冻融循环过程中砂浆电阻率变化及其机理分析*

侯云芬，王 玲，吴越恺，王振地

(1.北京建筑大学，北京，100044;2.中国建筑材料科学研究总院，北京，100024)

混凝土是固相、液相、气相共存的组合体。Li.等对混凝土基体的导电性进行了研究［1-3］，认为混凝土的整体电导率由三部分组成，见式1。

其中，K1—混凝土中各类离子的电导率;

K2—混凝土中可迁移电子的电导率;

K3—混凝土中孔隙的电导率。

式(1)中K为电导率，其与试件的电阻率ρ成倒数关系(即K=1/ρ)。由公式1可知，混凝土的电导率主要取决于其内部液相和气相的组成。由于固相骨料通常具有较高的电阻率，被认为是不导电体;而液相中存在的Ca+，OH-等多种离子使混凝土具有了一定的导电性。而混凝土液相和气相的组成又随水化反应进程和外部环境(如温湿度)的变化而处于动态变化中，即混凝土的电阻率会随着水化过程和环境温湿度而变化，据此可对混凝土的各种性能进行研究，如水化进程、凝结时间、混凝土强度发展及外加剂的作用效果等［4-5］，根据电阻率随环境温湿度的表现可以就混凝土结冰情况进行研究。其中利用电阻率研究各种原材料(如掺合料、外加剂等)对水泥水化过程、凝结时间的影响及其机理的文献很多，而将电阻率用于研究温湿度变化对混凝土影响的很少。

本课题主要研究在冻融循环过程中混凝土内部湿度随温度的变化规律，以及湿度变化对变形的影响，由于冻融循环过程中伴随着温湿度的变化，尤其会出现结冰与融化现象，即有液相与固相的转变，这一转变过程会使混凝土的液相和孔隙结构发生很大的变化，据此本文在已有冻融循环过程中混凝土温湿度变化规律以及湿度变化对变形影响分析研究结果的基础上，主要研究在冻融循环过程中砂浆试件电阻率随温湿度的变化规律，并分析其产生机理，为全面分析解释在冻融循环过程中混凝土的性能变化提供支持。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

延续已有研究的思路，选取普通42.5基准水泥和标准砂制作砂浆试块，水泥性能见表1。砂浆配比为:水泥:标准砂:水=1:3.8:0.5。在研究冻融循环过程中混凝土内部温度-湿度关系时发现水灰比变化使其孔隙率变化，进而导致湿度有差异，即水灰比越大，湿度越大，但是不同水灰比试块的温度-湿度变化规律一致，所以本砂浆实验选择水灰比为0.5。

表1 水泥的技术性能

1.2 冻融循环过程中砂浆电阻率测试方法

根据待测试件与测试仪器之间的位置关系，电阻率的测试方法分为非接触法和接触法。本试验是研究在冻融循环过程中电阻率的变化，需要将试件放置在冻融循环实验仪器中，所以选用接触法。本试验采用中国建筑材料科学研究总院自行研制的混凝土耐久性研究多功能试验机，该机有9条测试通道，竖向布置于机箱内，可同时测定冻融循环作用下试件的多项性能，根据试验机的特点，选用接触法中的四线法测量试件的电阻率变化，导线与试验机后部的接线端连接。四线法的优点在于各电极间距较大，消除了试件基体的骨料尺寸等因素对试验结果的影响，使测量结果更加精确［6-7］。试验的电极材料为100PS音箱线的内部铜线，线径 0.8mm，该种铜线的电阻率较低，为0.0175Ω·mm2/m，另外铜的稳定性好且外形可加工性好，能够按照试件外形进行加工，可以很好地满足测试要求。

砂浆试块尺寸为25mm×25mm×80mm，导电铜线在试块两侧沿侧向缠绕，与试块接触部分均匀涂抹导电胶，在铜线接头处连接导线，用以传出试件体积变形的电信号，详见图1。

试块标准养护28d后进行冻融循环试验，设定的冻融循环温度区间为-15℃ ～10℃，温度变化速率v=0.25℃/min，共进行了25次冻融循环。

图1 四线法电阻率测试截面示意图

1.3 冻融循环过程中砂浆湿度测试方法

试验采用的砂浆试块尺寸为70.5mm×70.5mm×70.5mm，在试块中心处布置湿度数字传感器，即传感器埋设深度为35mm。为防止试验环境对砂浆湿度数据采集的影响，试验中对传感器进行了外加套管的封闭处理，具体处理方法，见图2。

图2 传感器外套管处理示意图

2 试验结果与分析

2.1 砂浆试件电阻率随温度的变化规律

试验测试了25次冻融循环过程中砂浆试件的电阻率，结果发现，随温度变化，在不同冻融循环次数时，砂浆试件电阻率具有相似的变化规律，所以图3选取了几个循环时电阻率随温度的变化曲线加以分析。观察图3可以总结出在冻融循环过程中砂浆电阻率的几个变化规律。

