CN101694449B - 水泥基材料抗碳化性能的测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种水泥基材料抗碳化性能的测试装置及方法，属于混凝土抗碳化性能测试技术领域。本发明装置主要包括反应部分的分液漏斗、反应瓶、磁力搅拌机等，缓冲部分的缓冲瓶、温度计、玻璃三通等，集气测量部分的由测量管、平衡管和泄水管构成的量气管等，其间通过橡胶管连通。本发明方法是利用本发明装置，经制备净浆试件、加速碳化及切片处理、测定碳酸盐含量和数据处理及结果分析，完成对水泥基材料抗碳化性能的测试。本发明具有方法简单、测量速度快、测试准确，结果分析科学可靠等特点。本发明可以广泛应用于水泥基材料的抗碳化性能测试中，也适用于测试各种混凝土外加剂、养护条件、碳化条件等对水泥基材料抗碳化性能的影响。

Description

水泥基材料抗碳化性能的测试装置及方法

技术领域

本发明属于混凝土抗碳化性能测试技术领域，特别涉及由水泥、矿物掺合料、外加剂等所组成的水泥基材料抗碳化性能的测试装置及方法。

背景技术

混凝土无疑是当今世界上用量最大的人造建筑材料，其耐久性与建筑物的使用寿命、安全性等息息相关，因此对混凝土及其组成材料进行耐久性研究十分重要。混凝土内部孔溶液的pH值通常维持在12.5～13.5之间。在这种高碱性的环境中，钢筋表面会形成一种保护膜，使其免遭破坏。由于收缩、施工等各方面的原因，混凝土内部存在许多大小不一的毛细孔、孔隙、气泡，甚至缺陷，形成的水泥石结构是一个含固相、液相、气相的非均匀质体，环境中的CO₂便通过这些缺陷和孔隙渗透到混凝土内部，并在孔溶液中和固体表面发生复杂的碳化反应，使得pH值降至8.5～9.0之间甚至更低，失去对钢筋的保护作用，引起钢筋的锈蚀，导致钢筋混凝土结构破坏。同时，混凝土的碳化还会引起混凝土结构的收缩，形成收缩裂缝；降低混凝土强度；破坏混凝土结构等。因此碳化直接影响到混凝土的耐久性。随着全球温室效应的加剧，大气中CO₂浓度的增加(两百年前其约占大气总容量的0.03％，在过去二百年中，二氧化碳浓度增加25％)，大量处于暴露环境中的混凝土结构物面临的碳化问题越来越严重，研究混凝土的碳化问题并给予防治很有必要。

现有混凝土抗碳化性能测试的方法，如《混凝土》2005年第11期中的“混凝土碳化研究与进展(1)——碳化机理及碳化程度评价”一文中公开的两种方法，①酚酞滴定法：用1％的酚酞乙醚(或酒精)溶液作为酚酞指示剂，将其喷洒在混凝土破裂面上，从混凝土表面到呈红色(未碳化区)界限的平均距离为碳化深度。该方法的主要缺点是：不能有效区分完全碳化区、碳化反应区(部分碳化区)和未碳化区，以及碳化反应区的碳化程度等；也不能确定混凝土的中性化是否由碳化所引起。故该方法仅能对碳化做出直观的、简单的判断。②热失重法(TGA)：它是利用热重分析仪测量出碳化材料中CaCO₃和Ca(OH)₂的含量，以判断混凝土中某一区域的碳化情况。该方法的主要缺点是：制样较复杂、升温需要花费大量时间、费用高等，使其只能用于对碳化材料内部的某一点进行碳化情况分析，但要测出碳化产物在材料中的线性分布情况及完全碳化区、碳化反应区和未碳化区的深度，需要花费大量的时间和费用，不可能推广应用。

发明内容

本发明的目的是：针对现有混凝土抗碳化性能测试方法的缺点和不足，提供了一种水泥基材料抗碳化性能的测试装置及方法，利用水泥基材料净浆试件进行碳化实验，消除了骨料(即石子、砂、钢纤维等)对碳化的影响，具有方法简单、测量速度快、测试准确、结果科学可靠等特点。

本发明的机理是：①由于混凝土碳化主要是空气中的二氧化碳(CO₂)气体与混凝土的净浆部分中的碱性物质发生的化学反应，骨料并不参与化学反应且对碳化的机理影响很小，因此本发明采用净浆试件进行碳化实验，消除了骨料对碳化的影响，将研究重点集中于水泥基材料本身的抗碳化性能上，同时使得碳化水泥基材料中碳酸盐含量的测定变得十分简单、方便；②水泥基材料碳化的机理是空气中的二氧化碳(CO₂)气体与水泥基材料中的碱性物质发生化学反应，生成物主要为CaCO₃等碳酸盐，因此通过测量碳化水泥基材料中碳酸盐的含量便可判断水泥基材料碳化的程度；③水泥基材料的抗碳化性能是指材料对碳化的抵制能力，因此在一定条件下，水泥基材料的碳化越严重，则该材料的抗碳化性能也越差，反之，则抗碳化性能越好。

