使用交流阻抗技术的混凝土渗透性快速评价

吴立朋，阎培渝

(1．石家庄铁道大学 土木工程学院 道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室，河北 石家庄 050043;2．清华大学 土木工程系 土木工程安全与耐久教育部重点实验室，北京 100084)

使用交流阻抗技术的混凝土渗透性快速评价

吴立朋1，2，阎培渝2

(1．石家庄铁道大学 土木工程学院 道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室，河北 石家庄 050043;2．清华大学 土木工程系 土木工程安全与耐久教育部重点实验室，北京 100084)

混凝土结构的耐久性问题主要由其渗透性决定。本文提出了一种基于交流阻抗技术的混凝土氯离子渗透性快速测试方法。该法测试时间短，重复性好，无破损性，可对同一试件进行长期监测，且对不同胶凝材料体系的水泥基材料具有广泛适用性。理论分析和试验测试表明，该法与ASTM C1202方法具有很好的相关性，并根据试验结果拟合得到了两者的换算关系，参照ASTM C1202的渗透性划分，建立了新的混凝土渗透性分级标准。

混凝土渗透性 电阻抗 相关性

混凝土中氯离子的传输性质对混凝土结构的耐久性至关重要。为了测量混凝土中氯离子的传输参数，开发了多种测试方法，美国材料与试验协会(ASTM)规定了 3种测试方法，即快速氯离子侵入试验［1］(ASTM C1202)，90 d 泡水试验［2］(ASTM C1543)及体扩散试验［3］(ASTM C1556)。我国的《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》将C1202方法及北欧标准NT Build 492(或称RCM方法)定为推荐方法。ASTM C1202方法因其易用性而成为最为普遍的氯离子传输参数测试方法。然而，除文献［4］所指出的一些缺点外，ASTM C1202测试持续时间过长(6 h)，且属破坏性试验，不能对试件进行长期监测，也是其短处。SHI caijun经理论分析指出ASTM C1202实际上是一种电导测试方法［5］。据此，Zhao Tiejun等提出用固定频率的小幅交流电对混凝土试件进行电导测试［6］，但混凝土材料是一种含复杂成分孔溶液的多孔材料，不同测试频率下得到的电导不同。本文基于交流阻抗技术提出了一种简单易行，且与ASTM C1202方法具有很好相关性的混凝土氯离子传输参数的测定方法。

1 方法介绍

交流阻抗是研究水泥基材料微、细观结构和化学反应机理的一种技术［7-8］。应用到素混凝土渗透性测试时，一般采用双电极体系，通过在试件两端施加小幅交流扰动电压，测试试件的电流响应，得到其交流阻抗。因施加的交变电压幅值很小(一般＜500 mV)，故对混凝土的微结构基本没有破坏，可以认为是一种非破损性试验方法。将试验得到的不同频率下的阻抗虚部及实部分别作为纵坐标及横坐标，即得Nyquist图，通过对Nyquist图进行分析，可得到水泥基材料的丰富信息。

1.1 原材料和配合比

为研究基于交流阻抗技术的混凝土抗氯离子渗透性测试方法对不同胶凝材料体系混凝土的适用性和敏感性，共设计了10组配比，其胶凝材料包括P．O42.5普通硅酸盐水泥、一级粉煤灰、S95矿渣及凝聚态硅灰，涵盖了目前应用的绝大部分胶凝材料。所用水胶比固定为0.4，胶凝材料用量为466 kg/m3。细骨料为细度模数2.6的河砂，粗骨料为5～20 mm连续级配石灰石。混凝土配合比见表1。

为使各组混凝土具有相近的密实度，通过使用高效减水剂调整新拌混凝土的坍落度为150 mm左右。

1.2 试件制备及预处理

成型φ100 mm×300 mm的圆柱体试件，1 d后拆模，分别养护至测试龄期，切割成φ100 mm×50 mm试件，进行真空饱水，饱水制度同ASTM C1202。将饱水后的试件先进行交流阻抗测试，再将同一试件进行C1202电通量测试，每个配比每个龄期采用3个试件，测试值取其平均值。测试龄期为28 d及90 d。

1.3 测试仪器及测试步骤

交流阻抗测试所用仪器为Parstat 2263型电化学工作站，电极布置为双电极体系，电极为100 mm×100mm不锈钢。采用的频率范围为100 mHz～100 kHz，共取60个频率点进行测试，各频率点在总频率范围内呈对数间隔分布。为保证电极与试件紧密接触，减小界面效应影响，采取了以下措施:①在电极和试件间垫入浸泡0.3 mol/L NaOH溶液的滤纸;②使用平板夹具，并施加预紧力。

表1 混凝土配合比

2 测试结果与分析

阻抗测试典型Nyquist图见图1。由图1可见，图中有一特征点，其阻抗虚部最小。对不同配比不同龄期混凝土试件进行测试，发现该特征点对应的频率不同(分布于50 Hz～5 kHz之间)，阻抗实部也不同。故对不同配比不同龄期混凝土试件采用固定频率交流电进行测试，得到的阻抗可能包含较大的虚阻抗成分。