(1)无论是降温段，还是升温段，砂浆电阻率均随温度降低而增大。

(2)在不同温度区间内电阻率变化规律不一样。在降温段，温度在0℃以上范围内，电阻率曲线近似水平变化趋势，而当温度低于0℃后，随温度降低电阻率快速增大，由最初的约3000 kΩ·cm增加到约25000 kΩ·cm;在升温段，在温度低于-5℃的范围内，电阻率随温度升高而快速降低，而当温度大于-5℃后，电阻率随温度升高降幅很小。总之，在低温区段(即结冰后)，电阻率的变化幅度较大，在高温区段(即融化后)，电阻率变化幅度很小。

(3)试件在每一个冻融循环内电阻率均出现滞回现象，但滞回环并不饱满，主要表现为在-10℃ ～5℃温度范围内曲线出现了转折，其中降温过程中主要出现在0℃附近，升温过程中出现在-5℃。

(4)温度-电阻率曲线随冻融循环次数的增加有微小上移趋势，尤其对应于温度最低点时的电阻率随循环次数增加较大。

图3 试件电阻率随冻融循环次数变化曲线图

2.2 冻融循环过程中砂浆电阻率变化的机理分析

2.2.1 温度对砂浆试件电阻率的影响

学者Hansson［8］研究了温度对混凝土电阻率的影响，并推得温度与电阻率的关系，见式2。

式中:R0—T0温度时对应的电阻率;

R1—T1温度时对应的电阻率;

T0、T1—初始时刻和其紧后时刻对应的温度值，采用开尔文温度制;

S—绝对值为常数，其符号与温度的正负值相同。

由式2可知，在降温段，因为相邻时刻温度值T1＜T0，则1/T＞1/T0，以 e为底的函数在(0，+∞)区间内恒大于1，则R1恒大于R0，即随着温度的降低，试件的电阻率增大。反之，随着温度上升，电阻率降低。

比较发现，由公式2推得的电阻率值随温度变化趋势与试验中所得的变化趋势类似，不同之处在于没有体现当温度低于结冰点时，试件内部的液相会转变为固相而导致电阻率产生较大的变化，即没有考虑结冰对电阻率的影响，具体表现在温度-电阻率曲线的转折处。

2.2.2 冻融循环过程中湿度变化对砂浆电阻率的影响

电阻率反映了被测试件的导电即电子通过能力。混凝土(或砂浆)是固相、液相、气相三相共同体，因此电阻率主要反映了其固相导电能力和液相的离子传输能力。试验表明［9］，作为混凝土(或砂浆)中主要固相部分的骨料，其电阻率值是比较稳定的;在相同配比和相同龄期条件下，可以认为混凝土或砂浆中水泥石所占比例相近，即它们对电阻率的影响程度一样，因此，砂浆试件在冻融循环过程中，液相电阻率的变化是影响其电阻率的重要因素，而液相电阻率的变化不仅与温度降低有关，且与湿度变化密不可分。

图4显示了在冻融循环过程中，砂浆试件湿度随温度的变化规律。

图4 不同冻融循环次数时的温度-湿度曲线

从图4可以看出，在降温过程中，湿度先增大后降低，转折出现在温度为-5℃ ～-10℃;在升温过程中，湿度也表现为先增大后降低的趋势，转折出现在温度为0℃ ～5℃。

降温过程中湿度的转折主要是由水结冰所导致，该温度为结冰温度;升温过程中湿度转折是冰融化的结果，该温度为融化温度。由于固态冰的电阻率明显高于液态水，所以在降温段，温度持续下降，孔隙内液相大量结冰，导致了试件的电阻率在降温阶段上升。升温阶段则是降温段的反作用过程。

随着冻融循环次数增加，砂浆试件的孔隙率增加，孔隙尺寸增大则会导致孔隙中结冰量的增加，进而使电阻率增大，即随着冻融循环次数增多，电阻率曲线上移。

另外，在冻融循环过程中，随着湿度和结冰融化的变化，砂浆试件也表现出明显的变形。钱觉时、徐姗姗等［10］的研究表明:混凝土试件的开裂或因为湿度变化导致的裂缝，都会导致混凝土电阻率值的突变。图4显示的突变位置大部分发生降温段的结冰温度范围，大量水结冰带来的膨胀应力会造成试件出细小裂纹，即“试件内部细微裂缝随冻融循环不断发展最终造成了不可逆损伤的积累—砂浆开裂”，也表现为电阻率的突变。

总之，冻融循环过程中温度、湿度及变形的变化是导致砂浆电阻率发生变化的原因，反过来可以通过测定冻融循环过程中砂浆电阻率的变化分析冻融循环过程中温度、湿度及变形特征。

3 结论

在冻融循环过程中，随着温度和湿度的变化，砂浆试件的电阻率表现出明显的变化规律:

(1)无论是降温段，还是升温段，试件的电阻率均随温度降低而增大。

(2)在低温区段(即结冰后)，电阻率的变化幅度较大，在高温区段(即融化后)，电阻率变化幅度很小，且在结冰温度范围内出现了突变现象。

(3)试件在每一个冻融循环内电阻率均出现滞回现象，且滞回环并不饱满，主要表现为在-10℃ ～5℃温度(即结冰和融化温度)范围内曲线出现了转折。

(4)随冻融循环次数的增加，电阻率呈现增大趋势，尤其是温度最低点时的电阻率增加幅度较大。

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