CN105806838B - 一种测试混凝土中氯离子浓度三维分布的方法 - Google Patents

Abstract

一种测试混凝土中氯离子浓度三维分布的方法，包括以下步骤：(1)混凝土试件准备；(2)取样点设计与标记；(3)样本逐层钻取与收集；(4)测定氯离子浓度；(5)确定混凝土试件中氯离子浓度的三维分布。该方法通过在混凝土试件的特定位置定量提取样本，获得混凝土中氯离子浓度的三维分布规律，可应用于氯盐环境下混凝土结构的耐久性分析、设计和评估等工作。

Description

一种测试混凝土中氯离子浓度三维分布的方法

一、技术领域

本发明涉及一种测试混凝土中氯离子浓度三维分布的方法，具体涉及混凝土试件中取样点的三维坐标定位、试样提取和氯离子浓度测定等方法。

二、背景技术

混凝土结构是应用范围最广的建筑结构。混凝土的氯盐腐蚀会对混凝土结构的耐久性产生巨大影响。在暴露环境下，氯离子可沿不同方向、并以不同维数进入混凝土内部。扩散维数的不同将导致混凝土结构内部的氯离子浓度分布规律产生较大差异。通常可通过对混凝土内部进行取样并进行化学分析，得到混凝土中氯离子浓度的扩散和分布规律。金伟良发表了“预估混凝土氯离子分布的新方法”一文(《浙江大学学报》(工学版)2004年，第38卷第2期，195-199页)，采用锉刀锉取混凝土试件芯样上不同深度的粉末，测试混凝土中沿深度方向的氯离子浓度一维分布。牛荻涛发表了“混凝土碳化与氯离子侵蚀共同作用研究”一文(《硅酸盐学报》2013年，第41卷第8期，1094-1099页)，沿着混凝土渗透面逐层磨粉取样，测得混凝土中氯离子的一维分布规律。为了获得混凝土中氯离子二维、三维的分布规律，郭飞发表了“粉煤灰混凝土氯离子二维、三维扩散特性的研究”一文(《国外建材科技》2007年，第28卷第4期，29-32页)，分别在试件两个相邻平面和三个正交平面的对角线上逐层钻取粉末，据此测试并分析得到混凝土材料在氯离子二维、三维扩散下的扩散系数，但是该方法不能得到氯离子的二维、三维分布规律。中国专利201010101150.3公开了一种测试水泥砂浆中氯离子二维分布的方法，解决了砂浆试件中氯离子二维扩散和浓度分布规律的实验测试方法，但仍然没有解决测试混凝土中氯离子浓度三维分布的问题。

三、发明内容

本发明的目的在于提供一种测试混凝土中氯离子浓度三维分布的方法，该方法能有效测定混凝土结构中不同空间位置的氯离子浓度，并确定混凝土中氯离子浓度的三维分布。

本发明通过以下技术方案实现上述目的：一种测试混凝土中氯离子浓度三维分布的方法，包括以下步骤：

(1)混凝土试件准备：烘干混凝土试件，去掉三个暴露面上的结晶盐，并磨平试件的两个相对面，选择其中的暴露面作为水平取样面；

(2)取样点设计与标记：首先根据水平取样间距的要求，在混凝土试件水平取样面上设计并标记钻孔点位置，然后根据竖向取样间距的要求，确定单层竖向取样深度，每一层的中点为取样点；

(3)样本逐层钻取与收集：i)钻孔操作，即将钻孔钻头安装至钻机，对齐试件取样面上的标记点并向下钻孔，钻孔深度等于单层竖向取样深度；ii)取样操作，即利用取样刷收集试件表面、钻取孔内和钻头表面残留的样本；iii)扩孔操作，即将钻孔钻头更换为扩孔钻头，向下扩孔至原钻孔深度，然后清除试件表面、钻孔内和钻头表面的粉末；iv)逐层钻取各层样本，即重新将扩孔钻头更换为钻孔钻头，重复上述钻孔、取样和扩孔操作，然后钻取更下一层样本，直至完成该标记点下面所有各层的钻取样本操作；v)逐个完成试件取样面上各标记点的钻孔取样，即移动钻机的钻头使之对准试件水平取样面上的下一个标记点，并按照上述步骤i)至iv)逐层钻取该标记点下面所有各层的样本，重复以上过程，直至完成试件水平取样面上所有标记点的钻孔取样操作；

