CN104155434B - 连续湿度环境条件下混凝土碳化规律的分析方法及试验装置 - Google Patents

Abstract

一种连续湿度环境条件下混凝土碳化规律的分析方法及试验装置，分析方法包括以下步骤：(1)开展连续湿度环境条件混凝土加速碳化试验；(2)绘制连续湿度环境条件情况图；(3)分析连续湿度环境条件下混凝土的碳化深度；(4)绘制混凝土碳化深度与连续相对湿度的关系曲线。该试验装置包括碳化箱、高分子防水膜、气泵系统、不锈钢架和可升降相对湿度测试设备，该方法及装置能够有效地模拟出连续湿度环境条件，分析获取连续湿度环境条件下混凝土的碳化深度，从而能够揭示连续湿度环境下混凝土碳化规律，为综合分析和评估水工混凝土结构和地下混凝土结构的耐久性奠定基础。

Description

连续湿度环境条件下混凝土碳化规律的分析方法及试验装置

一、技术领域

本发明涉及一种混凝土碳化规律的分析方法及试验装置，具体是一种连续湿度环境条件下混凝土碳化规律的分析方法及试验装置。

二、背景技术

混凝土碳化是混凝土耐久性指标之一，碳化是指混凝土所处环境中的二氧化碳通过混凝土孔隙和微裂缝进入到混凝土内部，在有水参与的情况下二氧化碳和混凝土孔溶液中的碱性物质发生碳化反应，生成碳酸钙，造成混凝土碱度下降，进而造成混凝土中钢筋的破坏。

环境相对湿度是混凝土碳化的主要影响因素之一。混凝土碳化反应需要在液相环境中进行，而这种液相环境正是由环境相对湿度决定的。当环境相对湿度较大时，混凝土孔隙水饱和度较高，二氧化碳在混凝土中的扩散受阻，碳化速率较慢；但当环境相对湿度过小时，二氧化碳气体虽然扩散得较快，但由于湿度小，无法形成有效的碳化场所，碳化反应也较难进行。

处于水面附近的混凝土结构，在距离水面不同高度遭受连续不同湿度条件的影响；地下结构中混凝土则长期与土壤接触，地下水位以上的混凝土结构处于不同含水率的土壤环境中，同样处于连续湿度环境中。对于处于连续湿度环境条件下的水工结构和地下结构的混凝土，由于湿度的差异导致同一混凝土结构的不同部位碳化程度不同，进而造成整个混凝土结构耐久性和服役寿命评估的偏差。因此，研究连续湿度环境条件下混凝土的碳化规律是开展水工混凝土结构和地下混凝土结构的耐久性综合评估和服役寿命预测研究的重要基础。

然而，由于大气中二氧化碳的浓度较低，混凝土的碳化过程非常缓慢，因此通常采用将混凝土放置于具有高二氧化碳浓度的密闭空间的方式开展加速碳化试验，以缩短混凝土的碳化时间。

目前，对于相对湿度对混凝土碳化影响的研究，研究成果主要是在单一相对湿度环境条件下开展碳化试验研究得到，这种试验通常采用恒温恒湿的标准碳化箱，通过逐次调节碳化箱中的相对湿度分批开展碳化试验。然而，此类试验只能逐次模拟某一相对湿度的环境条件，无法形成连续湿度环境，难以有效分析连续湿度环境条件下混凝土的碳化规律。

因此，针对连续湿度环境条件下混凝土碳化规律的分析方法开展研究，研发基于连续湿度环境条件的混凝土加速碳化试验装置，获取混凝土在连续湿度环境条件下的碳化规律，对综合分析和评估水工混凝土结构和地下混凝土结构的耐久性具有重要的学术意义和工程应用价值。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种连续湿度环境条件下混凝土碳化规律的分析方法及试验装置，能够有效获取混凝土在连续湿度环境条件下的一系列碳化深度，开展混凝土加速碳化试验，依据取得的试验数据进行分析，综合反映出连续湿度环境条件下混凝土的碳化规律。

本发明通过以下述技术方案实现上述目的：一种连续湿度环境条件下混凝土碳化规律的分析方法，包括以下步骤：

1、开展连续湿度环境条件混凝土加速碳化试验：选取干燥的棱柱体混凝土试块，用环氧树脂对垂直于试块长轴的2个端面进行密封，保留与长轴平行的4个面，将试块以密封面平行于环境中相对湿度梯度方向的方式置于连续湿度环境条件下混凝土碳化规律的分析方法的试验装置中，并开展加速碳化试验；

