CN106226225A - 一种评价混凝土受酸雨侵蚀程度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种评价混凝土受酸雨侵蚀程度的方法，通过开展实验室模拟酸雨侵蚀加速试验，获取受酸雨侵蚀后混凝土的质量、酸性化深度、抗折强度以及抗压强度的变化规律，再通过数学拟合分析分别建立酸性化深度、抗折强度变、抗压强度与质量变化率之间的关系方程：X(t)＝f(M(t))，Rf(t)＝f(M(t))，Rc(t)＝f(M(t))，即可以通过代入实际酸雨侵蚀环境下现场暴露混凝土试件的质量数据或者实验室其它模拟酸雨侵蚀条件下混凝土试件质量数据，计算出该混凝土的酸性化深度、抗折强度以及抗压强度，从而达到对该混凝土的受侵蚀程度进行评估。

Description

一种评价混凝土受酸雨侵蚀程度的方法
技术领域
本发明属于土木工程材料技术领域，具体涉及一种评价混凝土受酸雨侵蚀程度的方法。
背景技术
近年来我国经济发展所带来的环境问题尤为严重，其中，以酸雨为主的大气污染，会对混凝土建筑物的长期稳定性带来危害，因此在大范围开展基础设施建设的同时，必须考虑酸雨可能带来的长期危害。酸雨主要是由于煤和石油等的化石燃料燃烧过程中释放出的大量CO2、SO2、NOx和H2S等酸性大气污染物，与大气中所含的水分结合并转化酸类物质，并以降雨为主的形式沉降到地表。我国的酸雨以燃煤型为主，因此酸雨对混凝土结构的腐蚀作用主要是其中的H+对混凝土保护层的溶蚀及SO4 2-对混凝土造成的膨胀性破坏。二者均会破坏混凝土表面的保护层，最后造成钢筋锈蚀而膨胀破坏。酸雨中尤其是pH值较低及SO4 2-浓度高的酸雨，其对混凝土的危害更会大，并且对建筑物的侵蚀程度及腐蚀机理难以分析，酸雨环境下混凝土耐久性问题亟待研究。
中国专利《一种混凝土抗酸耐久性的评价方法》提出了以酸性化深度作为混凝土耐酸侵蚀评价指标，是以侵蚀层达到混凝土钢筋表面的时间作为混凝土的失效准则。酸性化深度指标适合于评价混凝土的受酸侵蚀程度，但是该指标测量时，需要测试6个龄期共180个测点的未腐蚀部分的宽度值，在实际开展模拟试验时，尤其是试验组别较大时，该指标的测试工作量大，且酸性化深度的测试是采用游标卡尺手动进行测量，游标卡尺测量不规则形状的尺寸时受人为影响大，尤其是测点较多时，结果误差更大。此外，还有学者指出，可以用抗折强度和抗压强度变化来评价受侵蚀混凝土的性能劣化程度，并提出以75％为界限的失效准则，但是实际应用中强度测试属于非连续测试，且酸雨侵蚀环境下现场暴露试验的开展同样会耗费巨大的人力物力，故而不能连续且及时反应出混凝土受侵蚀程度。
混凝土受酸雨侵蚀后，尺寸的变化实质上是混凝土表层部分被H+溶蚀造成的，同样，溶蚀的结果也反映在混凝土质量的变化上，因此混凝土的酸性化深度变化和质量变化这两项性能指标之间必然存在一定的联系。混凝土受侵蚀后强度的变化主要是由于H+溶蚀混凝土表层部分后造成混凝土尺寸上的变化，所以同样作为劣化程度评价指标，抗折强度和抗压强度与质量变化之间必然分别存在一定的联系。由此可见，可以通过开展模拟试验，测量受酸雨侵蚀后混凝土的质量变化、酸性化深度、抗折强度变化、以及抗压强度变化，获取质量变化与后三个性能参数之间的关系，就可依据实际酸雨侵蚀环境下混凝土受侵蚀后的质量变化来计算混凝土其它三项性能指标，从而达到对混凝土受酸雨侵蚀状况的简单而有效的评价。