表面電阻率是指表示物體表面形成的使電荷移動(dòng)或電流流動(dòng)難易程度的物理量。在固體材料平面上放兩個(gè)長為L、距離為d的平行電極，則兩電極間的材料表面電阻Rs與d成正比，與L成反比，可用下式表達(dá)：

Rs=ρs×d/L

式中的比例系數(shù)ρs稱作表面電阻率，它與材料的表面性質(zhì)有關(guān)，并隨周圍氣體介質(zhì)的溫度、相對濕度等因素有很大變化，單位用Ω(歐)表示。

表面電阻率測試

混凝土表面電阻率通常采用四電極法進(jìn)行測試。四電極法又稱為溫納法，由弗蘭克·溫納于1915年發(fā)明。該方法采用4根等距排列的探頭貼合混凝土表面進(jìn)行測試，外側(cè)2根探頭提供交流電壓并測得回路電流值大小，內(nèi)側(cè)2根探頭的作用則是測試其間電壓，根據(jù)下式即可得出混凝土的表面電阻率ρ。

ρ=2πaU/I

式中：a——探頭間距，cm;

U——內(nèi)側(cè)探頭間電勢差，V;

I——外側(cè)探頭間電流，A。

采用直流電測試混凝土的表面電阻率，由于極化、電容性阻抗等效應(yīng)的影響，測試數(shù)據(jù)的重復(fù)性往往較差且測試結(jié)果誤差較大。

四電極法采用交流電作為電源，通過4個(gè)電極的巧妙布置，極大弱化了極化等因素的影響，已成為混凝土表面電阻率測試方法之一。目前，已有學(xué)者將此方法應(yīng)用于混凝土養(yǎng)護(hù)效果評價(jià)、抗壓強(qiáng)度預(yù)測和耐久性評價(jià)等方面。由于缺少相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，應(yīng)用此測試方法時(shí)所設(shè)定的測試條件及參數(shù)不盡一致，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果莫衷一是。

一、表面電阻率測試

1、試驗(yàn)材料

水泥：P·O42.5水泥，比表面積374m2/kg;

礦粉：S95級磨細(xì)礦渣粉，比表面積414m2/kg，28 d活性指數(shù)98%;

粉煤灰：F類Ⅱ級粉煤灰，細(xì)度18%，需水量比101%;

細(xì)骨料：普通河砂，細(xì)度模數(shù)2.5，表觀密度2550 kg/m3;

粗骨料：5～20mm連續(xù)級配碎石，表觀密度2650 kg/m3，含泥量0.9%;

減水劑：聚羧酸高性能減水劑，含固量40%，減水率27%;

水：自來水。

2、混凝土配合比

設(shè)置了0.34、0.42、0.50和0.58等4個(gè)不同水膠比的混凝土配合比，如下表所示。4個(gè)配合比除用水量和減水劑用量不同外，其它原材料用量均一致。減水劑的用量是根據(jù)使新拌混凝土初始坍落度保持在(120±20)mm而確定。在相同試驗(yàn)條件下，分別測試了4個(gè)不同水膠比混凝土試件的表面電阻率及電通量。

3、試驗(yàn)方法及儀器設(shè)備

①電通量法

根據(jù)GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的電通量法進(jìn)行。所用儀器設(shè)備為北京耐爾得儀器設(shè)備有限公司產(chǎn)混凝土電通量測定儀。

②四電極法

四電極法試件的成型同電通量法，試件拆模后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室至規(guī)定測試齡期。測試前，在試件表面標(biāo)定4個(gè)測試位置。對于圓柱體試件，在其側(cè)面0°、90°、180°和270°分別標(biāo)定4個(gè)測試位置;對于棱柱體試件，在其2個(gè)長側(cè)面的1/3和2/3處共布置4個(gè)測試位置，如下圖所示。

對每個(gè)試件，重復(fù)2次測試標(biāo)定的4個(gè)測點(diǎn)，獲取8個(gè)測試數(shù)據(jù)，計(jì)算其平均值和方差。

二、表面電阻率測試結(jié)果和分析

1、抗壓強(qiáng)度和電通量隨水膠比的變化

混凝土試件28 d抗壓強(qiáng)度及電通量隨水膠比的變化如下圖所示。

由上圖可見，隨著水膠比增大，混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度逐漸降低，電通量則逐漸變大。混凝土的拌合用水除了用于膠凝材料的水化反應(yīng)之外，還有相當(dāng)一部分留在硬化混凝土之中形成孔隙。當(dāng)混凝土膠凝材料用量一定時(shí)，用水量越大則導(dǎo)致混凝土的孔隙率越大，因而其密實(shí)度也就越差，即抗壓強(qiáng)度越小，電通量越大。