(4)测定氯离子浓度：利用浸泡振荡法和化学滴定法，测定各标记点下各层样本中的氯离子浓度；

(5)确定混凝土试件中氯离子浓度的三维分布：根据各样本的氯离子浓度，结合取样点的空间坐标绘制混凝土试件中氯离子浓度三维分布图。

所述氯离子包括总氯离子和自由氯离子。

所述水平取样间距为10～20mm，竖向取样间距为6～10mm。

所述钻孔取样钻头的直径为4～8mm，扩孔钻头直径比钻孔取样钻头大2～4mm。

本发明要采用能实现钻头和试件之间在水平横向、水平纵向和竖向三个方向进行独立相对移动的设备进行取样。

本发明的突出优点在于：

首次提供了混凝土试件中氯离子浓度三维分布的测试方法，能够在三维空间中定点定量提取混凝土样本，有效排除各样本间的相互干扰污染，准确获取混凝土中氯离子浓度的三维分布规律，对氯盐环境下混凝土结构耐久性分析、设计和评估等工作具有重要的学术意义和工程应用价值。

四、附图说明

图1是取样点设计示意图。

图2是暴露于海洋环境下1年的混凝土试件中自由氯离子浓度实测值的三维分布图。

图3是暴露于海洋环境下1年的混凝土试件中自由氯离子浓度三维分布拟合云图。

图4是暴露于地下水氯盐环境下1年的混凝土试件中总氯离子浓度实测值的三维分布图。

图5是暴露于地下水氯盐环境下1年的混凝土试件中总氯离子浓度三维分布拟合云图。

五、具体实施方式

以下通过实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述。

实施例中的取样设备为混凝土三维定位钻孔取样机，该设备能实现钻头和试件之间在水平横向、水平纵向和竖向三个方向进行独立相对移动，从而在水平横向、水平纵向和竖向三个方向进行定位取样。

实施例1

三个水胶比为0.35的混凝土试件，尺寸为100×100×100mm，标准养护28天后用环氧树脂密封其相邻的三个面，然后暴露于海洋环境中1年，将混凝土试件从海洋环境中取出，利用本发明测试混凝土试件中氯离子浓度的三维分布。包括以下步骤：

(1)混凝土试件准备：从海洋环境中取出三个混凝土试件，并在60℃的烘箱中烘24h。用角磨机打磨试件表面，去掉三个暴露面上的结晶盐，并磨平试件的两个相对面，选择其中的暴露面作为水平取样面，与之相对的非暴露面将作为试件安装的底面；

(2)取样点设计与标记：按照取样点水平间距10mm、竖向间距10mm的要求，在混凝土试件水平取样面上每隔10mm标记一个钻孔点位置；并确定单层竖向取样深度10mm，如图1所示，各钻孔的每一层的中点为取样点；

(3)样本逐层钻取与收集：i)钻孔操作：将直径6mm的钻孔钻头安装至混凝土三维定位钻孔取样机的钻机上，将混凝土试件底面安装至混凝土三维定位钻孔取样机的底座，使钻头端部对准试件取样面上的标记点(10,10,0)，沿标记点(10,10,0)向下钻孔，直至第一层预定深度10mm后停止，然后驱动钻头竖直向上移动至初始位置；ii)取样操作：利用取样刷收集试件表面、钻取孔内和钻头表面残留的样本，该样本为第一个样本；iii)扩孔操作：将钻孔钻头更换为直径8mm扩孔钻头，再次沿试件标记点(10,10,0)向下钻孔，直至第一层预定深度10mm后停止，然后驱动钻头竖直向上移动至初始位置，然后清除试件表面、钻孔内和钻头表面的粉末；iv)逐层钻取各层样本：重新将扩孔钻头更换为直径为6mm钻孔钻头，重复上述步骤i)至iii)中的钻孔、取样和扩孔操作，取得下一层样本，直至完成该标记点下面所有各层的钻取样本操作；v)逐个完成试件取样面上各标记点的钻孔取样：驱动混凝土三维定位钻孔取样机，使钻头对准试件水平取样面上的下一个标记点(10,20,0)，并按照上述步骤i)至iv)逐层钻取该标记点下面所有各层的样本，重复以上过程，直至完成试件水平取样面上所有标记点的钻孔取样操作；