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种评价混凝土受酸雨侵蚀程度的方法，单独采用质量变化数据计算获得混凝土的酸性化深度值、抗折强度和抗压强度，可实现对混凝土受酸雨侵蚀过程的连续动态监控，实时获取混凝土受酸雨侵蚀程度信息，解决酸性化深度、抗折强度和抗压强度在测量上非连续性的缺陷，属于一种无损检测方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：
提供一种评价混凝土受酸雨侵蚀程度的方法，步骤如下：
1)根据GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》制备8组用于进行质量、酸性化深度、抗折强度以及抗压强度测试的棱柱体混凝土试件，每组3个试件，并将成型后的试件置于室内，在20±2℃，相对湿度＞95％的条件下养护56d；
2)试件养护结束后，先强制风干2d，然后将8组试件分为质量测试组、强度测试组、酸性化深度测试组三类，各类试件组数分别为1、1和6，并对各组试件分别进行标记加以区分，测定质量测试组试件的初始质量，测定强度测试组试件的初始抗折强度和初始抗压强度；
3)在室内条件下，控制室内温度为20±2℃，将质量测试组、酸性化深度测试组以及强度测试组的试件同时浸入模拟酸雨溶液中开展168d的模拟酸雨侵蚀试验，模拟酸雨溶液为分析纯浓硝酸和分析纯浓硫酸混合得到的pH值为2.50±0.03的溶液，其中硝酸根离子和硫酸根离子的摩尔比为1:5，控制模拟酸雨溶液体积与试件外表面面积比恒定为80L/m2，具体试验过程如下：
a.以模拟酸雨溶液中浸泡6d，取出后强制风干1d为一个酸雨侵蚀周期，每隔24h采用硝酸调整模拟酸雨溶液的pH值至2.5±0.03；
b.每经历4个酸雨侵蚀周期后，测定一次质量测试组试件的质量mi(t)，测定一次酸性化深度测试组试件的酸性化深度X(t)，测定一组强度测试组试件的抗折强度Rf(t)和抗压强度Rc(t)；
c.最后一个酸雨侵蚀周期结束后，质量测试组试件测定质量后再用于测量最后一个侵蚀周期的抗折强度和抗压强度；
4)根据各侵蚀周期质量测试组试件的质量数据mi(t)计算各侵蚀周期的质量变化率M(t)；根据各侵蚀周期的混凝土的质量变化率M(t)、酸性化深度X(t)、抗折强度Rf(t)、抗压强度数据Rc(t)，拟合出后三项数据与质量变化率之间的关系方程X(t)＝f(M(t))，Rf(t)＝f(M(t))，Rc(t)＝f(M(t))；
5)通过监测实际酸雨侵蚀环境下现场暴露混凝土试件的质量数据或者实验室其它模拟酸雨侵蚀条件下混凝土试件的质量数据，计算质量变化率，代入步骤4)所得三个方程X(t)＝f(M(t))，Rf(t)＝f(M(t))，Rc(t)＝f(M(t))中计算该混凝土试件的酸性化深度、抗折强度以及抗压强度，评估混凝土的受侵蚀程度。
步骤1)试件成型后需养护56d以保证试件的抗折和抗压强度趋于稳定。
优选的是，步骤1)所述棱柱体混凝土试件尺寸为100mm×100mm×400mm。
按上述方案，步骤2)所述强制风干条件为：在室内进行，控制室内温度为20±2℃，利用大功率风机采用强制对流方式对混凝土试件进行快速干燥。采用大功率风机对混凝土进行强制风干，以满足快速干燥的要求而不会对混凝土内部结构造成破坏。
