高 輝，曹玉芬，韓鴻勝

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456)

水運(yùn)工程水工建筑物經(jīng)常受到氯離子的侵蝕破壞，從而導(dǎo)致混凝土耐久性提前失效，這不僅減少了水工建筑的實(shí)際使用年限，而且為水工建筑物的安全使用帶來(lái)隱患。氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀作為檢測(cè)混凝土氯離子侵蝕強(qiáng)度的關(guān)鍵儀器，其工作性能和計(jì)量性能直接關(guān)系著測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，目前，交通運(yùn)輸行業(yè)乃至全國(guó)范圍內(nèi)關(guān)于氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀計(jì)量技術(shù)研究尚屬于空白狀態(tài)。僅我國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部編制并發(fā)布了產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)JG/T262-2009《混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀》和由福建省計(jì)量科學(xué)研究院編制的地方校準(zhǔn)規(guī)范JJF(閩)1053-2012《混凝土氯離子電通量和擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀校準(zhǔn)規(guī)范》。因此，對(duì)水運(yùn)工程領(lǐng)域氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀的工作性能和計(jì)量性能開(kāi)展研究迫在眉睫。

本文對(duì)水運(yùn)工程氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀的產(chǎn)品規(guī)格、性能要求和檢定方法開(kāi)展了計(jì)量技術(shù)研究工作，并依據(jù)研究成果編制水運(yùn)工程氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)量檢定規(guī)程，其對(duì)完善氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀量值溯源體系具有重要意義。

1 氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀的規(guī)格要求

氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀是一種便捷的自動(dòng)化設(shè)備，主要由主機(jī)、陰極試驗(yàn)槽、陰陽(yáng)極板、不銹鋼喉箍、白色硅橡膠套筒、有機(jī)玻璃支架及連接線組成，采用GB/T50082 《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中快速氯離子遷移系數(shù)法可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化的試驗(yàn)過(guò)程。根據(jù)水運(yùn)工程領(lǐng)域混凝土耐久性檢測(cè)試驗(yàn)要求和氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀的工作原理，氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀所有組成部分的規(guī)格都對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，這就對(duì)設(shè)備的所有組成部分的規(guī)格提出了嚴(yán)格的尺寸要求。通過(guò)調(diào)研市面上的主流氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量設(shè)備，結(jié)合水工建筑物的實(shí)際需求，提出設(shè)備各部件的規(guī)格要求，具體規(guī)格要求見(jiàn)表1。

表1 氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀規(guī)格要求Tab.1 Specifications of Chloride ions migration coefficient gauge

氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀的電壓調(diào)節(jié)能力以及時(shí)間誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果影響很大，在初始運(yùn)行時(shí)，對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀施加30 V直流電壓，被測(cè)混凝土試件產(chǎn)生初始電流，氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀采集到初始電流后，根據(jù)設(shè)備自身工作原理即可判斷出當(dāng)前被測(cè)混凝土試件所需施加的二次電壓值(調(diào)整后電壓)以及整個(gè)試驗(yàn)的運(yùn)行時(shí)間。根據(jù)試驗(yàn)要求，我們規(guī)定氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀主機(jī)測(cè)量1 h的時(shí)間誤差不應(yīng)大于2 s，初始電流與試驗(yàn)時(shí)間的關(guān)系滿足GB/T50082 《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中電遷移試驗(yàn)步驟的要求，具體要求見(jiàn)表2。

2 氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀的計(jì)量性能要求

表2 氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀初始電流與試驗(yàn)時(shí)間的關(guān)系Tab.2 The relationship between the initial current and the test time of Chloride ions migration coefficient gauge

根據(jù)JJF1001-2011《通用計(jì)量術(shù)語(yǔ)及定義》中的定義，計(jì)量是指“實(shí)現(xiàn)單位統(tǒng)一、量值準(zhǔn)確可靠的活動(dòng)”[2]。根據(jù)計(jì)量的一致性與溯源性特點(diǎn)，參考氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀在水運(yùn)工程的實(shí)際使用情況，確定了氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀的主機(jī)作為被檢定對(duì)象。設(shè)備主機(jī)包含了電壓輸出系統(tǒng)、電流采樣系統(tǒng)和溫度測(cè)量系統(tǒng)。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，設(shè)備對(duì)被檢混凝土試件多個(gè)物理量進(jìn)行檢測(cè)，其檢測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)公式計(jì)算，得出氯離子擴(kuò)散系數(shù)。氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多參數(shù)測(cè)量設(shè)備，獲取的氯離子擴(kuò)散系數(shù)無(wú)法直接進(jìn)行復(fù)現(xiàn)和溯源，通過(guò)對(duì)設(shè)備的測(cè)量原理進(jìn)行分析，采用拆分法對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)中所涉及的各個(gè)物理量進(jìn)行分別溯源。采取電學(xué)測(cè)量法和比對(duì)法對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀的電壓、電流和溫度進(jìn)行試驗(yàn)論證，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。

2.1 計(jì)量性能要求

水運(yùn)工程氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀部門(mén)計(jì)量檢定規(guī)程的制定，首先應(yīng)確定氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀計(jì)量技術(shù)指標(biāo)。根據(jù)GB/T50082-2009 《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，同時(shí)參考了北歐試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)NT BUILD 492中的相關(guān)內(nèi)容[3]，結(jié)合水運(yùn)工程建筑物處于水氣交界的特殊環(huán)境，確定氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀的電壓、電流和溫度三個(gè)計(jì)量性能指標(biāo)。并對(duì)三個(gè)計(jì)量性能指標(biāo)提出計(jì)量性能要求[4]。計(jì)量性能要求見(jiàn)表3。