2、绘制连续湿度环境条件情况图：在碳化试验过程中，测定连续湿度环境条件中沿相对湿度梯度方向的相对湿度值，并对多次测定得到的相对湿度值取平均值，绘制连续湿度环境条件情况图；

3、分析连续湿度环境条件下混凝土的碳化深度：达到期望碳化龄期时，从碳化箱中取出试块，将试块沿相对湿度梯度方向劈裂，清理断面后在断面上喷上浓度为1％的酚酞酒精溶液，其中酒精溶液含20％蒸馏水，经30s后，在颜色变化稳定后的断面上分别按一定间距测定混凝土试块断面四条边的碳化深度，并结合步骤2中获取的连续湿度环境条件情况，分析得到不同相对湿度环境条件下混凝土的碳化深度；

4、绘制混凝土碳化深度与连续相对湿度的关系曲线：对同一相对湿度条件下对应的得到的两个或多个混凝土碳化深度值取平均值，绘制混凝土碳化深度与连续相对湿度的关系曲线。

所述混凝土碳化深度是从混凝土表面沿混凝土表面法线方向到呈现深色的未碳化区域之间的距离，当测点处的未碳化区域分界线上刚好嵌有粗骨料颗粒，从该粗骨料颗粒的两侧绘制虚拟未碳化区域分界线，此时混凝土碳化深度取从混凝土表面沿混凝土表面法线方向到虚拟未碳化区域分界线之间的距离，碳化深度范围为0mm至150mm。

所述期望碳化龄期范围为28天至365天。

所述混凝土试块断面四条边碳化深度的测定间距选取0～30mm之间的某一数值，且混凝土试块断面同一边的测定间距应该相等，不同边的测定间距可以不相等。

一种适用于所述的连续湿度环境条件下混凝土碳化规律的分析方法的试验装置，包括碳化箱、高分子防水膜、气泵系统、不锈钢架和可升降相对湿度测试设备。所述高分子防水膜铺设在碳化箱底部，所述气泵系统由气泵、气管和气嘴组成，气管一端连接气泵，另一端连接气嘴，气嘴均匀布置在水底，通过气泵系统在水底泵气，制造近水面高湿度环境，不锈钢架置于碳化箱底部的高分子防水膜上，所述可升降相对湿度测试设备由吊篮、相对湿度计、细线和带刻度细线收紧器组成，带刻度细线收紧器固定于碳化箱外壁，相对湿度计固定于吊篮上，细线一端连接吊篮、另一端连接带刻度细线收紧器，通过细线控制吊篮的升降改变相对湿度计的位置，测量碳化箱中不同高度处的相对湿度，获取连续湿度环境条件。

所述碳化箱内设有温度传感器及温度控制系统、二氧化碳浓度传感器及二氧化碳浓度控制系统、湿度传感器及湿度控制系统，温度传感器和二氧化碳浓度传感器均位于碳化箱中部，湿度传感器位于碳化箱顶部，温度传感器与温度控制系统协同工作将碳化箱内的温度控制在10℃～30℃范围内的某一温度，精度为0.5℃；二氧化碳浓度传感器与二氧化碳浓度控制系统及外部二氧化碳供气系统的协同工作将碳化箱内的二氧化碳浓度即体积百分比控制在10％～30％范围内的某一浓度，精度为0.5％；湿度传感器与湿度控制系统协同工作将碳化箱顶部的相对湿度控制在50％～90％范围内的某一相对湿度，精度为2％。

本发明的突出优点在于：

首次提供了连续湿度环境条件下混凝土碳化规律的分析方法及试验装置，能够有效地模拟出连续湿度环境，为研究连续湿度环境条件下混凝土的碳化规律提供合适的环境条件；能够分层放置混凝土试块，从而可以同时分析一系列连续湿度环境条件下混凝土的碳化规律；能够升降相对湿度测试设备，测量出距离水面不同高度处的相对湿度值，获取连续湿度环境条件。该方法及装置能够有效开展连续环境条件下混凝土碳化试验，并分析获取连续湿度环境条件下混凝土的碳化深度，从而能够揭示连续湿度环境下混凝土碳化规律，为综合分析和评估水工混凝土结构和地下混凝土结构的耐久性奠定基础。