实现本发明目的的技术方案是：

一种水泥基材料抗碳化性能的测试装置，由反应部分、缓冲部分和集气测量部分组成，其间通过橡胶管连通。

反应部分主要包括分液漏斗、反应瓶、磁力搅拌机等。分液漏斗由斗体和设置于斗体上端的标准磨口及下端的斗颈(即漏管)组成。斗体为球形或梨形的玻璃容器，其容积为30～50ml；在斗体内放置有稀盐酸，在分液漏斗的瓶口处设置一个带有单通孔的橡胶塞予以密封，通孔中插入玻璃管，以便与橡胶管连通，该玻璃管通过橡胶管与插入反应瓶瓶口的橡胶塞通孔中的玻璃管连通，从而实现分液漏斗与反应瓶的连通，用以作为分液漏斗与反应瓶之间气压平衡的通道，以使分液漏斗中的稀盐酸能顺利滴入反应瓶内。斗颈为其上设置有玻璃活塞的玻璃管，玻璃活塞起控制液体下流的作用，斗颈插入反应瓶瓶口的橡胶塞的通孔中，从而使分液漏斗与反应瓶连通，以便在活塞的控制下使分液漏斗中的稀盐酸滴入反应瓶内。反应瓶为带有标准磨口的广口瓶或锥形瓶，其材料为玻璃，在反应瓶内放置待测的碳化水泥基材料样品的粉末(以下简称为待测粉末)，以便与分液漏斗滴入的稀盐酸进行反应；反应瓶的容积为50～100ml，以便减小液面与反应瓶内气体的接触面积和减少稀盐酸的用量，从而减少CO₂气体溶解量，提高实验精度；在反应瓶瓶口通过设置有三个通孔的橡胶塞予以密封，在该橡胶塞的一个通孔中插入直线形玻璃管，该玻璃管通过橡胶管与分液漏斗磨口处的橡胶塞通孔中的玻璃管连通，在另一个通孔中插入直角形或直线形玻璃管，该玻璃管通过橡胶管与缓冲瓶瓶口处橡胶塞通孔中的玻璃三通的一个玻璃管连通，以便反应瓶中待测粉末与稀盐酸反应时生成的CO₂气体能顺利向缓冲瓶中扩散；在第三个通孔中直接插入分液漏斗的斗颈，用以与分液漏斗连通。反应瓶放置在水浴缸内，以便控制反应瓶内部温度恒定。水浴缸放置在磁力搅拌机的坐盘上。磁力搅拌机放置在实验台上，用以加速反应瓶内反应物之间的反应，缩短反应时间并使反应充分。

缓冲部分主要包括缓冲瓶、玻璃三通、温度计等。缓冲瓶为带有标准磨口的玻璃瓶，容积为500～1500ml，其瓶口通过设置有三个通孔的橡胶塞予以密封；在其中一个通孔中插入温度计，用以测量缓冲瓶内气体的温度，温度计最小刻度值为0.1℃；在另一个通孔中插入玻璃三通的一个玻璃管，用以与玻璃三通连通，在第三个通孔中插入直角形或直线形玻璃管，该玻璃管通过橡胶管与集气测量部分中量气管的测量管上端的玻璃管接口连通，从而实现缓冲瓶与量气管的连通。缓冲瓶的作用主要是：①对从反应部分流出经过缓冲瓶流向集气测量部分的气体起到缓冲作用，使气流不至于过急影响收集和测量；②因为缓冲瓶容积较大并采用水浴，还可以起到稳定整个装置内部温度的作用；③缓冲瓶可以降低量气管内部CO₂气体的浓度，从而降低CO₂气体在量气管内用液中的溶解量，使得测量结果更准确。缓冲瓶放在水浴缸中，以稳定缓冲瓶内部的温度；水浴缸放置在实验台上。玻璃三通中的一个玻璃管插入缓冲瓶瓶口的橡胶塞的一个通孔中，与缓冲瓶连通，另一个玻璃管通过橡胶管与插入反应瓶瓶口的橡胶塞通孔中的玻璃管连通，从而实现了反应瓶、玻璃三通和缓冲瓶的连通；第三个玻璃管与橡胶管连通并在橡胶管上设置钢丝夹予以密封，当钢丝夹打开时，装置内部与外部环境相通，以调节装置内部为一个标准大气压，当钢丝夹闭合时，装置内部与外部环境隔绝，使得装置内部成为一个完全封闭的体系。玻璃三通的作用就是利用其第三个玻璃管在每次实验开始前调节装置内部气压为一个标准大气压。