(4)测定氯离子浓度：从第一个样本中称取1.000～2.000g混凝土粉末，倒入装有100ml蒸馏水的阔口锥形瓶中，将瓶口用橡胶塞塞好后置于振荡器上持续震荡24h，然后抽滤锥形瓶中的液体得到自由氯离子滤液；在《水运工程混凝土试验规程》(JTJ 270-98)所述的佛尔哈德化学滴定法的基础上，将用于沉淀氯离子的硝酸银溶液与用于滴定的硫氰酸钾溶液之间的摩尔浓度比由1:1调整为2:1～4:1，将硝酸银溶液的用量由一次性全部加入调整为根据氯离子含量逐次添加10ml硝酸银溶液，直至加第一滴硫氰酸钾时溶液不变红为止，将由先计算硫氰酸钾溶液的摩尔浓度再根据硫氰酸钾和硝酸银溶液的用量计算出氯离子含量的计算方法改进为直接根据硫氰酸钾和硝酸银溶液的用量计算得到滤液中的自由氯离子含量，然后将自由氯离子含量除以从第一个样本中称取的混凝土粉末质量，计算得到第一个样本的自由氯离子浓度；采用相同方法测定混凝土试件其余样本的自由氯离子浓度。重复以上步骤,依次完成三个混凝土试件中全部样本的氯离子浓度测试。对于同一样本有三个样本浓度，如果其中的最大值或最小值与中间值之差均未超过中间值的15％时，将三个样本浓度做算术平均，得到该样本的氯离子浓度；如最大值或最小值中有一个与中间值之差未超过中间值的15％，则取中间值；

(5)确定混凝土试件中氯离子浓度的三维分布：根据每个样本的自由氯离子浓度，结合取样点的空间坐标绘制混凝土试件中自由氯离子浓度实测值的三维分布图，如图2所示；为了更清晰表现自由氯离子在混凝土中的三维分布规律，基于菲克第二定律和各样本的自由氯离子浓度试验数据，通过回归分析得到混凝土试件的氯离子扩散系数和表面氯离子浓度，进而计算得到混凝土试件中的自由氯离子浓度三维分布拟合云图，如图3所示。

实施例2

三个水胶比为0.35的混凝土试件，其原材料、制备过程与实施例1相同，尺寸为100×100×100mm，标准养护28天后用环氧树脂密封其相邻的三个面，然后浸泡于地下水氯盐环境中1年，将混凝土试件从地下水氯盐环境中取出，利用本发明测试混凝土试件中氯离子浓度的三维分布。包括以下步骤：

(1)混凝土试件准备：从地下水氯盐环境中取出三个混凝土试件，并在60℃的烘箱中烘24h。用角磨机打磨试件表面，去掉三个暴露面上的结晶盐，并磨平试件的两个相对面，选择其中的暴露面作为水平取样面，与之相对的非暴露面将作为试件安装的底面；

(2)取样点设计与标记：按照取样点水平间距10mm、竖向间距10mm的要求，在混凝土试件水平取样面上每隔10mm标记一个钻孔点位置；并确定单层竖向取样深度10mm，如图1所示，各钻孔的每一层的中点为取样点；

(3)样本逐层钻取与收集：i)钻孔操作：将直径6mm的钻孔钻头安装至混凝土三维定位钻孔取样机的钻机上，将混凝土试件底面安装至混凝土三维定位钻孔取样机的底座，使钻头端部对准试件取样面上的标记点(10,10,0)，沿标记点(10,10,0)向下钻孔，直至第一层预定深度10mm后停止，然后驱动钻头竖直向上移动至初始位置；ii)取样操作：利用取样刷收集试件表面、钻取孔内和钻头表面残留的样本，该样本为第一个样本；iii)扩孔操作：将钻孔钻头更换为直径8mm扩孔钻头，再次沿试件标记点(10,10,0)向下钻孔，直至第一层预定深度10mm后停止，然后驱动钻头竖直向上移动至初始位置，然后清除试件表面、钻孔内和钻头表面的粉末；iv)逐层钻取各层样本：重新将扩孔钻头更换为直径为6mm钻孔钻头，重复上述步骤i)至iii)中的钻孔、取样和扩孔操作，取得下一层样本，直至完成该标记点下面所有各层的钻取样本操作，v)逐个完成试件取样面上各标记点的钻孔取样：驱动混凝土三维定位钻孔取样机，使钻头对准试件水平取样面上的下一个标记点(10,20,0)，并按照上述步骤i)至iv)逐层钻取该标记点下面所有各层的样本，重复以上过程，直至完成试件水平取样面上所有标记点的钻孔取样操作；