按上述方案，步骤4)所述各侵蚀周期的质量变化率M(t)计算公式为：
M(t)＝100×((m1(0)-m1(t))/m1(0)+(m2(0)-m2(t))/m2(0)+(m3(0)-m3(t))/m3(0))/3；
式中：t—混凝土受酸雨侵蚀龄期，分别为28d，56d，84d，112d，140d，168d，相当于经历4、8、12、16、20、24个酸雨侵蚀周期；
M(t)—侵蚀龄期t时混凝土的质量变化率，无量纲；
m1(t)，m2(0)，m3(0)—质量测试组三个试件的初始质量，单位为Kg；
m1(t)，m2(0)，m3(0)—侵蚀龄期t时质量测试组三个试件的质量，单位为Kg。
按上述方案，步骤4)所述拟合方式为线性拟合、多项式拟合或幂指数拟合。
按上述方案，步骤5)所述实际酸雨侵蚀环境下现场暴露混凝土试件或者实验室其它模拟酸雨侵蚀条件下混凝土试件的配合比与步骤1)所述混凝土试件的配合比相同。
为防止试件表面的标记被酸雨溶液溶蚀，质量测试试件的标记位置在端面，酸性化深度试件的标记在远离切割位置的断面，标记后用环氧树脂覆盖密封。
抗压强度和抗折强度用同一组棱柱体试件进行测量，具体做法为先测量一组棱柱体试件的抗折强度，再舍弃折断后长度方向尺寸＜150mm的试件，余下试件采用在对立的两个侧面同一位置上垫尺寸为100mm×100mm的钢板测量其抗压强度，钢板的厚度不小于4mm，且测试位置应处于试件的中间部位。
每经历4个酸雨侵蚀周期后，抗折、抗压强度测试会消耗试件，酸性化深度也会减少酸性化深度测试组试件的总外表面积，因此需要对总的溶液体积进行修正，控制模拟酸雨溶液总体积与试件总外表面面积比恒定为80L/mm3，等同于实际侵蚀环境下80mm的降雨量，试件的总外表面面积为所有测试试件的外表面面积，且不包括被环氧数值覆盖的表面。
每经历4个酸雨侵蚀周期后，分别切下酸性化深度测试组三个试件50mm的端头部分，采用酚酞显色法测试各切面的酸性化深度值，测试完成后用环氧树脂密封余下试件的切面，并继续进行酸雨侵蚀试验。
在拟合时若第一个侵蚀龄期测定的混凝土抗折强度或者抗压强度较初始值仍有较大增长，则舍弃初始抗压强度或者初始抗折强度，对后面6个侵蚀龄期的强度数据进行拟合。
本发明的有益效果在于：本发明提出了一种评价混凝土受酸雨侵蚀程度的方法，通过开展实验室模拟酸雨侵蚀加速试验，获取受酸雨侵蚀后混凝土的质量、酸性化深度、抗折强度以及抗折强度的变化规律，再通过数学拟合分析分别建立酸性化深度、抗折强度变、抗压强度与与混凝土质量变化率之间的关系方程：X(t)＝f(M(t))，Rf(t)＝f(M(t))，Rc(t)＝f(M(t))，即可以通过代入实际酸雨侵蚀环境下现场暴露混凝土试件的质量数据或者实验室其它模拟酸雨侵蚀条件下混凝土试件质量数据，计算出该混凝土的酸性化深度、抗折强度以及抗压强度，从而达到对该混凝土的受侵蚀程度进行评估。只依据模拟酸雨侵蚀试验中获得的各侵蚀龄期混凝土的酸性化深度、抗折强度和抗压强度与混凝土质量变化之间的关系，即可实现依据质量变化对实际酸雨侵蚀条件下混凝土的受侵蚀状况进行评估，可以解决实际测量时酸性化深度值的测量误差大以及耗费人力的问题。此外，由于混凝土试件的质量变化测量属于无损检测，单独采用质量变化数据计算获得混凝土的酸性化深度值、抗折强度和抗压强度，可实现对混凝土受酸雨侵蚀过程的连续动态监控，实时获取混凝土受酸雨侵蚀程度信息，解决酸性化深度、抗折强度和抗压强度在测量上非连续性的缺陷。