集气测量部分为由测量管、平衡管和泄水管构成的量气管，使用时在其内部注入量气管内用液(即由1+9的稀盐酸加入分析纯NaCl至饱和，再加入0.1％的甲基橙指示剂配置而成)。测量管为带有刻度值的玻璃管，是按国家标准定做，其0刻度线从上端开始，向下读数逐渐增大，最小刻度值为0.1ml，量程为50ml；在测量管的上端设置一个标准玻璃管接口，其接口通过橡胶管与插入缓冲瓶瓶口的橡胶塞通孔中的直角形或直线形玻璃管连通，实现量气管与缓冲瓶的连通；测量管的下端与平衡管和泄水管相连通。平衡管为细玻璃管，其位置与测量管平行；平衡管的上端开口，下端与测量管下端连通共同组成一个U型连通器，以便在装置内外压强相等时两管内液面相平，即当两管液面相平时，则内外压强相等；平衡管的上端开口与测量管的0刻度线相平，方便测量管调零；泄水管位于测量管和平衡管组成的U型连通器底部并与测量管和平衡管连通，为一标准玻璃管接口，其接口与橡胶管相连通，并在橡胶管上设置钢丝夹，其作用就是通过打开钢丝夹，使测量管和平衡管内部的液体流出，以调节测量管和平衡管的液面差。量气管的作用是测量反应瓶中生成CO₂气体的体积。在进行实验前首先要打开玻璃三通的钢丝夹，从平衡管上端向量气管中注满量气管内用液；然后关闭玻璃三通的钢丝夹并确保装置密封后打开量气管中泄水管的钢丝夹，放出部分量气管内用液，以避免实验时量气管内用液溢出污染实验台；当反应瓶中发生化学反应生成CO₂气体时，反应瓶内部的气体便开始通过玻璃三通、缓冲瓶等向量气管扩散，测量管中液面逐渐下降，平衡管内液面逐渐上升，此时应通过泄水管调节平衡管中液面的高度，避免量气管内用液溢出；待测量管和平衡管液面均不再变化时，则反应瓶中化学反应结束；通过泄水管排除量气管内用液及从平衡管上端注入量气管内用液进行调节，使得测量管与平衡管的液面相平，此时读取测量管的示数便是反应瓶中生成CO₂气体的体积。

一种水泥基材料抗碳化性能的测试方法，利用本发明装置，经制备净浆试件、加速碳化及切片处理、测定碳酸盐含量和数据处理及结果分析，从而完成对水泥基材料抗碳化性能的测试。方法的具体步骤如下：

(1)制备净浆试件

首先将除骨料(即石子、砂、钢纤维等)以外的混凝土材料(即水泥、掺合料、外加剂、水等粉体及液体材料)按实验所需的配合比混合搅拌均匀，入模成型为水泥基材料的净浆试件，并按实验所要求的养护制度将净浆试件养护至实验所需的龄期。然后对净浆试件按实验所要求的方法(如通过烘箱或干燥箱烘干净浆试件、通过恒湿箱调节净浆试件内部相对湿度等)进行处理，当实验无要求时则不做处理，最后用加热熔化的石蜡将净浆试件除留一个端面作为碳化面外的其余表面予以密封，从而制备出用于碳化实验的净浆试件。

(2)加速碳化及切片处理

1)加速碳化

在第(1)步完成后，对第(1)步制得的净浆试件按照实验要求的碳化条件(即温度、湿度、二氧化碳(CO₂)浓度等)和碳化时间进行加速碳化实验；

2)切片及粉磨

在第(2)-1)步完成后，先将加速碳化后的净浆试件从碳化面(即未封蜡的端面，以下相同)的中心沿着垂直于碳化面的方向劈开，对劈开后的断面喷涂酚酞指示剂(即1％的酚酞乙醚或酒精溶液)并测量从碳化面到红色界线的长度(即碳化深度)，再对加速碳化后的试件从碳化面开始进行由表及里逐层切片，切片厚度为1～5mm。并记录每一切片的厚度及切片中心到碳化面的长度(即深度)，并对不同深度的切片分别编号。然后将各编号的切片放置在110℃的干燥箱中进行干燥，直至烘干切片中的水分及表面的石蜡。最后通过粉磨机分别对各编号的切片进行粉磨，至粉末完全通过0.16mm的方孔筛，并分别装入密封袋内保存。

(3)测定碳酸盐含量

在第(2)步完成后，利用本发明装置，对第(2)-2)步中磨细的不同编号的切片粉末，分别进行碳酸盐含量测定，其具体的步骤如下：

1)测定准备

先利用精度为0.0001g的分析天平，称取质量为0.45～0.65g第(2)-2)步中所制得的第一个编号的切片粉末，缓慢的放入反应瓶中，并记录切片粉末的质量，然后盖紧反应瓶瓶口的橡胶塞，通过平衡管的上端开口向量气管中注满量气管内用液(即由1+9的稀盐酸加入分析纯NaCl至饱和，再加入0.1％的甲基橙指示剂配置而成的液体)，再用量筒量取10～15ml稀盐酸倒入分液漏斗中，并盖紧分液漏斗口的橡胶塞，最后打开玻璃三通的钢丝夹，待装置内部压强与外界平衡后关闭钢丝夹，并检查各连接处及各开口确保装置的密封性完好；

2)进行测定

第(3)-1)步完成后，旋开分液漏斗斗颈上的活塞，分液漏斗中的稀盐酸慢慢流入反应瓶，待稀盐酸完全流入反应瓶后，打开磁力搅拌机进行搅拌，此时反应瓶中不断产生CO₂气体并不断向量气管中扩散，量气管的测量管中的液面不断下降，平衡管中的液面不断上升溢出，在测量过程中，操作量气管底部泄水管的钢丝夹保证量气管的测量管和平衡管中的液面随时保持相平，待测量管和平衡管的液面稳定后，关闭磁力搅拌机，并通过泄水管的钢丝夹调节测量管与平衡管的液面相平，读取并记录测量管的示数，同时读取并记录缓冲瓶中温度计的示数和实验室气压表的示数，最后清洗净实验仪器后再返回第(3)-1)和2)步，进行下一编号切片粉末的碳酸盐含量测定，如此重复，直至在第(2)-2)步中所制得的所有编号的切片粉末全部测定完毕为止；

