专利名称：基于高频交流电的混凝土抗渗透性测量系统的制作方法
技术领域：
用于测试实验室制备或工程钻芯所取得的混凝土试样的抗渗透性。
背景技术：
混凝土结构的耐久性是当前混凝土材料学和混凝土结构工程专业研究的热点。混 凝土的抗渗透性直接决定着外界物质如水溶液、二氧化碳、氯离子和硫酸盐等受压力、化学 势或电场作用，向混凝土结构内部渗透、扩散或迁移的难易程度，因此是决定混凝土耐久性 的关键参数。渗透是指液体或气体在压力作用下的运动，描述其运动状态的数学模型是Darcy 定理；扩散是指气体或液体中的粒子由于存在浓度差而进行的运动，描述其运动状态的数 学模型是Fick定律；迁移是指液体中的带电粒子在电场的作用下的运动，描述其运动状态 的数学模型是Nernst-Plank方程。依据上述决定混凝土渗透性的三大机理渗透、扩散和迁移，混凝土抗渗透性的测 试方法也可分为三类表面吸水性试验、渗透性试验和离子扩散试验。表面吸水性试验包括 ISATdnitial Surface Absorption Test)初始表面吸水性试验和AUT0CLAM吸水性试验； 渗透性试验包括抗水渗透试验和抗气渗透性试验；离子扩散试验包括自然扩散法和电迁移 法。在三类混凝土抗渗透性的测试方法中，离子扩散试验相对于表面吸水性试验和渗 透性试验，具有介质的踪迹易于观察、测试过程不需要复杂的试样固定和密封工作、不需要 高压的水源和气源的优点。在离子扩散试验中，电迁移法相对于自然扩散法，又具有测试耗 时短和测试过程易于自动化的特点，因此获得了广泛的应用。现在广泛使用的测试混凝土抗渗透性的电迁移法包括(1)美国材料和试验协 会提出的 ASTM C1202 方法(ASTM C1202-2005，Standard Test Method for Electrical Indication ofConcrete' s Ability to Resist Chloride Ion Penetration [S]),该方 法是在混凝土试样的两端，分别建立质量浓度为3%的NaCl溶液和摩尔浓度为0. 3mol/L 的NaOH溶液的盐池，在盐池中放置用作电极的铜网，并将60V恒压直流电源的负极和正极 与上述两个盐池中的铜网分别连接，测试时间持续6小时，然后用测试期间的电流-时间 关系计算出通过混凝土试样的电量，并用该电量来评价混凝土的抗渗透性。ASTM C1202方 法的缺点是长时间在试样两端加载的60V的直流电压，导致了盐池中溶液和试样温度的上 升，以及铜网电极的极化腐蚀，降低了测试的精度。( 瑞典查尔莫斯技术大学唐路平教 授提出的RCM方法(唐路平.氯离子在混凝土中的输运-测试、模拟及应用[A].沿海地 区混凝土结构耐久性及其设计方法科技论坛与全国第六届混凝土耐久性学术交流会论文 集[C]，2004)，该方法是在混凝土试样的两端，分别建立质量浓度为10%的NaCl溶液和摩 尔浓度为0. 3mol/L的NaOH溶液的盐池，在盐池中放置用作电极的不锈钢网，然后将30V 恒压直流电源的负极和正极与上述两个盐池中的不锈钢网分别连接，依据接通后所测得的 初始电流，调整在试样两端盐池中的电极上加载的电压，然后再次测定回路中的电流并设定测试持续的时间；试验结束后，将试样劈开，用0. lmol/L的AgNO3溶液进行氯离子的显 色试验，然后用测试期间加载的电压值、阳极溶液在试验开始和结束时的温度和氯离子的 渗透深度来计算氯离子在混凝土中的迁移系数，并通过该迁移系数来评价混凝土的抗渗透 性。RCM方法的缺点是测试耗时较长，可达96小时，而且试样断面的显色反应不是很清晰、 锐利，因此影响了测试的效率和精度，限制了该种测试方法的应用推广。( 电阻率方法， 该方法还没有形成统一的标准。其基本原理是根据美国西北大学Z. P. Bazant教授教授提 出的混凝土中钢筋的腐蚀速率模型，即混凝土中钢筋的腐蚀速率与混凝土的电阻率成反 比(Z.P. Bazant. Physical model for steel corrosion in concrete sea structures. Journal ofStructural Division, 1979,105(6) :1155-1166) 因此，通过测试混凝土的 电阻率，即可预测混凝土中钢筋的腐蚀速率，为混凝土的配合比设计和保护层厚度的确定 提供指导。依据Z. P. Bazant教授教授提出的模型，上海交通大学的弓国军等建立了用于 测试混凝土电阻的方法，该方法采用直流电源，在测试期间记录回路中的电流，然后用电源 的电压和回路电流的比值计算出被测试样的电阻，再根据被测试样的面积和长度计算出电 阻率(弓国军，宋晓冰，孔启明.