图1 阻抗测试典型Nyquist图

根据特征点(虚阻抗最小点)的阻抗实部及试件尺寸，用式(1)计算混凝土试件的电导率σ

式中，σ为电导率，S/m;L为试件厚度，为0.05 m;A为试件截面积，为0.01 m2;为特征实阻抗，Ω。

从交流阻抗测试的导电机理分析，混凝土试件中起导电作用的成分为孔溶液中的离子，如OH－，K+，Ca2+，Na+，SO等。劈开完成ASTM C1202测试的试件，在断面上喷涂 AgNO3溶液，发现氯离子并未穿透混凝土，说明在阳极端起导电作用的离子并不包括氯离子。故交流阻抗测试的导电机理和ASTM C1202测试的导电机理相同，可预期交流阻抗测试得到的特征电导率与ASTM C1202得到的电通量之间存在相关关系。两种方法的测试结果见图2。

图2 特征电导率与电通量间的关系

由图2可见，对不同胶凝材料体系不同龄期混凝土采用交流阻抗方法得到的特征电导率σ均与ASTM C1202方法得到的电通量Q间存在良好的线性关系，其关系式见式(2)。两者的相关系数为0.96。

根据ASTM C1202的渗透性评级准则［1］和式(2)可得到新方法的渗透性评级准则，见表2。

表2 混凝土特征电导率法渗透性评级准则

可见，交流阻抗试验测得的特征电导率值通过式(2)可换算得到ASTM C1202的电通量值，通过表2可得到试件的渗透性等级。新方法的特点在于:①测试时间非常短，在本文采用的扫频范围内测试时间＜5 min，且可仅对特征阻抗对应的频率范围进行测试，测试时间可缩短至10 s;②属非破损性试验方法，可对同一试件进行持续研究;③在饱水充分的前提下，测试结果的可重复性很好;④施加的交变电压很低，可有效避免极化现象的产生。

3 结论

1)基于阻抗测试技术，提出了一种混凝土渗透性快速评价方法。

2)交流阻抗测试得到的特征电导率与ASTM C1202方法得到的电通量之间存在良好的线性相关关系。在本文研究的范围内，该关系不随胶凝材料体系及龄期的改变而变化。

3)依据ASTM C1202的渗透性评级标准和两种方法的换算关系，建立了新的渗透性评级标准。

［1］American Society for Testing and Materials．ASTM C1202-12:Standard Test Method for Electrical Indication of Concrete's Ability to Resist Chloride Ion Penetration［S］．West Conshohocken:ASTM，2012．

［2］American Society for Testing and Materials．ASTM C1543-10a:Standard Test Method for Determining the Penetration of Chloride Ion into Concrete by Ponding［S］．West Conshohocken:ASTM，2010．

［3］American Society for Testing and Materials．ASTM C1556-11a:Standard Test Method for Determining the Apparent Chloride Diffusion Coefficient of Cementitious Mixtures by Bulk Diffusion［S］．West Conshohocken:ASTM，2011．

［4］史才军，元强，邓德华，等．混凝土中氯离子迁移特征的表征［J］．硅酸盐学报，2007，35(4):522-530．

［5］SHI Caijun．Effect of mixing proportions of concrete on its electrical conductivity and the rapid chloride permeability test results［J］．Cement and Concrete Research，2004，34(3):537-545．［6］ZHAO Tiejun，ZHOU Zonghui，ZHU Jinquan，etal． An alternating test method for concrete permeability［J］． Cement and Concrete Research，1998，28(1):7-12．

［7］NEITHALATH N，JAIN N．Relating rapid chloride transport parameters of concretes to microstructural features extracted from electrical impedance［J］．Cement and Concrete Research，2010，40(7):1041-1051．

［8］DIAZ B，NOVOA X R，PEREZ M C．Study of the chloride diffusion in mortar:A new method ofdetermining diffusion coefficients based on impedance measurements［J］． Cement and Concrete Composites，2006，28(3):237-245．

Rapid assessment of concrete permeability using alternating current(AC)impedance spectroscopy technology

WU Lipeng1，2，YAN Peiyu2

(1．Key Laboratory of Roads and Railway Engineering Safety Control of Ministry of Education，School of Civil Engineering，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang Hebei 050043，China;2．Key Laboratory of Civil Engineering Safety and Durability of China Education Ministry，Department of Civil Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China)

The durability of concrete structure is mainly determined by its permeability．This paper proposed a rapid test method for concrete chloride ion permeability based on AC impedance technique，which has the feature of short test duration，good repeatability，and non-destructivity，is feasible for longterm monitoring of specific specimen，and is applicable to cement base materials with variable cementitious systems．The theoretical analysis and testing results showed that this method and ASTM C1202 has good correlation，the conversion relationship is found by linear regression based on experimental results，and the new concrete permeability grading criteria is established according to the old one of ASTM C1202．

Concrete permeability;Electric impedance;Correlativity

TU528.01

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．04．49

1003-1995(2013)04-0160-03

2012-10-20;

2013-01-20

北京市自然科学基金重点项目(8100001)

吴立朋(1981— )，男，河北石家庄人，讲师，博士。

(责任审编 葛全红)