(4)数据处理及结果分析

1)数据处理

第(3)步完成后，首先将第(3)-2)步所记录的二氧化碳体积(V)、温度(T)、压强(P)和碳化水泥基材料粉末质量(m)值，分别计算出各切片粉末的碳酸盐含量(W)值，结果以CaCO₃的百分含量W(％)计，计算公式如下：

$W=\frac{\mathrm{PVM}}{\mathrm{RTm}}\×{10}^{-1}$

式中：W——CaCO₃的百分含量，％；

P——实测大气压强，kPa；

V——生成CO₂气体的体积，ml；

R——CO₂气体常数，R＝8.254J·k^-1·mol^-1；

T——碳酸盐定量分析装置内部温度，K；

M——CaCO₃摩尔质量，g/mol，M＝100.09g/mol；

m——碳化水泥基材料切片粉末的质量，g。

然后，将各切片粉末的碳酸盐含量值绘制成“碳酸盐含量-深度”曲线；

2)结果分析

在第(4)-1)步完成后，根据实验的目的要求，对第(4)-1)步绘制成的“碳酸盐含量-深度”曲线及数据进行分析，分析水泥基材料碳化的程度及抗碳化性能的优劣，并提出改善措施。其主要的分析方法如下：

①通过曲线上某一点的碳酸盐含量来判断碳化水泥基材料相应深度处的碳化情况；

②高碳酸盐含量段为完全碳化区，碳酸盐含量下降明显段为部分碳化区(碳化反应区)，低碳酸盐含量段为未碳化区，以此可以测得碳化试件完全碳化区、部分碳化区和未碳化区的长度；

③完全碳化区和部分碳化区的长度与水泥基材料的结构特点(如原材料配比、孔隙率、含水率等)和碳化条件(如碳化温度、相对湿度、CO₂浓度等)等因素关系密切，因此通过对比完全碳化区和部分碳化区的长度，结合水泥基材料的结构特点(如材料配比、孔隙率、含水率等)和碳化条件(如碳化温度、相对湿度、CO₂浓度等)，可对水泥基材料的碳化机理进行分析(如判断CO₂气体的扩散速度和碳化反应的速度哪个更快、哪个对整个碳化过程起主导作用等)。

本发明采用上述技术方案后，主要具备以下效果：

(1)本发明的实验方法采用净浆试件进行碳化实验，试件中不加入骨料，消除了骨料对实验的影响，将实验的重点集中于水泥基材料上，以保证测量的准确性；

(2)本发明中的碳酸盐含量测定装置，采用化学方法进行碳酸盐定量分析，其方法简单、测量速度快，准确度和精密度较好，便于抗碳化性能的准确分析；

(3)本发明对水泥基材料的碳化情况进行定量测试，通过绘制碳化产物在碳化材料中的线性分布曲线来直观的反应材料的碳化程度，方便对材料的碳化情况进行分析和判断，为水泥基材料抗碳化性能测试提供了一种更科学、更准确、更简便的方法；

(4)本发明方法能区分出完全碳化区、部分碳化区(碳化反应区)和未碳化区，并能测量各区域的深度。克服了酚酞指示剂法只能做定性分析及热失重法(TGA)等只能做局部定量分析的缺点。为水泥基材料的抗碳化性能测试提供了一种简单可行的测试方案。

本发明可应用于水泥基材料的抗碳化性能的测试中，同时也可用于测试混凝土的各种外加剂(如减水剂、膨胀剂、早强剂、防冻剂等)、碳化条件(如温度、湿度、二氧化碳(CO₂)浓度等)、养护制度(如标准养护、高温加速养护、水养护等)等对水泥基材料抗碳化性能的影响。

附图说明

图1是本发明装置的原理示意图；

图中：A反应部分，B缓冲部分，C集气测量部分，1分液漏斗，2反应瓶，3磁力搅拌机，4玻璃三通，5温度计，6缓冲瓶，7量气管，8水浴缸，9橡胶塞，10钢丝夹。

图2是本发明方法的流程图；

图3是实施例1所得的“深度-碳酸盐含量”曲线图；

图4是实施例2所得的“深度-碳酸盐含量”曲线图；

图5是实施例3所得的“深度-碳酸盐含量”曲线图；

图6是实施例4所得的“深度-碳酸盐含量”曲线图。

图中：a完全碳化区，b部分碳化区(碳化反应区)，c未碳化区。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1所示，一种水泥基材料抗碳化性能的测试装置，由反应部分A、缓冲部分B和集气测量部分C组成，其间通过橡胶管连通。