氯盐污染下混凝土的电阻率.工业建筑，2005 35(12) 5-7.)，该方法的缺点是采用直流电源，因此无法避免电极的极化和腐蚀，同时，该方法未 对测试回路中要达到的电流值或试样两端的电位差提出要求，因此难以实施；北京冶建特 种材料有限公司的郝挺宇等申请了一项“一种混凝土电阻率测量方法及其装置(专利号 200910148445)，，的发明专利，该方法采用直流电源，在测试期间使得回路中形成一个恒定 的电流值，并通过测试通电期间被测试样两端的电位差和断电后足够短时间内被测试样两 端的电位差来计算混凝土的电阻率。该方法的不足同样是使用的直流电压会带来电极的极 化腐蚀，同时，该方法所要求的在断电后足够短时间内测试被测试样两端的电位差的要求 难以量化，因此难以操作并会影响测试结果的准确性。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于高频交流电的混凝土抗渗透性测量系统，在 分析了上述3种电迁移法ASTM C1202、RCM方法和现有的基于直流电压的电阻率测 试方法存在缺点的基础上，依据 RILEM TC-154(Polder R B. 2001. Test methods for on site measurement ofresistivity of concrete—a RILEM TC-154 technical recommendation[J]. Construction and BuildingMaterials, 15 :125-131.)禾口 2002—2005 年间的欧洲的 CHL0RTEST 项目(Guidelines for practicaluse of methods for testing the resistance of concrete to chloride ingress)中提出的两电极测试方法，制备了该 基于高频交流电动混凝土抗渗透性测量系统，来测试混凝土的交流电阻率，并采用表1来 判定被测混凝土试样的抗渗透性。该两电极测试方法要求测试时，回路中的电流为40mA，交 流电的频率为100HZ。表1混凝土的电阻率与抗渗透性之间的关系混凝土电阻率 (Ω . m)混凝土抗渗透性100低100-500中等500-1000Λ>1000很高本发明的特征在于，含有紫铜电极2、被测混凝土试样3、程控高频交流电源7和 计算机8，其中紫铜电极2，和所述被测混凝土试样3之间有海绵导电层4，该紫铜电极的裸露部 分有一层环氧树脂绝缘层1，该紫铜电极2通过触点5和所述程控高频交流电源7的两个输 出端相连，程控高频交流电源7，含有CVA-1000型功率放大模块7_1、AD534型乘法器7_2、 TLC5615型幅值调整D/A模块7_3、AD9832型直接数字频率合成器7_4、DAM_3502型隔离采 样模块7-5和89C52型微处理器7-6，其中89C52型微处理器7-6的电压幅值输出端与所述TLC5615型幅值调整D/A模块7_3 的输入端相连，该89C52型微处理器7-6的频率输出端与所述AD9832型直接数字频率合成 器7-4的输入端相连，该89C52型微处理器7-6的输出回路中的频率、电压和电流的反馈量 的输入端与所述DAM-3502型隔离采样模块7-5的输出端相连，AD534型乘法器7_2的两个输入端分别与所述TLC5615型幅值调整D/A模块7-3、 AD9832型直接数字频率合成器7-4的输出端相连，分别输入所期望的交流电的幅值和频率 特性的激励信号，经过合成之后再把控制信号送到所述CVA-1000型功率放大模块7-1的控 制端，CVA-1000型功率放大模块7-1把输入的220V，50HZ单相交流电，在所述控制信号 作用下，调制成具有所期望的频率和电压的高频交流电，输出到所述紫铜电极2上，计算机(8)按照以下步骤计算被测混凝土试样的电阻率P 步骤(1)，用户输入期望频率、期望电流、电压尝试值和上限值、以及所述被测混凝 土试样(3)的截面积S和高度H，并记录测试开始时刻，步骤O)，把所述期望频率和电压尝试值输出到所述89C52型微处理器7_6中，步骤( ，在所述89C52型微处理器7_6控制下，分别用所述TLC5615型幅值调整 D/A模块7-3和AD9832型直接数字频率合成器7_4，分别把所述电压尝试值和期望频率调 制成幅值和频率的激励信号，并通过所述AD534型乘法器7-2合成后，再通过所述CVA-1000 型功率放大模块7-1调制成高频交流电压，步骤，通过所述DAM-3502型隔离采样模块7_5采集所述程控高频交流电源7 输出回路的频率、电压和电流值，经所述89C52型微处理器7-6采集后送往所述计算机8，步骤(5)，所述计算机8判断该输出回路中的电流值是否等于所述的期望电流若不相等，则用比例积分微分(PID)模块处理后，转步骤( ，把电流差值转换成 调节后的电压值送往所述89C52型微处理器7-6，
