CN103713023A - 一种水泥基材料碳化深度测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水泥基材料碳化深度测试方法。对前期碳化后的硬化水泥材料试块进行阻抗谱测试，得到阻抗谱图。利用水泥材料的电化学电路模型拟合阻抗谱图，获得电化学参数，然后测试水泥材料的实际碳化深度。把电化学参数和实际碳化深度建立起函数关系，再通过计算电化学参数来计算水泥后期碳化深度。本发明对水泥后期碳化深度进行无损、高效、准确测试，将更有利于混凝土结构耐久性的研究和现场碳化深度的快速检测。

Description

一种水泥基材料碳化深度测试方法

技术领域

本发明涉及一种水泥基材料碳化深度测试方法，尤其涉及一种用电化学阻抗谱对水泥基材料碳化深度无损检测的方法。

背景技术

混凝土结构在长期使用的过程中常处于复杂的大气环境中，空气中含有的二氧化碳常常与混凝土内的水泥浆体发生碳化。碳化实质是一个中和反应，碳化过程中不断消耗水化产物氢氧化钙，引起混凝土碳化部分的pH值下降，不仅加剧混凝土的收缩，改变混凝土的内部应力，造成混凝土开裂，而且还使混凝土内钢筋脱钝生锈。因此，对于水泥基材料碳化深度的评测是钢筋混凝土耐久性的一个重要指标。由于碳化主要发生在混凝土内的水泥熟料中，因此对水泥的碳化深度进行实时准确的测试是研究混凝土结构耐久性的重要课题。

目前国内对碳化深度检测方法主要是酚酞试剂测试法。根据GBJ 82-85描述的方法，将试件碳化3、7、14及28天时，破型以测定其碳化深度棱柱体试件在压力试验机上用劈裂法从一端开始破型。每次切除的厚度约为试件宽度的一半，用石腊将破型后试件的切断面封好，再放入箱内继续碳化，直到下一个试验期。如采用立方体试件，则在试件中部劈开。立方体试件只作一次检验，劈开后不再放回碳化箱重复使用。将切除所得的试件部份刮去断面上残存的粉末，随即喷上(或滴上)浓度为1％的酚酞酒精溶液(含20％的蒸馏水)。经30秒钟后，按原先标划的每10毫米一个测量点用钢板尺分别测出两侧面各点的碳化深度。如果测点处的碳化分界线上刚好嵌有粗骨料颗粒，则可取该颗粒两侧处碳化深度的平均值作为该点的深度值。碳化深度测量精确至1毫米。目前，此方法存在以下不足之处：(1)需破坏试件，属一次性检测，无法重复；(2)劈裂面的不平整会导致试剂变色界限不易确定；(3)采样次数有限；(4)容易出现人为的读数误差。

电化学阻抗谱对于研究水泥基材料的结构变化及浆体与骨料间界面敏感有效，而水泥，砂浆，混凝土等材料在随着碳化的进行结构会变得致密，引起其阻抗谱图出现明显的变化。用一个电化学等效电路模型R_s(Q₁(R_ct1W₁))(Q₂(R_ct2W₂))(见附图1)则可以表征水泥基材料的碳化过程。该模型由以下参数组成：R_s-水泥样品孔溶液电阻，Q₁-水泥材料内部固/液两相的双电层电容，R_ct1-水泥材料内部的离子传递过程电阻，W₁-水泥材料内部的离子扩散过程电阻(Warburg电阻)，Q₂-水泥材料与电极板之间的双电层电容，R_ct2-电极板表面的电荷传递过程电阻，W₂-电极板表面的离子扩散过程电阻(Warburg电阻)。模型R_s(Q₁(R_ct1W₁))(Q₂(R_ct2W₂))程不仅考虑到测试过程中外部电极板反应的作用，还考虑了水泥材料内部的固/液相互作用，即固/液之间的双电层电容效应，孔溶液中的离子扩散过程和样品内部的离子传递过程，所以用该模型可以有效跟踪测试水泥基材料的碳化过程。

模型的参数R_ct1(表示水泥材料内部的离子传递过程的电阻)随碳化龄期会呈现线性增长，因此利用该参数与早期的碳化深度和时间建立起函数关系，就可以对有效地对后期的碳化深度进行测试。

发明内容

本发明提供了一种新型高效准确的水泥基材料碳化深度测试方法。本方法实现了水泥基材料碳化试块的无损测试，对结构检测具有重要的参考意义。

本发明所提供的技术方案是：

一种水泥基材料碳化深度测试方法，其包括以下步骤：(1)在特定的模具下养护水泥材料试件；(2)将养护后的试件放入碳化箱加速碳化；(3)对规定碳化龄期的试件进行阻抗谱测试；(4)测量试件的碳化深度；(5)用电化学模型拟合得到电化学参数；所述的电化学模型是能代表水泥碳化的电化学体系，该模型可用电化学模型R_s(Q₁(R_ct1W₁))(Q₂(R_ct2W₂))表示，用软件Zsimpwin拟合；电化学模型R_s(Q₁(R_ct1W₁))(Q₂(R_ct2W₂))中R_s代表水泥样品孔溶液电阻，Q₁代表水泥材料内部固/液两相的双电层电容，R_ct1代表水泥材料内部的离子传递过程电阻，W₁代表水泥材料内部的离子扩散过程电阻，Q₂代表水泥材料与电极板之间的双电层电容，R_ct2代表电极板表面的电荷传递过程电阻，W₂代表电极板表面的离子扩散过程电阻；(6)根据碳化深度与电化学参数R_ct1的函数关系对后期水泥材料的碳化深度进行无损测试，电化学参数R_ct1随碳化龄期呈线性增长规律，建立R_ct1～t线性关系。