(4)测定氯离子浓度：从第一个样本中称取1.000～2.000g混凝土粉末，倒入装有100ml浓度为15v/v％硝酸溶液的阔口锥形瓶中，将瓶口用橡胶塞塞好后置于振荡器上持续震荡24h，然后抽滤锥形瓶中的液体得到总氯离子滤液；在《水运工程混凝土试验规程》(JTJ270-98)所述的佛尔哈德化学滴定法的基础上，将用于沉淀氯离子的硝酸银溶液与用于滴定的硫氰酸钾溶液之间的摩尔浓度比由1:1调整为2:1～4:1，将硝酸银溶液的用量由一次性全部加入调整为根据氯离子含量逐次添加10ml硝酸银溶液，直至加第一滴硫氰酸钾时溶液不变红为止，将由先计算硫氰酸钾溶液的摩尔浓度再根据硫氰酸钾和硝酸银溶液的用量计算出氯离子含量的计算方法改进为直接根据硫氰酸钾和硝酸银溶液的用量计算得到滤液中的总氯离子含量，然后将总氯离子含量除以从第一个样本中称取的混凝土粉末质量，计算得到第一个样本的总氯离子浓度；采用相同方法测定测定混凝土试件其余样本中的总氯离子浓度。重复以上步骤,依次完成三个混凝土试件中全部样本的总氯离子浓度测试。对于同一样本有三个样本浓度，如果其中的最大值或最小值与中间值之差均未超过中间值的15％时，将三个样本浓度做算术平均，得到该样本的总氯离子浓度，如最大值或最小值中有一个与中间值之差未超过中间值的15％，则取中间值；

(5)确定混凝土试件中氯离子浓度的三维分布：根据每个样本的总氯离子浓度，结合取样点的空间坐标绘制混凝土试件中总氯离子浓度实测值的三维分布图，如图4所示；为了更清晰表现总氯离子在混凝土中的三维分布规律，基于菲克第二定律和各样本的总氯离子浓度试验数据，通过回归分析得到混凝土试件的氯离子扩散系数和表面氯离子浓度，进而计算得到混凝土试件中的总氯离子浓度三维分布拟合云图，如图5所示。

Claims (4)

1.一种测试混凝土中氯离子浓度三维分布的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)混凝土试件准备：烘干混凝土试件，去掉三个暴露面上的结晶盐，并磨平试件的两个相对面，选择其中的暴露面作为水平取样面；

(2)取样点设计与标记：首先根据水平取样间距的要求，在混凝土试件水平取样面上设计并标记钻孔点位置，然后根据竖向取样间距的要求，确定单层竖向取样深度，每一层的中点为取样点；

(3)样本逐层钻取与收集：i)钻孔操作，即将钻孔钻头安装至钻机，对齐试件取样面上的标记点并向下钻孔，钻孔深度等于单层竖向取样深度；ii)取样操作，即利用取样刷收集试件表面、钻取孔内和钻头表面残留的样本；iii)扩孔操作，即将钻孔钻头更换为扩孔钻头，向下扩孔至原钻孔深度，然后清除试件表面、钻孔内和钻头表面的粉末；iv)逐层钻取各层样本，即重新将扩孔钻头更换为钻孔钻头，重复上述钻孔、取样和扩孔操作，然后钻取更下一层样本，直至完成该标记点下面所有各层的钻取样本操作；v)逐个完成试件取样面上各标记点的钻孔取样，即移动钻机的钻头使之对准试件水平取样面上的下一个标记点，并按照上述步骤i)至iv)逐层钻取该标记点下面所有各层的样本， 重复以上过程，直至完成试件水平取样面上所有标记点的钻孔取样操作；

(4)测定氯离子浓度：利用浸泡振荡法和化学滴定法，测定各标记点下各层样本中的氯离子浓度；

(5)确定混凝土试件中氯离子浓度的三维分布：根据各样本的氯离子浓度，结合取样点的空间坐标绘制混凝土试件中氯离子浓度三维分布图。

2.根据权利要求1所述测试混凝土中氯离子浓度三维分布的方法，其特征在于，所述氯离子包括总氯离子和自由氯离子。

3.根据权利要求1所述测试混凝土中氯离子浓度三维分布的方法，其特征在于，所述水平取样间距为10～20mm，竖向取样间距为6～10mm。

4.根据权利要求1所述测试混凝土中氯离子浓度三维分布的方法，其特征在于，所述钻孔取样钻头的直径为4～8mm，扩孔钻头直径比钻孔取样钻头大2～4mm。