2、表面電阻率測試的影響因素研究

為研究試件類型、試件潮濕狀況、探頭間距和測試齡期等4個(gè)因素對表面電阻率測試的影響，對比了表面電阻率試驗(yàn)的重復(fù)性及其與電通量的相關(guān)性。試驗(yàn)的重復(fù)性由所測數(shù)據(jù)的方差平均值大小來反映，表面電阻率與電通量的相關(guān)性則通過比較二者間冪函數(shù)回歸分析所得相關(guān)系數(shù)的大小來評價(jià)。

①試件類型的影響

混凝土試件通常有圓柱體和棱柱體2種類型。分別測試了相同配合比下φ100mm×200mm的圓柱體試件和150mm× 150mm×300mm的棱柱體試件在飽和面干狀態(tài)下的28 d齡期表面電阻率，探頭間距為50mm。下圖顯示了不同水膠比下不同類型試件的表面電阻率測試數(shù)據(jù)方差大小及表面電阻率與電通量的相關(guān)性擬合曲線。

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，2種類型試件的表面質(zhì)量狀況沒有太大差別。經(jīng)計(jì)算，圓柱體和棱柱體試件表面電阻率數(shù)據(jù)方差平均值分別為5.5、5.0，2種類型試件的測試數(shù)據(jù)均較穩(wěn)定。由上圖可以看出，棱柱體試件測得的表面電阻率與電通量的相關(guān)性較低，而圓柱體試件測得的表面電阻率與電通量的相關(guān)性較高。

這可能是由于不同的試件類型，試件內(nèi)部電勢場的分布是不一樣的。對于圓柱體試件，測試表面電阻率時(shí)，無論縱向測試線在試件側(cè)面何位置，試件內(nèi)部的電勢場總是均勻?qū)ΨQ分布。因此，采用圓柱體試件進(jìn)行表面電阻率測試較優(yōu)。

②試件潮濕狀況的影響

在探頭間距為50mm，試件類型為圓柱體的情況下，測試了飽和面干、濕潤和相對濕度60%等3種潮濕狀況不同試件的28 d齡期表面電阻率。

試件自成型拆模后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室。對于相對濕度60%的試件，于測試齡期前2 d自標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室取出放入相對濕度60%干燥養(yǎng)護(hù)室至測試;對于飽和面干試件，在測試當(dāng)天從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室取出，用擰干的濕毛巾將試件表面水漬擦凈，并在3min內(nèi)完成表面電阻率測試;對于濕潤試件，則在測試當(dāng)天從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室取出，不處理試件表面水漬，于3min內(nèi)直接完成表面電阻率測試。

下圖為不同水膠比下不同潮濕狀況試件的表面電阻率測試數(shù)據(jù)方差大小及表面電阻率與電通量的相關(guān)性擬合曲線。

從上圖可見，無論是測試數(shù)據(jù)的重復(fù)性還是與電通量的相關(guān)性，由飽和面干和濕潤兩種狀態(tài)試件測得的表面電阻率幾乎沒有差別。經(jīng)計(jì)算，飽和面干和濕潤試件的電阻率測試數(shù)據(jù)方差平均值分別為5.5和5.9，而相對濕度60%試件的則高達(dá)12.5。并且，后者電阻率與電通量的相關(guān)系數(shù)明顯低于前兩者的。

混凝土是一種多孔性材料，孔隙中的溶液含有多種離子成分，如OH-、K+、Na+、Ca2+等，孔隙溶液對混凝土的導(dǎo)電性有重要影響。試件的潮濕程度反映了其孔隙中溶液的充盈度。

由于電通量試驗(yàn)前對測試試件進(jìn)行了真空保水處理，因此，表面電阻率測試試件的潮濕狀況與真空保水后狀態(tài)越是接近，試件的表面導(dǎo)電性質(zhì)與內(nèi)部導(dǎo)電性質(zhì)就越相似，表面電阻率與電通量的相關(guān)性也就越高。因此，試驗(yàn)室測試混凝土表面電阻率宜在試件處于飽和面干或濕潤狀態(tài)下進(jìn)行。