若相等，则按下式计算所述被测混凝土试样3的电阻率P，单位为Ω · m,
权利要求
1.基于高频交流电的混凝土抗渗透性测量系统，其特征在于，含有紫铜电极O)、被 测混凝土试样(3)、程控高频交流电源(7)和计算机(8)，其中紫铜电极O)，和所述被测混凝土试样⑶之间有海绵导电层G)，该紫铜电极的裸露 部分有一层环氧树脂绝缘层(1)，该紫铜电极( 通过触点( 和所述程控高频交流电源 (7)的两个输出端相连，程控高频交流电源(7)，含有CVA-1000型功率放大模块(7-l)、AD534型乘法器 (7-2)、TLC5615型幅值调整D/A模块(7- 、AD9832型直接数字频率合成器(7_4)、 DAM-3502型隔离采样模块(7- 和89C52型微处理器(7_6)，其中89C52型微处理器(7-6)的电压幅值输出端与所述TLC5615型幅值调整D/A模块(7_3) 的输入端相连，该89C52型微处理器(7-6)的频率输出端与所述AD9832型直接数字频率合 成器(7-4)的输入端相连，该89C52型微处理器(7-6)的输出回路中的频率、电压和电流的 反馈量的输入端与所述DAM-3502型隔离采样模块(7-5)的输出端相连，AD534型乘法器(7- 的两个输入端分别与所述TLC5615型幅值调整D/A模块(7_3)、 AD9832型直接数字频率合成器(7-4)的输出端相连，分别输入所期望的交流电的幅值和频 率特性的激励信号，经过合成之后再把控制信号送到所述CVA-1000型功率放大模块(7-1) 的控制端，CVA-1000型功率放大模块(7-1)把输入的220V，50HZ单相交流电，在所述控制信号作 用下，调制成具有所期望的频率和电压的高频交流电，输出到所述紫铜电极( 上， 计算机(8)按照以下步骤计算被测混凝土试样的电阻率P 步骤(1)，用户输入期望频率、期望电流、电压尝试值和上限值、以及所述被测混凝土试 样(3)的截面积S和高度H，并记录测试开始时刻，步骤O)，把所述期望频率和电压尝试值输出到所述89C52型微处理器(7-6)中， 步骤(3)，在所述89C52型微处理器(7-6)控制下，分别用所述TLC5615型幅值调整 D/A模块(7- 和AD9832型直接数字频率合成器(7_4)，分别把所述电压尝试值和期望频 率调制成幅值和频率的激励信号，并通过所述AD534型乘法器(7- 合成后，再通过所述 CVA-1000型功率放大模块(7-1)调制成高频交流电压，步骤G)，通过所述DAM-3502型隔离采样模块(7- 采集所述程控高频交流电源(7)输出回路的频率、电压和电流值，经所述89C52型微处理器(7-6)采集后送往所述计算机 ⑶，步骤(5)，所述计算机(8)判断该输出回路中的电流值是否等于所述的期望电流 若不相等，则用比例积分微分(PID)模块处理后，转步骤O)，把电流差值转换成调节 后的电压值送往所述89C52型微处理器(7-6)，若相等，则按下式计算所述被测混凝土试样(3)的电阻率P，单位为Ω .m, _ vt sp~7'\oooh其中v为加到所述紫铜电极(2)的电压值，I为所述测量回路中的电流值， 步骤(6)，按以下方式判断所述混凝土试样(3)的抗渗透性 P = 100Ω · m，抗渗透性为低， P =100 500 Ω ·ι ，抗渗透性为中等，P = 500 1000 Ω ·Π1，抗渗透性为高， P > 1000 Ω ·πι，抗渗透性为很高。
全文摘要
基于高频交流电的混凝土抗渗透性测量系统属于混凝土性能测试领域，其特征在于，利用一个程控高频交流电源中的89C52型微处理器、TLC5615型幅值调整D/A模块、AD9832型直接数字频率合成器、AD534型乘法器和CVA-1000型功率放大模块，把计算机输入的用户期望频率和电流值调制成所需要的高频交流电后输出，再用DAM-3502型隔离采样模块采集测量回路中的电流，经计算机用含有PID控制模块的软件判断后进行闭环控制，形成用户期望的高频交流电供混凝土抗渗透性的测量，本发明具有测试精度高、负载能力大以及稳定性好，便于功能扩展的优点。
文档编号G01N15/08GK102087194SQ20101055985
公开日2011年6月8日 申请日期2010年11月26日 优先权日2010年11月26日
发明者李克非, 韩建国 申请人:清华大学