附图说明
图1为本发明实施例1所得质量变化率和酸性化深度的拟合关系曲线；
图2为实施例1所得质量变化率和抗折强度的拟合关系曲线；
图3为实施例1所得质量变化率和抗压强度的拟合关系曲线。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
实施例1
甄选C40粉煤灰混凝土配合比，胶材用量440Kg/m3，粉煤取代掺量20％，水胶比0.37，砂率40％，具体的配合比如表2所示；成型8组100mm×100mm×400mm的棱柱体混凝土试件，每组3个，养护56d并强制风干2d后，测定试件的初始质量，抗折强度和抗压强度后，开展168d的模拟酸雨侵蚀试验，模拟酸雨溶液的pH值为2.50±0.03，硝酸根离子和硫酸根离子的摩尔比为1:5，溶液体积与试件外表面面积比恒定为80L/m2，附表1为各酸雨侵蚀龄期的溶液总体积。
表1各侵蚀周期模拟酸雨溶液的总体积
酸雨侵蚀周期 1-4 5-8 9-12 13-16 17-20 21-24
模拟酸雨溶液体积/L 269 226 184 139 96 53
以模拟酸雨溶液中浸泡6d、取出后强制风干1d为一个酸雨侵蚀周期，每隔24h采用硝酸调整模拟酸雨溶液的pH值至2.5±0.03；每经历4个酸雨侵蚀周期后，测定一次试件的质量、酸性化深度X(t)，抗折强度Rf(t)以及抗压强度Rc(t)；通过开展模拟酸雨侵蚀试验获取的混凝土受侵蚀前后共7个龄期的质量变化率、酸性化深度、抗折强度和抗压强度，如表3所示，各侵蚀周期的质量变化率M(t)计算公式为：
M(t)＝100×((m1(0)-m1(t))/m1(0)+(m2(0)-m2(t))/m2(0)+(m3(0)-m3(t))/m3(0))/3；
式中：t—混凝土受酸雨侵蚀龄期，分别为28d，56d，84d，112d，140d，168d，相当于经历4、8、12、16、20、24个酸雨侵蚀周期。
采用线性拟合分析分别建立酸性化深度、抗折强度变、抗压强度与与混凝土质量变化率之间的关系方程：
X(t)＝-0.020*M(t)+0.112，
Rf(t)＝0.18*M(t)+6.01，
Rc(t)＝2.93*M(t)+53.81，
质量变化率和酸性化深度、抗折强度、抗压强度的拟合关系曲线见图1-3。
通过代入该配合比混凝土在某个酸雨侵蚀条件下一段时间内测得的6组质量数据，即可计算出该侵蚀阶段混凝土的酸性化深度、抗折强度以及抗压强度数据，具体的数据如表4所示。
表2混凝土配合比
表3混凝土受侵蚀前后的各项性能数据
表4依据质量变化计算其它三项性能参数数值
从测得的6组质量数据所对应的酸性化深度、抗折强度以及抗压强度数据可知，各组数据对应的混凝土受侵蚀程度依次呈加剧趋势，侵蚀最严重的一组数据为抗折强度降低2％，抗压强度降低20％，酸性化深度为0.278cm，即通过本发明所述方法可以实现依据混凝土的质量变化率数据，计算混凝土的酸性化深度值、抗折强度以及抗压强度，实现对混凝土的受侵蚀状况的监控。

Claims (6)

1.一种评价混凝土受酸雨侵蚀程度的方法，其特征在于，步骤如下：
1)根据GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》制备8组用于进行质量、酸性化深度、抗折强度以及抗压强度测试的棱柱体混凝土试件，每组3个试件，并将成型后的试件置于室内，在20±2℃，相对湿度＞95％的条件下养护56d；