表3 氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀計(jì)量性能要求Tab.3 Metrology index of Chloride ions migration coefficient gauge

2.2 計(jì)量檢定方法

2.2.1 電壓的檢定方法

氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀的氯離子擴(kuò)散系數(shù)是導(dǎo)出量，無(wú)法從計(jì)量的角度直接復(fù)現(xiàn)這個(gè)量值。通過(guò)分析氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀測(cè)量原理可知，電壓是氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀中較為重要的參數(shù)之一。電壓參量的檢定方法主要采取精密電阻并聯(lián)于氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀主機(jī)的方式，這代替了被檢混凝土試件和試驗(yàn)中其他配套設(shè)備(如試驗(yàn)槽、橡膠套筒、陰陽(yáng)極板、不銹鋼喉箍等)[5]。

在標(biāo)準(zhǔn)器的選擇上，選取電壓測(cè)量范圍為10 V～60 V，電壓測(cè)量不確定度Urel=0.05%，k=2的數(shù)字多用表。選取(120、200、300、400、600、800、1 200、1 800、2 500、5 000、10 000)Ω的精密電阻，每單個(gè)精密電阻阻值最大允許誤差為0.1%。

選取RCM-NTB型號(hào)氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀作為試驗(yàn)樣機(jī)，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行電壓的檢定方法論證試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室室溫為22℃，相對(duì)濕度為54%，試驗(yàn)開(kāi)始前將設(shè)備主機(jī)開(kāi)機(jī)預(yù)熱10 min，隨機(jī)選取3個(gè)通道進(jìn)行試驗(yàn)，將不同阻值的精密電阻依次接入待檢通道，然后點(diǎn)擊開(kāi)始試驗(yàn)按鈕，5 s后，氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀完成電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)功能后，使用數(shù)字多用表測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端的電壓值，再根據(jù)設(shè)備顯示值計(jì)算電壓示值誤差。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示，結(jié)果滿足表3中電壓計(jì)量性能要求。

表4 電壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.4 Voltage test data

2.2.2 電流的檢定方法

電流亦是氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀中較為重要的參數(shù)之一。數(shù)字多用表選取電流測(cè)量范圍為500 μA～5 A，電壓測(cè)量不確定度Urel=0.05%，k=2。選取(1 200、1 800、2 500、5 000、10 000)Ω的精密電阻，每單個(gè)精密電阻值最大允許誤差為0.1%。

選取RCM-NTB型號(hào)氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀作為試驗(yàn)樣機(jī)，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行電流的檢定方法試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室室溫22℃，相對(duì)濕度54%，將數(shù)字多用表和不同阻值的精密電阻串聯(lián)在氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀主機(jī)上，在點(diǎn)擊開(kāi)始試驗(yàn)按鈕后，讀取數(shù)字多用表的電流測(cè)量值和設(shè)備主機(jī)電流顯示值并計(jì)算電流示值誤差[6]。為驗(yàn)證電流的檢定方法，使用相同樣機(jī)在相同的試驗(yàn)環(huán)境條件下進(jìn)行電流檢定試驗(yàn)。

表5 電流試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.5 Current test data

表6 溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.6 Temperature test data ℃

電流參量的檢定方法同樣采用上文提及的數(shù)字多用表和精密電阻，區(qū)別在于電路連接方式。將精密電阻(1 200 Ω、1 800 Ω、2 500 Ω、5 000 Ω、10 000 Ω)與數(shù)字多用表同時(shí)串聯(lián)在氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀主機(jī)上，在點(diǎn)擊開(kāi)始試驗(yàn)按鈕后，讀取數(shù)字多用表的電流測(cè)量值和設(shè)備主機(jī)電流顯示值，計(jì)算電流示值誤差[6]。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示，結(jié)果滿足表3中電流計(jì)量性能要求。

2.2.3 溫度的檢定方法

溫度參量的檢定方法與標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻在恒溫水槽中進(jìn)行檢定相似，采用溫度比對(duì)法進(jìn)行檢定。在標(biāo)準(zhǔn)器的選擇上，選取溫度范圍5℃～50℃，溫場(chǎng)均勻度為±0.02℃的恒溫水槽，為溫度檢定試驗(yàn)提供均勻溫場(chǎng)檢定環(huán)境。選取測(cè)量范圍為0℃～50℃，準(zhǔn)確度等級(jí)為二等的標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻。

選取RCM-NTB型號(hào)氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀作為試驗(yàn)樣機(jī)，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行電流的檢定方法試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室室溫22℃，相對(duì)濕度54%，將氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀的測(cè)溫裝置與標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻同時(shí)放入恒溫水槽中，對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀試驗(yàn)溫度段進(jìn)行均勻劃分從而選取5℃、15℃、20℃和25℃4個(gè)水溫作為檢定溫度值。當(dāng)氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀主機(jī)的溫度顯示值和標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻示值均穩(wěn)定以后，讀取記錄并計(jì)算出示值誤差。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6所示，結(jié)果滿足表3中電流計(jì)量性能要求。

3 結(jié)論

氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀的產(chǎn)品規(guī)格要求以及計(jì)量性能要求，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是可行的，具體技術(shù)指標(biāo)寫(xiě)入氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中。氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀中電壓和電流參數(shù)采用電學(xué)測(cè)量法，可以滿足當(dāng)前計(jì)量檢定規(guī)程的需要，和生產(chǎn)廠家使用的方法具有一致性。但是這種方法無(wú)法復(fù)現(xiàn)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的量值，與氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀的實(shí)際使用條件有區(qū)別。因此，在今后的科研工作中，應(yīng)對(duì)直接測(cè)量擴(kuò)散系數(shù)的方法繼續(xù)開(kāi)展研究。