四、附图说明

图1是适用于连续湿度环境条件下混凝土碳化规律的分析方法的试验装置示意图和实施例2的混凝土加速碳化试验示意图。

图2是适用于连续湿度环境条件下混凝土碳化规律的分析方法的试验装置示意图和实施例3的混凝土加速碳化试验示意图。

图3是实施例2的连续湿度环境条件情况图。

图4是实施例2的不同相对湿度环境条件下混凝土试块断面91天碳化深度图。

图5是实施例2的混凝土试块断面91天碳化深度与连续相对湿度的关系曲线图。

图6是实施例3的连续湿度环境条件情况图。

图7是实施例3的不同相对湿度环境条件下混凝土试块断面91天碳化深度图。

图8是实施例3的混凝土试块断面91天碳化深度与连续相对湿度的关系曲线图。

五、具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的装置和技术方案作进一步详细描述。

实施例1

对照图1和图2，本发明所述的适用于连续湿度环境条件下混凝土碳化规律的分析方法的试验装置，由碳化箱1、高分子防水膜2、气泵3、气管4、气嘴5、不锈钢架6、吊篮9、相对湿度计10、带刻度细线收紧器11、细线12、温度传感器13、温度控制系统14、二氧化碳浓度传感器15、二氧化碳浓度控制系统16、湿度传感器17、湿度控制系统18和外部二氧化碳供气系统19构成，具体结构和连接方式为：

所述高分子防水膜2铺设在碳化箱1底部，铺设完成后向碳化箱1中加入蒸馏水8，所述气泵系统由气泵3、气管4和气嘴5组成，气管4一端连接气泵3，另一端连接气嘴5，气嘴5均匀布置在水底，通过气泵系统在水底泵气，制造近水面高湿度环境，不锈钢架6置于碳化箱底部的高分子防水膜2上。不锈钢架6尺寸和形状根据混凝土试块的形状确定，用于分层支撑混凝土试块。所述可升降相对湿度测试设备由吊篮9、相对湿度计10、带刻度细线收紧器11和细线12组成，带刻度细线收紧器11固定于碳化箱外壁，相对湿度计10固定于吊篮9上，细线12一端连接吊篮9、另一端连接带刻度细线收紧器11，通过细线12控制吊篮9的升降改变相对湿度计10的位置，测量碳化箱中不同高度处的相对湿度，获取连续湿度环境条件。

所述碳化箱1内设有温度传感器13及温度控制系统14、二氧化碳浓度传感器15及二氧化碳浓度控制系统16、湿度传感器17及湿度控制系统18，温度传感器和二氧化碳浓度传感器均位于碳化箱中部，湿度传感器位于碳化箱顶部，温度传感器与温度控制系统协同工作将碳化箱内的温度控制在10℃～30℃范围内的某一温度，精度为0.5℃；二氧化碳浓度传感器与二氧化碳浓度控制系统及外部二氧化碳供气系统19的协同工作将碳化箱内的二氧化碳浓度即体积百分比控制在10％～30％范围内的某一浓度，精度为0.5％；湿度传感器与湿度控制系统协同工作将碳化箱顶部的相对湿度控制在50％～90％范围内的某一相对湿度，精度为2％。

实施例2

本实施例为连续湿度环境条件下混凝土碳化规律的分析方法的具体实例，包括以下步骤：

1、开展连续湿度环境条件混凝土加速碳化试验：

选取一块干燥的、龄期为28天、尺寸为100mm×100mm×300mm的棱柱体混凝土试块，该混凝土试块按水：水泥：粉煤灰：矿渣：砂：碎石的质量比为1:1:0.5:0.17:4.69:7.64的配合比制备，用环氧树脂对垂直于试块长轴的2个端面进行密封，保留与长轴平行的4个面，然后将试块置于连续湿度环境条件下混凝土碳化规律的分析方法的试验装置中，此时，碳化箱中相对湿度梯度方向与水面垂直，试验时将试块以密封面平行于环境中相对湿度梯度方向的方式置于单层不锈钢架上，往碳化箱中加蒸馏水至水面覆盖混凝土试块1/2高度处，即混凝土试块顶部距水面50mm，如图1所示，开启气泵系统形成人工模拟连续湿度环境，启动碳化箱进行人工连续湿度环境条件下混凝土加速碳化试验，设定碳化箱内的温度为20℃±2℃，二氧化碳浓度为20％±2％，设定碳化箱顶部的相对湿度为70％±3％。

2、绘制连续湿度环境条件情况图：

在碳化试验过程中，通过调节碳化箱内相对湿度计的高度，测定试块高度范围内沿相对湿度梯度方向的相对湿度值，并对多次测定得到的相对湿度值取平均值，绘制连续湿度环境条件情况图，如图3所示；

