表面電阻率是指表示物體表面形成的使電荷移動或電流流動難易程度的物理量。在固體材料平面上放兩個長為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：

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)護效果評價、抗壓強度預(yù)測和耐久性評價等方面。由于缺少相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，應(yīng)用此測試方法時所設(shè)定的測試條件及參數(shù)不盡一致，導(dǎo)致試驗結(jié)果莫衷一是。

一、表面電阻率測試

1、試驗材料

水泥：P·O42.5水泥，比表面積374m2/kg;

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

粉煤灰：F類Ⅱ級粉煤灰，細度18%，需水量比101%;

細骨料：普通河砂，細度模數(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個不同水膠比的混凝土配合比，如下表所示。4個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。在相同試驗條件下，分別測試了4個不同水膠比混凝土試件的表面電阻率及電通量。

3、試驗方法及儀器設(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方法標(biāo)準(zhǔn)》中的電通量法進行。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)護室至規(guī)定測試齡期。測試前，在試件表面標(biāo)定4個測試位置。對于圓柱體試件，在其側(cè)面0°、90°、180°和270°分別標(biāo)定4個測試位置;對于棱柱體試件，在其2個長側(cè)面的1/3和2/3處共布置4個測試位置，如下圖所示。

對每個試件，重復(fù)2次測試標(biāo)定的4個測點，獲取8個測試數(shù)據(jù)，計算其平均值和方差。

二、表面電阻率測試結(jié)果和分析

1、抗壓強度和電通量隨水膠比的變化

混凝土試件28 d抗壓強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，用水量越大則導(dǎo)致混凝土的孔隙率越大，因而其密實度也就越差，即抗壓強度越小，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個因素對表面電阻率測試的影響，對比了表面電阻率試驗的重復(fù)性及其與電通量的相關(guān)性。試驗的重復(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。

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，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)護室取出放入相對濕度60%干燥養(yǎng)護室至測試;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。

由于電通量試驗前對測試試件進行了真空保水處理，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)計算，探頭間距為38、50和62mm時測試數(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，流經(jīng)試件的電流值及由其計算得到的電阻值才與電通量具有較強相關(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齡期時混凝土試件的表面電阻率和電通量。測試時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。這是因為較早齡期時混凝土的表面與內(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齡期時進行。

然而，考慮到56 d試驗齡期過長以及28 d齡期時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行切割、保水等措施，具有省時省力的優(yōu)點。

1、試驗室測試混凝土試件表面電阻率時，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，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。