CN103376281B - 一种固化土氯离子扩散系数的测定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固化土氯离子扩散系数的测定装置及方法，所述测定装置包括电源、固化土试件、第一PVC管、第二PVC管、阳极溶液、阴极溶液、第一电极以及第二电极，所述阳极溶液和第一电极位于第一PVC管内，且阳极溶液和第一电极连接电源的正极，所述阴极溶液和第二电极位于第二PVC管内，且阴极溶液和第二电极连接电源的负极，所述固化土试件位于所述第一PVC管与第二PVC管之间，本发明的测定固化土氯离子扩散系数的装置结构简单、合理，成本低，本发明的测定固化土氯离子扩散系数的方法操作方便，能够使溶液中的氯离子快速在固化土中扩散，扩散均匀且扩散效果明显，适用于采用该方法进行固化土氯离子扩散系数的研究工作。

Description

一种固化土氯离子扩散系数的测定装置及方法

技术领域

本发明涉及一种固化土氯离子扩散系数的测定装置及方法，属于土木工程材料技术领域。

背景技术

随着经济社会的不断发展以及我国沿海战略的实施，对于土壤这一最广泛的材料的开发和利用变得越来越迫切，如何更好的利用土壤成为各方研究的重点课题。当前，主要是聚焦于如何提高土壤固化的强度。但是海洋工程的实施中，除了必须较好的固化土壤，产生较高强度外，还需考虑到海水中离子含量高，特别是氯离子，对于海洋工程中，必须要考虑到氯离子对于固化土的扩散问题，以防海水中高浓度的氯离子扩散进入固化土，对近海的一些工程设备以及水源造成侵蚀和污染。

现阶段，研究氯离子扩散系数的方法还停留在混凝土的层面，较少涉及到对于固化土的研究层面，积极探索合适的固化土氯离子扩散系数的研究方法很有必要。由于自然条件下，固化土的氯离子扩散非常缓慢，为了便于研究，需要通过某种手段来加速这一过程，采用电化学方法可加速固化土的氯离子扩散进程，研究固化土的氯离子扩散问题。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种固化土氯离子扩散系数的测定装置。

本发明还要解决的技术问题是提供一种固化土氯离子扩散系数的测定方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种固化土氯离子扩散系数的测定装置，包括电源、固化土试件、第一PVC管、第二PVC管、阳极溶液、阴极溶液、第一电极以及第二电极，所述阳极溶液和第一电极位于第一PVC管内，且阳极溶液和第一电极连接电源的正极，所述阴极溶液和第二电极位于第二PVC管内，且阴极溶液和第二电极连接电源的负极，所述固化土试件位于所述第一PVC管与第二PVC管之间。

其中，所述固化土试件与所述第一PVC管和第二PVC管的接触部分采用环氧树脂密封。

其中，所述阳极溶液为0.2mol/L的KOH溶液，阴极溶液为NaCl质量百分比含量为5%的0.2mol/L KOH溶液。

其中，所述第一PVC管与第二PVC管相对设置，且均为L形。

其中，所述第一电极和第二电极均为不锈钢网电极，且第一电极和第二电极相互平行。

其中，所述第一电极和第二电极设置在所述固化土试件的左右两侧，且第一电极或第二电极与固化土试件的距离为20～40mm。

所述固化土试件与所述第一PVC管和第二PVC管的接触部分采用环氧树脂密封，环氧树脂需要静置24h保证其硬化。

一种固化土氯离子扩散系数的测定方法，包括如下步骤：

步骤1，将待检测的固化土试件放入固化土氯离子扩散系数的测定装置中，以0.2mol/L的KOH溶液为阳极溶液，NaCl的质量百分比含量为5%的0.2mol/LKOH溶液为阴极溶液；

步骤2，接通电源，通电12h，其中，电源电压为10V～30V；

步骤3，通电完成后，将固化土试件从装置中移出，将试件劈开，立即在劈开的试件表面喷涂0.1mol/L的AgNO₃溶液，顺着阴极测量固化土试件中的变色深度，采用公式（1）得到氯离子扩散系数：

$D=\frac{\mathrm{RTL}}{\mathrm{ZFU}}\·\frac{x_d-\mathrm{\α}\sqrt{x_d}}{t}---\left(1\right)$