③探頭間距的影響

采用圓柱體試件，在飽和面干狀態(tài)下分別測試了探頭間距為38、50、62mm時(shí)試件的28 d齡期表面電阻率。下圖為不同水膠比下不同探頭間距時(shí)試件的表面電阻率測試數(shù)據(jù)方差大小及表面電阻率與電通量的相關(guān)性擬合曲線。

經(jīng)計(jì)算，探頭間距為38、50和62mm時(shí)測試數(shù)據(jù)方差平均值依次為6.1、5.5和5.3，即隨著探頭間距的增加，測試重復(fù)性逐漸變好。由上圖可見，3種探頭間距測得的表面電阻率與對應(yīng)電通量的相關(guān)性中，50mm探頭間距的最好，62mm和38mm探頭間距的次之。探頭間距越小，其在試件中產(chǎn)生的電勢場越不均勻，受試件中粗骨料顆粒的影響也就越大，因而電阻率數(shù)據(jù)的重復(fù)性越差。

電通量法測試了60V直流電壓下通過(50±2)mm厚度試件的總電通量。表面電阻率測定儀的內(nèi)置直流電壓也是60V，對于既定的測試電壓，只有在探頭間距合適時(shí)，流經(jīng)試件的電流值及由其計(jì)算得到的電阻值才與電通量具有較強(qiáng)相關(guān)性。因此，采用50mm探頭間距測試混凝土試件的表面電阻率較好。

④試驗(yàn)齡期的影響

對4種水膠比的混凝土配合比，采用圓柱體試件，分別測試了14、28和56 d齡期時(shí)混凝土試件的表面電阻率和電通量。測試時(shí)混凝土試件保持飽和面干狀態(tài)，且探頭間距為50mm。不同水膠比下不同測試齡期時(shí)試件的表面電阻率測試數(shù)據(jù)方差大小及表面電阻率與電通量的相關(guān)性擬合曲線見下圖。

經(jīng)計(jì)算，14、28和56 d齡期混凝土試件的表面電阻率測試數(shù)據(jù)方差平均值分別為7.0、5.5和5.1，這表明隨著試驗(yàn)齡期延長，表面電阻率測試重復(fù)性逐漸變好。出現(xiàn)此規(guī)律的原因是隨著齡期的延長，膠凝材料逐漸水化充分，混凝土的孔隙變少變小，試件表面也變得更為致密、均勻。

從上圖可以看出，測試齡期越長，表面電阻率與電通量的相關(guān)性越好。這是因?yàn)檩^早齡期時(shí)混凝土的表面與內(nèi)部質(zhì)量相差較大，隨著水化齡期的進(jìn)行，二者將逐漸趨同。從測試重復(fù)性及與電通量相關(guān)性最佳的角度上來說，測試混凝土表面電阻率宜在56 d齡期時(shí)進(jìn)行。

然而，考慮到56 d試驗(yàn)齡期過長以及28 d齡期時(shí)表面電阻率測試重復(fù)性及與相應(yīng)電通量的相關(guān)性與56 d時(shí)相差較小。因此，建議28 d齡期為混凝土試件表面電阻率測試齡期。

三、表面電阻率測試結(jié)論

四電極法作為一種電學(xué)測試方法，與電通量法在測試原理上具有共通性。對表面電阻率與電通量進(jìn)行冪函數(shù)回歸分析，可以看出二者具有較好的相關(guān)性。與電通量法相比，表面電阻率測試法不必對試件進(jìn)行切割、保水等措施，具有省時(shí)省力的優(yōu)點(diǎn)。

1、試驗(yàn)室測試混凝土試件表面電阻率時(shí)，宜采用圓柱體試件，在飽和面干或濕潤狀態(tài)，用50mm探頭間距進(jìn)行28 d齡期測試。

2、相比于試件類型和探頭間距，試件潮濕狀況對測試結(jié)果的影響最大。當(dāng)試件為飽和面干或濕潤時(shí)，表面電阻率測試數(shù)據(jù)較穩(wěn)定，且與電通量的相關(guān)性較好。

3、測試齡期越長，混凝土表面電阻率測試重復(fù)性及與相應(yīng)電通量的相關(guān)性越好。