反应部分A主要包括分液漏斗1、反应瓶2、磁力搅拌机3等。分液漏斗1由斗体和设置于上端的标准磨口及下端的斗颈(即漏管)组成。斗体为球形的玻璃容器，其容积为30ml；在斗体内放置有稀盐酸，在分液漏斗1的瓶口处设置一个带有一个通孔的橡胶塞9予以密封，通孔中插入玻璃管，该玻璃管通过橡胶管与插入反应瓶2瓶口的橡胶塞9通孔中的玻璃管连通。斗颈为上面设置有玻璃活塞的玻璃管，斗颈插入反应瓶2瓶口的橡胶塞的通孔中。反应瓶2为带有标准磨口的广口瓶，其材料为玻璃，在反应瓶2内放置待测的碳化水泥基材料样品的粉末(以下简称为待测粉末)；反应瓶2的容积为50ml，在其瓶口通过设置有三个通孔的橡胶塞9予以密封，在该橡胶塞9的一个通孔中插入玻璃管，该玻璃管通过橡胶管与分液漏斗1瓶口处的橡胶塞9通孔中的玻璃管连通，在另一个通孔中插入直角形玻璃管，该玻璃管通过橡胶管与缓冲瓶6瓶口处的橡胶塞9通孔中的玻璃三通4的一个玻璃管连通；在第三个通孔中直接插入分液漏斗1的斗颈，用以与分液漏斗1连通。反应瓶2放置在水浴缸8内；水浴缸8放置在磁力搅拌机3的坐盘上。磁力搅拌机3放置在实验台上。

缓冲部分B主要包括缓冲瓶6、玻璃三通4、温度计5等。缓冲瓶6为带有标准磨口的玻璃瓶，容积为500ml，其瓶口通过设置有三个通孔的橡胶塞9予以密封。在其中一个通孔中插入温度计5，温度计5最小刻度值为0.1℃。在另一个通孔中插入玻璃三通4的一个玻璃管。在第三个通孔中插入直角形玻璃管，该玻璃管通过橡胶管与集气测量部分C中量气管7的测量管上端的标准玻璃管接口连通。玻璃三通4中的一个玻璃管插入缓冲瓶6瓶口橡胶塞9的一个通孔中，与缓冲瓶6连通，另一个玻璃管通过橡胶管与插入反应瓶2瓶口的橡胶塞9通孔中的玻璃管连通；第三个玻璃管与橡胶管连通并在橡胶管上设置一个钢丝夹10。

集气测量部分C为由测量管、平衡管和泄水管构成的量气管7，使用时在其内部注入量气管内用液(即由1+9的稀盐酸加入分析纯NaCl至饱和，再加入0.1％的甲基橙指示剂配置而成)。测量管为带有刻度值的玻璃管，是按国家标准定做，其0刻度线从上端开始，向下读数逐渐增大，最小刻度值为0.1ml，量程为50ml；在测量管的上端设置一个标准玻璃管接口，用以通过橡胶管与插入缓冲瓶6瓶口的橡胶塞9通孔中的直角玻璃管连通，实现量气管7与缓冲瓶6的连通；测量管的下端与平衡管和泄水管相连通。平衡管为细玻璃管，其位置与测量管平行；平衡管的上端开口，下端与测量管下端连通共同组成一个U型连通器；平衡管的上端开口与测量管的0刻度线相平；泄水管位于测量管和平衡管组成的U型连通器底部，并与测量管和平衡管连通，为一标准玻璃管接口，其接口与橡胶管相连通，并在橡胶管上设置钢丝夹10。

如图2所示，一种水泥基材料抗碳化性能的测试方法的具体步骤如下：

(1)制备净浆试件

首先将水泥、粉煤灰和水，按粉煤灰占水泥和粉煤灰总质量百分比(以下称粉煤灰掺量)为50％、水与水泥和粉煤灰的总质量比(以下称水胶比)为0.35的配比混合搅拌均匀，入模成型为尺寸为Φ27.5×50mm的圆柱体粉煤灰水泥净浆试件；将净浆试件在标准养护室内密封养护28天，养护到龄期后，将其除留下一个顶面做碳化面外，其余表面用加热熔化的固体石蜡予以密封，从而制备出用于碳化实验的净浆试件。

(2)加速碳化及切片处理

1)加速碳化

在第(1)步完成后，对在第(1)步中制得的净浆试件，在相对湿度为75±2％、温度为在20～25℃、CO₂气体浓度≥90％的条件下进行加速碳化，碳化时间为7天。

2)切片及粉磨

在第(2)-1)步完成后，先将加速碳化后的净浆试件从碳化面(即未封蜡的端面)的中心沿着垂直于碳化面的方向劈开，对劈开后的断面喷涂酚酞指示剂(即1％的酚酞酒精溶液)并测量从碳化面到红色界线的长度(即碳化深度)，再对加速碳化后的试件从碳化面开始进行由表及里逐层切片，切片厚度为1mm；记录每一切片的厚度及切片中心到碳化面的长度(即深度)，并对不同深度的切片分别编号(1、2、3...)。然后将各编号的切片放置在110℃的干燥箱中进行干燥，直至烘干切片中的水分及表面的石蜡。最后通过粉磨机分别对各编号的切片进行粉磨，至粉末完全通过0.16mm的方孔筛，并分别装入密封袋内保存。

(3)测定碳酸盐含量

在第(2)步完成后，利用本实施例1所述水泥基材料抗碳化性能的测试装置，对第(2)-2)步中磨细的不同编号的切片粉末分别进行碳酸盐含量测定，其具体步骤如下：

1)测定准备

先利用精度为0.0001g的分析天平，称取质量为0.45g第(2)-2)步中制得的第1号的切片粉末，缓慢放入反应瓶2中，并记录切片粉末的质量，然后盖紧反应瓶2瓶口的橡胶塞9，向量气管7中注满量气管内用液(即由1+9的稀盐酸加入分析纯NaCl至饱和，再加入0.1％的甲基橙指示剂配置而成的液体)，再用量筒量取10ml稀盐酸倒入分液漏斗1中并盖紧分液漏斗1口的橡胶塞9，最后打开玻璃三通4的钢丝夹10，待装置内部压强与外界平衡后关闭钢丝夹10，并检查各连接处及各开口确保装置的密封性完好；