所述的方法，步骤(1)中所述的水泥材料试件尺寸为160mm×40mm×40mm。

所述的方法，步骤(1)中所述的特定的模具是指采用专利号ZL201120473976.2中的模具；该模具在水泥材料养护28天后卸除40mm×40mm的两端电极板，其余160mm×40mm的高绝缘有机聚合板底板、侧板和密封板对试件4个侧面仍有密封作用。

所述的方法，步骤(2)中所述的放入碳化箱加速碳化指卸出两端电极板的模具连同模具内的试件一起放入碳化箱，由于160mm×40mm模板的密封作用，碳化只从试件的40mm×40mm两端面向内一维纵向进行。

所述的方法，步骤(2)中所述的碳化箱加速碳化的环境条件为：二氧化碳浓度为20％±3％，相对湿度为70％±5％，温度为20℃±5℃。

所述的方法，步骤(3)中所述的电化学阻抗谱测试仪为283恒电位/恒电流仪、2000型频率响应检测仪，输入信号Single powersine，电极板为Model283at address14；测试频率为100.0mHz-1.000MHz；所述的阻抗谱图包括Nyquist图和Bode图。

所述的方法，步骤(4)中所述的碳化深度测试工具为精度是0.01mm的数显游标卡尺，试剂为酚酞试剂，酚酞试剂酒精浓度为1％。

发明采用专利(ZL201120473976.2)提出的一种用于水泥水化过程电化学阻抗谱在线测试的模具对水泥材料进行全程的养护和碳化测试。首先用该模具配制和养护水泥材料，养护28天后卸掉两端电极板让水泥材料接受碳化，需要测试时再将模具两端装上电极板即可进行电化学阻抗谱测试，从而跟踪水泥材料的碳化进程。整个过程水泥一直处于模具中，没有受到损坏，因而实现了无损测试。由于模具两端的电极板可卸可装，因此水泥材料可以重复接受碳化和测试，实现了重复性的测试。模具的拆卸安装自如也使测试方便可行。

本发明对水泥材料碳化深度的测试涉及水泥基材料电化学体系的测试。用适当的电化学模型可以代表碳化作用下的水泥材料，组成电化学模型的元件的参数又随着碳化的进程而发生规律性的变化，与碳化深度的存在数学联系，因此可以通过电化学参数的规律变化来反映和推算水泥材料的碳化深度。不仅避免像酚酞试剂测试法那样人工视读碳化深度产生较大的读数误差，而且可节省大量的测试人力和时间。

本发明的技术方案有以下有益效果：

1，无损测试。传统测试碳化深度的酚酞试剂法需要破坏试件，测试完后往往要对构件进行修复，有时该方法对构件的损坏甚至是不能修复的。而本发明的碳化深度测试可以保留试件的完整性，是一种无损检测。

2，重复性检测。现有的酚酞试剂测试法是一次性检测，试件在测试时未碳化区域染成紫红色，待该区域被碳化后原紫红色不会完全褪去，因此无法连续测量下一阶段的碳化深度。此外，酚酞试剂测试法对试件产生破坏，即使构件得到修复，其后期的碳化进程也会受到影响，所以再次测出的碳化深度是不准确的。而本发明的测试方法能够实现对碳化深度的连续实时测试，对碳化进程可以进行重复性的跟踪检测。

3，误差小。现有的酚酞试剂测试法的读数误差往往较大，测试时采用人工量尺测量，往往出现操作不当或视觉疲劳而造成很大的读数误差。本发明利用电化学参数与时间，碳化深度之间的数学关系，通过测试碳化作用后的电化学参数来推算碳化深度，因而可以避免人工读数的误差。

4，操作方便。现有的酚酞试剂测试法的工作量很大，在批量检测往往需要大量的人力和时间，而本发明对碳化深度的测试仅需在试件两端施加电极就可以跟踪测试水泥材料的碳化进程。操作方便。

附图说明

图1电路模型图；

图2试块模型图；1水泥材料试件，2海绵垫块，3不锈钢电极板；

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例一：

1、制样：深圳海星小野田水泥有限公司生产的525型复合硅酸盐水泥，在特制的模具(专利号：ZL 201120473976.2)中制备水泥净浆试块水灰比分别为0.25，0.3，0.4，0.5，每种水灰比制备24块试件，试块尺寸为160mm×40mm×40mm。

