝土的性能變化提供支持。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

延續(xù)已有研究的思路，選取普通42.5基準水泥和標準砂制作砂漿試塊，水泥性能見表1。砂漿配比為:水泥:標準砂:水=1:3.8:0.5。在研究凍融循環(huán)過程中混凝土內(nèi)部溫度-濕度關系時發(fā)現(xiàn)水灰比變化使其孔隙率變化，進而導致濕度有差異，即水灰比越大，濕度越大，但是不同水灰比試塊的溫度-濕度變化規(guī)律一致，所以本砂漿實驗選擇水灰比為0.5。

表1 水泥的技術性能

1.2 凍融循環(huán)過程中砂漿電阻率測試方法

根據(jù)待測試件與測試儀器之間的位置關系，電阻率的測試方法分為非接觸法和接觸法。本試驗是研究在凍融循環(huán)過程中電阻率的變化，需要將試件放置在凍融循環(huán)實驗儀器中，所以選用接觸法。本試驗采用中國建筑材料科學研究總院自行研制的混凝土耐久性研究多功能試驗機，該機有9條測試通道，豎向布置于機箱內(nèi)，可同時測定凍融循環(huán)作用下試件的多項性能，根據(jù)試驗機的特點，選用接觸法中的四線法測量試件的電阻率變化，導線與試驗機后部的接線端連接。四線法的優(yōu)點在于各電極間距較大，消除了試件基體的骨料尺寸等因素對試驗結(jié)果的影響，使測量結(jié)果更加精確［6-7］。試驗的電極材料為100PS音箱線的內(nèi)部銅線，線徑 0.8mm，該種銅線的電阻率較低，為0.0175Ω·mm2/m，另外銅的穩(wěn)定性好且外形可加工性好，能夠按照試件外形進行加工，可以很好地滿足測試要求。

砂漿試塊尺寸為25mm×25mm×80mm，導電銅線在試塊兩側(cè)沿側(cè)向纏繞，與試塊接觸部分均勻涂抹導電膠，在銅線接頭處連接導線，用以傳出試件體積變形的電信號，詳見圖1。

試塊標準養(yǎng)護28d后進行凍融循環(huán)試驗，設定的凍融循環(huán)溫度區(qū)間為-15℃ ～10℃，溫度變化速率v=0.25℃/min，共進行了25次凍融循環(huán)。

圖1 四線法電阻率測試截面示意圖

1.3 凍融循環(huán)過程中砂漿濕度測試方法

試驗采用的砂漿試塊尺寸為70.5mm×70.5mm×70.5mm，在試塊中心處布置濕度數(shù)字傳感器，即傳感器埋設深度為35mm。為防止試驗環(huán)境對砂漿濕度數(shù)據(jù)采集的影響，試驗中對傳感器進行了外加套管的封閉處理，具體處理方法，見圖2。

圖2 傳感器外套管處理示意圖

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 砂漿試件電阻率隨溫度的變化規(guī)律

試驗測試了25次凍融循環(huán)過程中砂漿試件的電阻率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨溫度變化，在不同凍融循環(huán)次數(shù)時，砂漿試件電阻率具有相似的變化規(guī)律，所以圖3選取了幾個循環(huán)時電阻率隨溫度的變化曲線加以分析。觀察圖3可以總結(jié)出在凍融循環(huán)過程中砂漿電阻率的幾個變化規(guī)律。

(1)無論是降溫段，還是升溫段，砂漿電阻率均隨溫度降低而增大。

(2)在不同溫度區(qū)間內(nèi)電阻率變化規(guī)律不一樣。在降溫段，溫度在0℃以上范圍內(nèi)，電阻率曲線近似水平變化趨勢，而當溫度低于0℃后，隨溫度降低電阻率快速增大，由最初的約3000 kΩ·cm增加到約25000 kΩ·cm;在升溫段，在溫度低于-5℃的范圍內(nèi)，電阻率隨溫度升高而快速降低，而當溫度大于-5℃后，電阻率隨溫度升高降幅很小?？傊诘蜏貐^(qū)段(即結(jié)冰后)，電阻率的變化幅度較大，在高溫區(qū)段(即融化后)，電阻率變化幅度很小。

(3)試件在每一個凍融循環(huán)內(nèi)電阻率均出現(xiàn)滯回現(xiàn)象，但滯回環(huán)并不飽滿，主要表現(xiàn)為在-10℃ ～5℃溫度范圍內(nèi)曲線出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折，其中降溫過程中主要出現(xiàn)在0℃附近，升溫過程中出現(xiàn)在-5℃。

(4)溫度-電阻率曲線隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加有微小上移趨勢，尤其對應于溫度最低點時的電阻率隨循環(huán)次數(shù)增加較大。

圖3 試件電阻率隨凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線圖

2.2 凍融循環(huán)過程中砂漿電阻率變化的機理分析

2.2.1 溫度對砂漿試件電阻率的影響

學者Hansson［8］研究了溫度對混凝土電阻率的影響，并推得溫度與電阻率的關系，見式2。

式中:R0—T0溫度時對應的電阻率;