3、分析连续湿度环境条件下混凝土的碳化深度：

碳化龄期达到91天后，从碳化箱中取出试块，将试块沿相对湿度梯度方向劈裂，清理断面后在断面上喷上浓度为1％的酚酞酒精溶液，其中酒精溶液含20％蒸馏水，经30s后，在颜色变化稳定后的断面上分别测定混凝土试块断面四条边的碳化深度，其中，碳化深度是从混凝土表面沿混凝土表面法线方向到呈现深色的未碳化区域之间的距离，当测点处的未碳化区域分界线上刚好嵌有粗骨料颗粒，从该粗骨料颗粒的两侧绘制虚拟未碳化区域分界线，此时混凝土碳化深度取从混凝土表面沿混凝土表面法线方向到虚拟未碳化区域分界线之间的距离，由于本实施例中混凝土试块的底面和两个侧面的下半部分位于水下，且水下区域均为深色无碳化区域，因此只需测量混凝土试块断面的顶面和两个侧面上半部分的碳化深度，其中对于混凝土试块断面的两个侧面上半部分，用游标卡尺按5mm的间距测定混凝土碳化区的碳化深度，对于混凝土试块断面的顶面，用游标卡尺按17mm的间距测定混凝土碳化区的碳化深度，然后结合步骤2中获取的混凝土试块不同高度处的连续湿度环境条件情况，分析得到不同相对湿度环境条件下混凝土的碳化深度，如图4所示；

4、绘制混凝土碳化深度与连续相对湿度的关系曲线：

对于混凝土试块断面的侧面，对每一个相对湿度条件对应的2个混凝土碳化深度值取平均值；而由于混凝土试块断面的顶面处于同一个相对湿度条件，对顶面测得的6个混凝土碳化深度值取平均值，绘制混凝土碳化深度与连续相对湿度的关系曲线，如图5所示。

实施例3

本实施例为连续湿度环境条件下混凝土碳化规律的分析方法的又一具体实例，包括以下步骤：

1、开展连续湿度环境条件混凝土加速碳化试验：

选取一块干燥的、龄期为28天、尺寸为100mm×100mm×300mm的棱柱体混凝土试块，该混凝土试块按水：水泥：粉煤灰：矿渣：砂：碎石的质量比为1:1.33:0.33:4.69:7.64的配合比制备，用环氧树脂对垂直于试块长轴的2个端面进行密封，保留与长轴平行的4个面，然后将试块置于连续湿度环境条件下混凝土碳化规律的分析方法的试验装置中，此时，碳化箱中相对湿度梯度方向与水面垂直，试验时将试块以密封面平行于环境中相对湿度梯度方向的方式置于第二层不锈钢架上，往碳化箱中加蒸馏水至水面距试块底部为100mm处，如图2所示，开启气泵系统形成人工模拟连续湿度环境，启动碳化箱进行人工连续湿度环境条件下混凝土加速碳化试验，设定碳化箱内的温度为20℃±2℃，二氧化碳浓度为20％±2％，设定碳化箱顶部的相对湿度为70％±3％。

2、绘制连续湿度环境条件情况图：

在碳化试验过程中，通过调节碳化箱内相对湿度计的高度，测定试块高度范围内沿相对湿度梯度方向的相对湿度值，并对多次测定得到的相对湿度值取平均值，绘制连续湿度环境条件情况图，如图6所示；

3、分析连续湿度环境条件下混凝土的碳化深度：

碳化龄期达到91天后，从碳化箱中取出试块，将试块沿相对湿度梯度方向劈裂，清理断面后在断面上喷上浓度为1％的酚酞酒精溶液，其中酒精溶液含20％蒸馏水，经30s后，在颜色变化稳定后的断面上分别测定混凝土试块断面四条边的碳化深度，其中，碳化深度是从混凝土表面沿混凝土表面法线方向到呈现深色的未碳化区域之间的距离，当测点处的未碳化区域分界线上刚好嵌有粗骨料颗粒，从该粗骨料颗粒的两侧绘制虚拟未碳化区域分界线，此时混凝土碳化深度取从混凝土表面沿混凝土表面法线方向到虚拟未碳化区域分界线之间的距离，其中对于混凝土试块断面的两个侧面，用游标卡尺按10mm的间距测定碳化深度，对于混凝土试块断面的顶面，用游标卡尺按10mm的间距测定混凝土碳化区的碳化深度，对于混凝土试块断面的底面，用游标卡尺按14mm的间距测定混凝土碳化区的碳化深度，然后结合步骤2中获取的混凝土试块不同高度处的连续湿度环境条件情况，分析得到不同相对湿度环境条件下混凝土的碳化深度，如图7所示；

4、绘制混凝土碳化深度与连续相对湿度的关系曲线：

对于混凝土试块断面的侧面，对每一个相对湿度条件对应的2个混凝土碳化深度值取平均值；而由于混凝土试块断面的顶面和底面均各自处于同一个相对湿度条件，对顶面和底面分别测得的7个混凝土碳化深度值取平均值，绘制混凝土碳化深度与连续相对湿度的关系曲线，如图8所示。