2、卸端模板：待水泥试件养护28天后卸除模具的两端40mm×40mm电极板，其余四个160mm×40mm的高绝缘有机聚合板对试件仍然密封。

3、碳化：将卸了电极板后的模具连同模具内的试件放入加速碳化箱中，箱内的二氧化碳浓度为20％±3％，相对湿度为70％±5％，温度为20℃±5℃。

4、测试：在碳化过程中，对碳化时间为0天，3天，14天，28天，60天，90天的试件进行阻抗谱测试，得出各阻抗谱图(包括Nyquist图和Bode图)。注意：在进行阻抗谱测试前应将模具的电极板重新装上。

5、拟合：将测试后的阻抗谱图用电化学模型R_s(Q₁(R_ct1W₁))(Q₂(R_ct2W₂))进行拟合(使用软件Zsimpwin拟合)，得到0天，3天，14天，21天，28天，36天，60天，90天的参数R_ct1的值，如0.4和0.5水灰比水泥在不同碳化天数的参数R_ct1的值(如表1)，碳化深度实测值(如表2)：

表1 0-90天参数R_ct1值

表2碳化深度的实测值

6、由于参数R_ct1值与随时间T满足线性关系。对于水灰比0.4的水泥净浆为：R_ct1，0.4=8300T+222900；对于水灰比0.5的水泥净浆为：R_ct1，0.5=3262T+119200；算出120天和150天碳化的参数R_ct1值(如表3)

表3120天和150天碳化的参数R_ct1值

7、拟合碳化深度D与参数R_ct1值的关系。对于水灰比0.4的水泥净浆为： $D_{0.4}=0.0065\·\sqrt{(R_{\mathrm{ct}1}-145600)};$ 对于水灰比0.5的水泥净浆为： $D_{0.5}=0.0350\·\sqrt{(R_{\mathrm{ct}1}-101000)};$ 只要算出后期的参数R_ct1值，就可以计算出后期碳化深度，从而实现碳化深度的无损测试。测试结果如表4。

表4120天和150天碳化深度预测值

实施例二：

所采用的步骤和方法如实施例1，不同之处在于：1)试验对象：水泥砂浆材料，水灰比0.40，胶砂比分别为：1：2，1：3，1：4；2)试验天数：0天，3天，7天，14天，36天，60天，90天，120天。

表51：2，1：3，1：4胶砂比的砂浆在不同碳化天数的参数R_ct1的值

表6 60天前的砂浆碳化深度的实测值。

表7 计算90天和120天的碳化深度

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种水泥基材料碳化深度测试方法，其特征在于，其包括以下步骤：(1)在特定的模具下养护水泥材料试件；(2)将养护后的试件放入碳化箱加速碳化；(3)对规定碳化龄期的试件进行阻抗谱测试；(4)测量试件的碳化深度；(5)用电化学模型拟合得到电化学参数；所述的电化学模型是能代表水泥碳化的电化学体系，该模型可用电化学模型R_s(Q₁(R_ct1W₁))(Q₂(R_ct2W₂))表示，用软件Zsimpwin拟合；电化学模型R_s(Q₁(R_ct1W₁))(Q₂(R_ct2W₂))中R_s代表水泥样品孔溶液电阻，Q₁代表水泥材料内部固/液两相的双电层电容，R_ct1代表水泥材料内部的离子传递过程电阻，W₁代表水泥材料内部的离子扩散过程电阻，Q₂代表水泥材料与电极板之间的双电层电容，R_ct2代表电极板表面的电荷传递过程电阻，W₂代表电极板表面的离子扩散过程电阻；(6)根据碳化深度与电化学参数R_ct1的函数关系对后期水泥材料的碳化深度进行无损测试，电化学参数R_ct1随碳化龄期呈线性增长规律，建立R_ct1～t线性关系。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的水泥材料试件尺寸为160mm×40mm×40mm。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的特定的模具是指采用专利号ZL201120473976.2中的模具；该模具在水泥材料养护28天后卸除40mm×40mm的两端电极板，其余160mm×40mm的高绝缘有机聚合板底板、侧板和密封板对试件4个侧面仍有密封作用。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的放入碳化箱加速碳化指卸出两端电极板的模具连同模具内的试件一起放入碳化箱，由于160mm×40mm模板的密封作用，碳化只从试件的40mm×40mm两端面向内一维纵向进行。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的碳化箱加速碳化的环境条件为：二氧化碳浓度为20％±3％，相对湿度为70％±5％，温度为20℃±5℃。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述的电化学阻抗谱测试仪为283恒电位/恒电流仪、2000型频率响应检测仪，输入信号Single powersine，电极板为Model 283 at address 14；测试频率为100.0mHz-1.000MHz；所述的阻抗谱图包括Nyquist图和Bode图。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中所述的碳化深度测试工具为精度是0.01mm的数显游标卡尺，试剂为酚酞试剂，酚酞试剂酒精浓度为1％。

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