式中：

R为气体常数，取8.314J/(mol·K)；

L为试件长度，m；

Z为离子电价（本次试验取1）；

F为法拉第常数，取96485.34C/mol；

U为通电电压，V；

X_d为平均变色深度，m；

t为测量时间，s；

T为阳极溶液电解液初始和最终温度的平均值，K；

α为参数，其准确值采用如下公式（2）可得：

$\mathrm{\α}=2\sqrt{\frac{\mathrm{RTL}}{\mathrm{ZFU}}}{\mathrm{erf}}^{-1}(1-\frac{{2c}_d}{c_0})---\left(2\right)$

式中：

erf^-1为反误差常数，取0.959057；

c_d为显色边界固化土孔溶液中氯离子浓度，0.07mol/L；

c₀为源溶液浓度，mol/L。

固化土试件尺寸是直径Φ50mm×100mm圆柱体试样，将圆柱形试样两端的1/4长度分别插入直径Φ50mm的第一PVC管和第二PVC管中。

有益效果：本发明提供的测定固化土氯离子扩散系数的装置结构简单、合理，成本低，本发明提供的测定固化土氯离子扩散系数的方法操作方便，能够使溶液中的氯离子快速在固化土中扩散，扩散均匀且扩散效果明显，适用于采用该方法进行固化土氯离子扩散系数的试验研究工作。

附图说明

图1是本发明提供的固化土氯离子扩散系数测定装置的结构示意图；

图2、图3、图4分别是采用本发明提供的固化土氯离子扩散系数测定方法得到的氯离子扩散深度示意图，其中，图2为实施例1，图3为实施例2，图4为实施例3。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

如图1所示，本发明的固化土氯离子扩散系数的测定装置，包括电源1、固化土试件2、第一PVC管3、第二PVC管4、阳极溶液5、阴极溶液6、第一电极7以及第二电极8，所述阳极溶液5和第一电极7位于第一PVC管3内，且阳极溶液5和第一电极7连接电源1的正极，所述阴极溶液6和第二电极8位于第二PVC管4内，且阴极溶液6和第二电极8连接电源1的负极，所述固化土试件2位于所述第一PVC管3与第二PVC管4之间，固化土试样2两端的1/4长度分别插入第一PVC管3和第二PVC管4中，且固化土试件2与第一PVC管3和第二PVC管4的接触部分采用环氧树脂密封，阳极溶液5为0.2mol/L的KOH溶液，阴极溶液6为NaCl的质量百分含量为5%的0.2mol/L KOH溶液，阳极溶液5和阴极溶液6的温度为20℃，第一PVC管3与第二PVC管4相对设置，且均为L形，第一电极7和第二电极8均为不锈钢网电极，其相互平行，设置在所述固化土试件2的左右两侧，且第一电极7或第二电极8与固化土试件2的距离为20～40mm，环氧树脂静置24h保证其硬化，电源1为直流电源。

实施例1

制备待检测的水泥固化土试样，固化土试样的尺寸为直径Φ50mm×100mm，圆柱体，土壤为南京当地粘土，含水量为30%，水泥为32.5级复合硅酸盐水泥，水灰比0.5，水泥掺量为粘土质量的15%，试件在标准条件下养护28d后，进行氯离子扩散试验；

将上述待检测的固化土试样放入本发明固化土氯离子扩散系数的测定装置中，电极与固化土试件的距离为20mm；接通电源，电源电压为15V，通电12h；通电完成后，将固化土试件从装置中移出，立即用切割机将试件劈开，吹走表面粉末，表面稍干后（约10min），在劈开的试件表面喷涂0.1mol/L的AgNO₃溶液，15min后氯离子的扩散轮廓如图2所示，测出氯离子平均扩散深度为52.2mm，根据公式（1）和公式（2）计算出水泥固化土的氯离子扩散系数为1.012×10^-10m²/s。

实施例2

制备待检测的水泥固化土试样，固化土试样的尺寸为直径Φ50mm×100mm，圆柱体，土壤为南京当地粘土，含水量为30%，水泥为32.5级复合硅酸盐水泥，水灰比0.5，水泥掺量为粘土质量的15%，试件在标准条件下养护60d后，进行氯离子扩散试验；