Claims (6)

1.一种连续湿度环境条件下混凝土碳化规律的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

1.1、开展连续湿度环境条件混凝土加速碳化试验：选取干燥的棱柱体混凝土试块，用环氧树脂对垂直于试块长轴的2个端面进行密封，保留与长轴平行的4个面，将试块以密封面平行于环境中相对湿度梯度方向的方式置于连续湿度环境条件下混凝土碳化规律的分析方法的试验装置中，并开展加速碳化试验；

1.2、绘制连续湿度环境条件情况图：在碳化试验过程中，测定连续湿度环境条件中沿相对湿度梯度方向的相对湿度值，并对多次测定得到的相对湿度值取平均值，绘制连续湿度环境条件情况图；

1.3、分析连续湿度环境条件下混凝土的碳化深度：达到期望碳化龄期时，从碳化箱中取出试块，将试块沿相对湿度梯度方向劈裂，清理断面后在断面上喷上浓度为1％的酚酞酒精溶液，其中酒精溶液含20％蒸馏水，经30s后，在颜色变化稳定后的断面上分别按一定间距测定混凝土试块断面四条边的碳化深度，并结合步骤1.2中获取的连续湿度环境条件情况，分析得到不同相对湿度环境条件下混凝土的碳化深度；

1.4、绘制混凝土碳化深度与连续相对湿度的关系曲线：对同一相对湿度条件下对应的得到的两个或多个混凝土碳化深度值取平均值，绘制混凝土碳化深度与连续相对湿度的关系曲线。

2.根据权利要求1所述的连续湿度环境条件下混凝土碳化规律的分析方法，其特征在于，所述混凝土碳化深度是从混凝土表面沿混凝土表面法线方向 到呈现深色的未碳化区域之间的距离，当测点处的未碳化区域分界线上刚好嵌有粗骨料颗粒，从该粗骨料颗粒的两侧绘制虚拟未碳化区域分界线，此时混凝土碳化深度取从混凝土表面沿混凝土表面法线方向到虚拟未碳化区域分界线之间的距离，碳化深度范围为0mm至150mm。

3.根据权利要求2所述的连续湿度环境条件下混凝土碳化规律的分析方法，其特征在于，所述期望碳化龄期范围为28天至365天。

4.根据权利要求3所述的连续湿度环境条件下混凝土碳化规律的分析方法，其特征在于，所述混凝土试块断面四条边碳化深度的测定间距选取0～30mm之间的某一数值，且混凝土试块断面同一边的测定间距应该相等，不同边的测定间距可以不相等。

5.一种适用于权利要求1所述的连续湿度环境条件下混凝土碳化规律的分析方法的试验装置，包括碳化箱、高分子防水膜、气泵系统、不锈钢架和可升降相对湿度测试设备，其特征在于，所述高分子防水膜铺设在碳化箱底部，所述气泵系统由气泵、气管和气嘴组成，气管一端连接气泵，另一端连接气嘴，气嘴均匀布置在水底，通过气泵系统在水底泵气，制造近水面高湿度环境，不锈钢架置于碳化箱底部的高分子防水膜上，所述可升降相对湿度测试设备由吊篮、相对湿度计、细线和带刻度细线收紧器组成，带刻度细线收紧器固定于碳化箱外壁，相对湿度计固定于吊篮上，细线一端连接吊篮、另一端连接带刻度细线收紧器，通过细线控制吊篮的升降改变相对湿度计的位置，测量碳化箱中不同高度处的相对湿度，获取连续湿度环境条件。

6.根据权利要求5所述的连续湿度环境条件下混凝土碳化规律的分析方法的试验装置，其特征在于，所述碳化箱内设有温度传感器及温度控制系统、二氧化碳浓度传感器及二氧化碳浓度控制系统、湿度传感器及湿度控制系统，温 度传感器和二氧化碳浓度传感器均位于碳化箱中部，湿度传感器位于碳化箱顶部，温度传感器与温度控制系统协同工作将碳化箱内的温度控制在10℃～30℃范围内的某一温度，精度为0.5℃；二氧化碳浓度传感器与二氧化碳浓度控制系统及外部二氧化碳供气系统的协同工作将碳化箱内的二氧化碳浓度即体积百分比控制在10％～30％范围内的某一浓度，精度为0.5％；湿度传感器与湿度控制系统协同工作将碳化箱顶部的相对湿度控制在50％～90％范围内的某一相对湿度，精度为2％。