2)进行测定

第(3)-1)步完成后，旋开分液漏斗1斗颈上的活塞，分液漏斗1中的稀盐酸慢慢流入反应瓶2，待稀盐酸完全流入反应瓶2后，打开磁力搅拌机3进行搅拌，此时反应瓶2中不断产生CO₂气体并不断向量气管7中扩散，量气管7的测量管中液面不断下降，平衡管液中面不断上升，在测量过程中要操作量气管7底部泄水管的钢丝夹10保证量气管7的测量管和平衡管中的液面随时保持相平；待测量管和平衡管的液面稳定后，关闭磁力搅拌机3，并通过泄水管的钢丝夹调节测量管与平衡管的液面相平；读取并记录测量管的示数，此值便是生成CO₂气体的体积，同时读取并记录缓冲瓶中温度计5的示数和实验室气压表的示数，最后清洗净实验仪器后再返回第(3)-1)和2)步，进行第2号切片粉末的碳酸盐含量测定，如此重复，直至在第(2)-2)步中所制得的所有编号的切片粉末全部测定完毕为止。

(4)数据处理及结果分析

1)数据处理

第(3)步完成后，首先将第(3)-2)步所记录的二氧化碳体积(V)、温度(T)、压强(P)和碳化水泥基材料粉末质量(m)值，分别计算出各切片粉末的碳酸盐含量(W)值，结果以CaCO₃的百分含量W(％)计，计算公式如下：

$W=\frac{\mathrm{PVM}}{\mathrm{RTm}}\×{10}^{-1}$

式中：W——CaCO₃的百分含量，％；

P——实测大气压强，kPa；

V——生成CO₂气体的体积，ml；

R——CO₂气体常数，R＝8.254J·k^-1·mol^-1；

T——碳酸盐定量分析装置内部温度，K；

M——CaCO₃摩尔质量，g/mol，M＝100.09g/mol；

m——碳化水泥基材料切片粉末的质量，g。

然后，将各切片粉末的碳酸盐含量值绘制成“碳酸盐含量-深度”曲线。

2)结果分析

在第(4)-1)步完成后，根据实验的目的要求，对第(4)-1)步绘制成的“碳酸盐含量-深度”曲线及数据进行分析，分析水泥基材料碳化的程度及抗碳化性能的优劣，并提出改善措施。其主要的分析方法如下：

①通过曲线上某一点的碳酸盐含量来判断碳化水泥基材料相应深度处的碳化情况；

②高碳酸盐含量段为完全碳化区，碳酸盐含量下降明显段为部分碳化区(碳化反应区)，低碳酸盐含量段为未碳化区，以此可以测得碳化试件完全碳化区、部分碳化区和未碳化区的长度；

③完全碳化区和部分碳化区的长度与水泥基材料的结构特点(如原材料配比、孔隙率、含水率等)和碳化条件(如碳化温度、相对湿度、CO₂浓度等)等因素关系密切，因此通过对比完全碳化区和部分碳化区的长度，结合水泥基材料的结构特点(如材料配比、孔隙率、含水率等)和碳化条件(如碳化温度、相对湿度、CO₂浓度等)，可对水泥基材料的碳化机理进行分析(如判断CO₂气体的扩散速度和碳化反应的速度哪个更快、哪个对整个碳化过程起主导作用等)。

实施例2

一种水泥基材料抗碳化性能的测试装置，同实施例1，其中：分液漏斗1容积为40ml，斗体为梨形；反应瓶2为容积为75ml的锥形瓶；缓冲瓶6容积为1000ml。

一种水泥基材料抗碳化性能的测试方法的具体步骤，同实施例1，其中：在第(1)步制备净浆试件中，水胶比为0.40；在第(2)-2)步切片及粉磨中，切片厚度为2mm；在第(3)-1)步测定准备中，切片粉末称取质量为0.50g，稀盐酸量取12ml；“碳酸盐含量-深度”曲线如图4所示。

实施例3

一种水泥基材料抗碳化性能的测试装置，同实施例1，其中：分液漏斗1容积为50ml；反应瓶2为容积为100ml的广口瓶；缓冲瓶6容积为1500ml；插入反应瓶2瓶口的橡胶塞9通孔中的，并通过橡胶管与缓冲瓶6瓶口处的橡胶塞9通孔中的玻璃三通4的一个玻璃管连通的玻璃管为直线形玻璃管。

一种水泥基材料抗碳化性能的测试方法的具体步骤，同实施例1，其中：在第(1)步制备净浆试件中，水胶比为0.45；在第(2)-2)步切片及粉磨中，切片厚度为3；在第(3)-1)步测定准备中，切片粉末称取质量为0.55g，稀盐酸量取13ml；“碳酸盐含量-深度”曲线如图5所示。

实施例4

一种水泥基材料抗碳化性能的测试装置，同实施例1，其中：分液漏斗1容积为40ml，斗体为梨形；反应瓶2为容积为50ml的广口瓶；缓冲瓶6容积为1000ml；插入缓冲瓶6瓶口的橡胶塞9的通孔中的，并通过橡胶管与集气测量部分C中量气管7的测量管上端的玻璃管接口连通的玻璃管为直线形玻璃管。