将上述待检测的固化土试样放入本发明固化土氯离子扩散系数的测定装置中，电极与固化土试件的距离为20mm；接通电源，电源电压为20V，通电12h；通电完成后，将固化土试件从装置中移出，立即用切割机将试件劈开，吹走表面粉末，表面稍干后（约10min），在劈开的试件表面喷涂0.1mol/L的AgNO₃溶液，15min后氯离子的扩散轮廓如图3所示，测出氯离子平均扩散深度为42.5mm，根据公式（1）和公式（2）计算出水泥固化土的氯离子扩散系数为8.224×10^-11m²/s。

实施例3

制备待检测的水泥固化土试样，固化土试样的尺寸为直径Φ50mm×100mm，圆柱体，土壤为南京当地粘土，含水量为30%，水泥为32.5级复合硅酸盐水泥，水灰比0.5，水泥掺量为粘土质量的15%，试件在标准条件下养护90d后，进行氯离子扩散试验；

将上述待检测的固化土试样放入本发明固化土氯离子扩散系数的测定装置中，电极与固化土试件的距离为20mm；接通电源，电源电压为30V，通电12h；通电完成后，将固化土试件从装置中移出，立即用切割机将试件劈开，吹走表面粉末，表面稍干后（约10min），在劈开的试件表面喷涂0.1mol/L的AgNO₃溶液，15min后氯离子的扩散轮廓如图4所示，测出氯离子平均扩散深度为40.8mm，根据公式（1）和公式（2）计算出水泥固化土的氯离子扩散系数为7.893×10^-11m²/s。

Claims (5)

1.一种固化土氯离子扩散系数的测定装置，其特征在于：包括电源、固化土试件、第一PVC管、第二PVC管、阳极溶液、阴极溶液、第一电极以及第二电极，所述阳极溶液和第一电极位于第一PVC管内，且阳极溶液和第一电极连接电源的正极，所述阴极溶液和第二电极位于第二PVC管内，且阴极溶液和第二电极连接电源的负极，所述固化土试件位于所述第一PVC管与第二PVC管之间，所述阳极溶液为0.2mol/L的KOH溶液，阴极溶液为NaCl的质量百分含量为5％的0.2mol/L KOH溶液，所述第一PVC管与第二PVC管均为L形。

2.根据权利要求1所述的固化土氯离子扩散系数的测定装置，其特征在于：所述固化土试件与所述第一PVC管和第二PVC管的接触部分采用环氧树脂密封。

3.根据权利要求1所述的固化土氯离子扩散系数的测定装置，其特征在于：所述第一电极和第二电极均为不锈钢网电极，且第一电极和第二电极相互平行。

4.根据权利要求1所述的固化土氯离子扩散系数的测定装置，其特征在于：所述第一电极或第二电极与固化土试件的距离为20～40mm。

5.一种固化土氯离子扩散系数的测定方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，将待检测的固化土试件放入权利要求1所述的固化土氯离子扩散系数的测定装置中；

步骤2，接通电源，通电12h，其中，电源电压为15V～30V；

步骤3，通电完成后，将固化土试件从装置中移出，将试件劈开，在劈开的试件表面喷涂0.1mol/L的AgNO₃溶液，测量固化土试件中的变色深度，采用公式(1)得到氯离子扩散系数：

$D=\frac{\mathrm{RTL}}{\mathrm{ZFU}}\·\frac{x_d-\mathrm{\α}\sqrt{x_d}}{t}---\left(1\right)$

式中：

R为气体常数，取8.314J/(mol·K)；

L为试件长度，m；

Z为离子电价，其中，公式(1)中离子电价值取1；

F为法拉第常数，取96485.34C/mol；

U为通电电压，V；

X_d为平均变色深度，m；

t为测量时间，s；

T为阳极溶液电解液初始和最终温度的平均值，K；

α为参数，其准确值采用如下公式(2)得到：

$\mathrm{\α}=2\sqrt{\frac{\mathrm{RTL}}{\mathrm{ZFU}}}\·{\mathrm{erf}}^{-1}(1-\frac{{2c}_d}{c_0})---\left(2\right)$ 式中：

erf^-1为反误差常数，取0.959057；

c_d为显色边界固化土孔溶液中氯离子浓度，0.07mol/L；

c₀为源溶液浓度，mol/L。