R1—T1溫度時對應的電阻率;

T0、T1—初始時刻和其緊后時刻對應的溫度值，采用開爾文溫度制;

S—絕對值為常數(shù)，其符號與溫度的正負值相同。

由式2可知，在降溫段，因為相鄰時刻溫度值T1＜T0，則1/T＞1/T0，以 e為底的函數(shù)在(0，+∞)區(qū)間內(nèi)恒大于1，則R1恒大于R0，即隨著溫度的降低，試件的電阻率增大。反之，隨著溫度上升，電阻率降低。

比較發(fā)現(xiàn)，由公式2推得的電阻率值隨溫度變化趨勢與試驗中所得的變化趨勢類似，不同之處在于沒有體現(xiàn)當溫度低于結(jié)冰點時，試件內(nèi)部的液相會轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔喽鴮е码娮杪十a(chǎn)生較大的變化，即沒有考慮結(jié)冰對電阻率的影響，具體表現(xiàn)在溫度-電阻率曲線的轉(zhuǎn)折處。

2.2.2 凍融循環(huán)過程中濕度變化對砂漿電阻率的影響

電阻率反映了被測試件的導電即電子通過能力?；炷?或砂漿)是固相、液相、氣相三相共同體，因此電阻率主要反映了其固相導電能力和液相的離子傳輸能力。試驗表明［9］，作為混凝土(或砂漿)中主要固相部分的骨料，其電阻率值是比較穩(wěn)定的;在相同配比和相同齡期條件下，可以認為混凝土或砂漿中水泥石所占比例相近，即它們對電阻率的影響程度一樣，因此，砂漿試件在凍融循環(huán)過程中，液相電阻率的變化是影響其電阻率的重要因素，而液相電阻率的變化不僅與溫度降低有關，且與濕度變化密不可分。

圖4顯示了在凍融循環(huán)過程中，砂漿試件濕度隨溫度的變化規(guī)律。

圖4 不同凍融循環(huán)次數(shù)時的溫度-濕度曲線

從圖4可以看出，在降溫過程中，濕度先增大后降低，轉(zhuǎn)折出現(xiàn)在溫度為-5℃ ～-10℃;在升溫過程中，濕度也表現(xiàn)為先增大后降低的趨勢，轉(zhuǎn)折出現(xiàn)在溫度為0℃ ～5℃。

降溫過程中濕度的轉(zhuǎn)折主要是由水結(jié)冰所導致，該溫度為結(jié)冰溫度;升溫過程中濕度轉(zhuǎn)折是冰融化的結(jié)果，該溫度為融化溫度。由于固態(tài)冰的電阻率明顯高于液態(tài)水，所以在降溫段，溫度持續(xù)下降，孔隙內(nèi)液相大量結(jié)冰，導致了試件的電阻率在降溫階段上升。升溫階段則是降溫段的反作用過程。

隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，砂漿試件的孔隙率增加，孔隙尺寸增大則會導致孔隙中結(jié)冰量的增加，進而使電阻率增大，即隨著凍融循環(huán)次數(shù)增多，電阻率曲線上移。

另外，在凍融循環(huán)過程中，隨著濕度和結(jié)冰融化的變化，砂漿試件也表現(xiàn)出明顯的變形。錢覺時、徐姍姍等［10］的研究表明:混凝土試件的開裂或因為濕度變化導致的裂縫，都會導致混凝土電阻率值的突變。圖4顯示的突變位置大部分發(fā)生降溫段的結(jié)冰溫度范圍，大量水結(jié)冰帶來的膨脹應力會造成試件出細小裂紋，即“試件內(nèi)部細微裂縫隨凍融循環(huán)不斷發(fā)展最終造成了不可逆損傷的積累—砂漿開裂”，也表現(xiàn)為電阻率的突變。

總之，凍融循環(huán)過程中溫度、濕度及變形的變化是導致砂漿電阻率發(fā)生變化的原因，反過來可以通過測定凍融循環(huán)過程中砂漿電阻率的變化分析凍融循環(huán)過程中溫度、濕度及變形特征。

3 結(jié)論

在凍融循環(huán)過程中，隨著溫度和濕度的變化，砂漿試件的電阻率表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律:

(1)無論是降溫段，還是升溫段，試件的電阻率均隨溫度降低而增大。

(2)在低溫區(qū)段(即結(jié)冰后)，電阻率的變化幅度較大，在高溫區(qū)段(即融化后)，電阻率變化幅度很小，且在結(jié)冰溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)了突變現(xiàn)象。

(3)試件在每一個凍融循環(huán)內(nèi)電阻率均出現(xiàn)滯回現(xiàn)象，且滯回環(huán)并不飽滿，主要表現(xiàn)為在-10℃ ～5℃溫度(即結(jié)冰和融化溫度)范圍內(nèi)曲線出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折。

(4)隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，電阻率呈現(xiàn)增大趨勢，尤其是溫度最低點時的電阻率增加幅度較大。

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