一种水泥基材料抗碳化性能的测试方法的具体步骤，同实施例1，其中：在第(1)步制备净浆试件中，粉煤灰掺量为70％，水胶比为0.35；在第(2)-2)步切片及粉磨中，切片厚度为5mm；在第(3)-1)步测定准备中，切片粉末称取质量为0.65g，稀盐酸量取15ml；“碳酸盐含量-深度”曲线如图6所示。

对粉煤灰水泥净浆试件的碳化程度及抗碳化性能分析如下：

(1)高碳酸盐含量段为完全碳化区a，碳酸盐含量下降明显段为部分碳化区b(碳化反应区)，低碳酸盐含量段为未碳化区c，以此可以分别测得实施例1～4中碳化试件的完全碳化区、部分碳化区和未碳化区的长度。

(2)通过图3～6的4条曲线可以看出，完全碳化区a中切片粉末碳酸钙的含量较高，均在37％～40％之间，此区域中的碱性物质已经完全被碳化；部分碳化区b中切片粉末碳酸钙的含量随深度增大下降明显，为完全碳化区a和未碳化区c的过渡区；在未碳化区c中，CO₂未扩散到这个深度，因此未发生碳化反应，碳酸钙的含量很少，约为3％，这主要是由于原材料中含有能被稀盐酸分解并放出气体的物质，并非发生碳化反应所致。

(3)通过对比上述实施例1、实施例2和实施例3，随着水胶比的增大，完全碳化区a和部分碳化区b的长度增大，碳化程度加重，可见大的水胶比对粉煤灰水泥石的抗碳化性能不利。

(4)通过对比上述实施例1和实施例4，在粉煤灰掺量较大的实施例4的图6中，完全碳化区a和部分碳化区b的长度较大，碳化程度较严重，可见大的粉煤灰掺量对水泥石的抗碳化性能不利。

Claims (2)

1.一种水泥基材料抗碳化性能的测试装置，其特征在于由反应部分(A)、缓冲部分(B)和集气测量部分(C)组成，其间通过橡胶管连通；

反应部分(A)主要包括分液漏斗(1)、反应瓶(2)、磁力搅拌机(3)，分液漏斗(1)由斗体和设置于斗体上端的标准磨口及下端的斗颈，即漏管组成，斗体为球形或梨形的玻璃容器，其容积为30～50ml，在斗体内放置有稀盐酸，在分液漏斗(1)的瓶口处设置一个带有一个通孔的橡胶塞(9)，通孔中插入玻璃管，该玻璃管通过橡胶管与插入反应瓶(2)瓶口的橡胶塞(9)通孔中的玻璃管连通，斗颈为在其上设置有玻璃活塞的玻璃管，斗颈插入反应瓶(2)瓶口的橡胶塞(9)的通孔中，反应瓶(2)为带有标准磨口的广口瓶或锥形瓶，其材料为玻璃，在反应瓶(2)内放置待测的碳化水泥基材料样品的粉末，反应瓶(2)的容积为50～100ml，在其瓶口设置一个带有三个通孔的橡胶塞(9)，在该橡胶塞(9)的一个通孔中插入直线形玻璃管，该玻璃管通过橡胶管与分液漏斗(1)瓶口处的橡胶塞(9)通孔中的玻璃管连通，在另一个通孔中插入直角形或直线形玻璃管，该玻璃管通过橡胶管与缓冲瓶(6)瓶口处的橡胶塞(9)通孔中的玻璃三通(4)的一个玻璃管连通，在第三个通孔中直接插入分液漏斗(1)的斗颈，反应瓶(2)放置在水浴缸(8)内，水浴缸(8)放置在磁力搅拌机(3)的坐盘上，磁力搅拌机(3)放置在实验台上；

缓冲部分(B)主要包括缓冲瓶(6)、玻璃三通(4)、温度计(5)，缓冲瓶(6)为带有标准磨口的玻璃瓶，容积为500～1500ml，其瓶口设置带有三个通孔的橡胶塞(9)，在其中一个通孔中插入温度计(5)，在另一个通孔中插入玻璃三通(4)的一个玻璃管，在第三个通孔中插入直角形或直线形玻璃管，该玻璃管通过橡胶管与集气测量部分(C)中量气管(7)的测量管上端的玻璃管接口连通，缓冲瓶(6)放在水浴缸(8)中，水浴缸(8)放置在实验台上，玻璃三通(4)中的一个玻璃管插入缓冲瓶(6)瓶口的橡胶塞(9)其中的一个通孔中，另一个玻璃管通过橡胶管与插入反应瓶(2)瓶口的橡胶塞(9)通孔中的玻璃管连通，第三个玻璃管与橡胶管连通，并在橡胶管上设置钢丝夹(10)；

集气测量部分(C)为由测量管、平衡管和泄水管构成的量气管(7)，使用时在其内部注入量气管内用液，测量管为带有刻度值的玻璃管，是按国家标准定做的，其0刻度线从上端开始，向下读数逐渐增大，最小刻度值为0.1ml，量程为50ml，在测量管的上端设置一个标准玻璃管接口，其接口通过橡胶管与插入缓冲瓶(6)瓶口的橡胶塞(9)通孔中的直角形或直线形玻璃管连通，测量管的下端与平衡管和泄水管相连通，平衡管为细玻璃管，其位置与测量管平行，平衡管的上端开口，下端与测量管下端连通共同组成一个U型连通器，平衡管的上端开口与测量管的0刻度线相平，泄水管位于测量管和平衡管组成的U型连通器底部，并与测量管和平衡管连通，为一标准玻璃管接口，该接口与橡胶管相连通，并在橡胶管上设置钢丝夹(10)。

2.一种水泥基材料抗碳化性能的测试方法，其特征在于具体步骤如下：

(1)制备净浆试件

首先将除骨料以外的混凝土材料，即水泥、掺合料、外加剂，按实验所需的配合比混合搅拌均匀，入模成型为水泥基材料的净浆试件，并按实验所要求的养护制度将净浆试件养护至实验所需的龄期，然后对净浆试件按实验所要求的方法进行处理或不做处理，最后用加热熔化的石蜡将净浆试件除留一个端面作为碳化面外的其余表面予以密封；

(2)加速碳化及切片处理

1)加速碳化

在第(1)步完成后，对第(1)步制得的净浆试件按照实验要求的碳化条件和碳化时间进行加速碳化；

2)切片及粉磨

在第(2)-1)步完成后，先将加速碳化后的净浆试件从碳化面，即未封蜡端面的中心沿着垂直于碳化面的方向劈开，对劈开后的断面喷涂酚酞指示剂，并测量从碳化面到红色界线的长度，即碳化深度，再对加速碳化后的试件从碳化面开始进行由表及里逐层切片，切片厚度为1～5mm，并记录每一切片的厚度及切片中心到碳化面的长度，即深度，并对不同深度的切片分别编号，然后将各编号的切片放置在110℃的干燥箱中进行干燥，直至烘干切片中的水分及表面的石蜡，最后通过粉磨机分别对各编号的切片进行粉磨，至粉末完全通过0.16mm的方孔筛，并分别装入密封袋内保存；

(3)测定碳酸盐含量

在第(2)步完成后，利用如权利要求1所述的水泥基材料抗碳化性能的测试装置，对第(2)-2)步中磨细的不同编号的切片粉末，分别进行碳酸盐含量测定，其具体的步骤如下：

1)测定准备

先利用精度为0.0001g的分析天平，称取质量为0.45～0.65g第(2)-2)步中所制得的第一个编号的切片粉末，缓慢的放入反应瓶(2)中，并记录切片粉末的质量，然后盖紧反应瓶(2)瓶口的橡胶塞(9)，通过平衡管的上端开口向量气管(7)中注满量气管内用液，再用量筒量取10～15ml稀盐酸倒入分液漏斗(1)中，并盖紧分液漏斗(1)口的橡胶塞(9)，最后打开玻璃三通(4)的钢丝夹(10)，待装置内部压强与外界平衡后关闭钢丝夹(10)，并检查各连接处及各开口确保装置的密封性完好；

2)进行测定

第(3)-1)步完成后，旋开分液漏斗(1)斗颈上的活塞，分液漏斗(1)中的稀盐酸慢慢流入反应瓶(2)，待稀盐酸完全流入反应瓶(2)后，打开磁力搅拌机(3)进行搅拌，此时反应瓶(2)中不断产生CO₂气体并不断向量气管(7)中扩散，量气管(7)的测量管中的液面不断下降，平衡管中的液面不断上升溢出，在测量过程中，操作量气管(7)底部泄水管的钢丝夹(10)保证量气管的测量管和平衡管中的液面随时保持相平，待测量管和平衡管的液面稳定后，关闭磁力搅拌机(3)，并通过泄水管的钢丝夹(10)调节测量管与平衡管的液面相平，读取并记录测量管的示数，同时读取并记录缓冲瓶(6)中温度计(5)的示数和实验室气压表的示数，最后清洗净实验仪器后再返回第(3)-1)和2)步，进行下一编号切片粉末的碳酸盐含量测定，如此重复，直至在第(2)-2)步中所制得的所有编号的切片粉末全部测定完毕为止；

(4)数据处理及结果分析

1)数据处理

第(3)步完成后，首先将第(3)-2)步所记录的二氧化碳体积(V)、温度(T)、压强(P)和碳化水泥基材料粉末质量(m)值，分别计算出各切片粉末的碳酸盐含量(W)值，结果以CaCO₃的百分含量W(％)计，计算公式如下：

$W=\frac{\mathrm{PVM}}{\mathrm{RTm}}\×{10}^{-1}$

式中：W——CaCO₃的百分含量，％

P——实测大气压强，kPa

V——成CO₂气体的体积，ml

R——CO₂气体常数，R＝8.254J·k^-1·mol^-1

T——酸盐定量分析装置内部温度，K

M——CaCO₃摩尔质量，g/mol，M＝100.09g/mol

m——嵌化水泥基材料切片粉末的质量，g

然后，将各切片粉末的碳酸盐含量值绘制成“碳酸盐含量-深度”曲线；

2)结果分析

在第(4)-1)步完成后，根据实验的目的要求，对第(4)-1)步绘制成的“碳酸盐含量-深度”曲线及数据进行分析，分析水泥基材料碳化的程度及抗碳化性能的优劣，并提出改善措施。

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