2)试件养护结束后，先强制风干2d，然后将8组试件分为质量测试组、强度测试组、酸性化深度测试组三类，各类试件组数分别为1、1和6，并对各组试件分别进行标记加以区分，测定质量测试组试件的初始质量，测定强度测试组试件的初始抗折强度和初始抗压强度；
3)在室内条件下，控制室内温度为20±2℃，将质量测试组、酸性化深度测试组以及强度测试组的试件同时浸入模拟酸雨溶液中开展168d的模拟酸雨侵蚀试验，模拟酸雨溶液为分析纯浓硝酸和分析纯浓硫酸混合得到的pH值为2.50±0.03的溶液，其中硝酸根离子和硫酸根离子的摩尔比为1:5，控制模拟酸雨溶液体积与试件外表面面积比恒定为80L/m3，具体试验过程如下：
a.以模拟酸雨溶液中浸泡6d，取出后强制风干1d为一个酸雨侵蚀周期，每隔24h采用硝酸调整模拟酸雨溶液的pH值至2.5±0.03；
b.每经历4个酸雨侵蚀周期后，测定一次质量测试组试件的质量mi(t)，测定一次酸性化深度测试组试件的酸性化深度X(t)，测定一组强度测试组试件的抗折强度Rf(t)和抗压强度Rc(t)；
c.最后一个酸雨侵蚀周期结束后，质量测试组试件测定质量后再用于测量最后一个侵蚀周期的抗折强度和抗压强度；
4)根据各侵蚀周期质量测试组试件的质量数据mi(t)计算各侵蚀周期的质量变化率M(t)；根据各侵蚀周期的混凝土的质量变化率M(t)、酸性化深度X(t)、抗折强度Rf(t)、抗压强度数据Rc(t)，拟合出后三项数据与质量变化率之间的关系方程X(t)＝f(M(t))，Rf(t)＝f(M(t))，Rc(t)＝f(M(t))；
5)通过监测实际酸雨侵蚀环境下现场暴露混凝土试件的质量数据或者实验室其它模拟酸雨侵蚀条件下混凝土试件的质量数据，计算质量变化率，代入步骤4)所得三个方程X(t)＝f(M(t))，Rf(t)＝f(M(t))，Rc(t)＝f(M(t))中计算该混凝土试件的酸性化深度、抗折强度以及抗压强度，评估混凝土的受侵蚀程度。
2.根据权利要求1所述的评价混凝土受酸雨侵蚀程度的方法，其特征在于：步骤1)所述棱柱体混凝土试件尺寸为100mm×100mm×400mm。
3.根据权利要求1所述的评价混凝土受酸雨侵蚀程度的方法，其特征在于，步骤2)所述强制风干条件为：在室内进行，控制室内温度为20±2℃，利用大功率风机采用强制对流方式对混凝土试件进行快速干燥。
4.根据权利要求1所述的评价混凝土受酸雨侵蚀程度的方法，其特征在于：步骤4)所述各侵蚀周期的质量变化率M(t)计算公式为：
M(t)＝100×((m1(0)-m1(t))/m1(0)+(m2(0)-m2(t))/m2(0)+(m3(0)-m3(t))/m3(0))/3
式中：t—混凝土受酸雨侵蚀龄期，分别为28d，56d，84d，112d，140d，168d，相当于经历4、8、12、16、20、24个酸雨侵蚀周期；
M(t)—侵蚀龄期t时混凝土的质量变化率，无量纲；
m1(t)，m2(0)，m3(0)—质量测试组三个试件的初始质量，单位为Kg；
m1(t)，m2(0)，m3(0)—侵蚀龄期t时质量测试组三个试件的质量，单位为Kg。
5.根据权利要求1所述的评价混凝土受酸雨侵蚀程度的方法，其特征在于：步骤4)所述拟合方式为线性拟合、多项式拟合或幂指数拟合。
6.根据权利要求1所述的评价混凝土受酸雨侵蚀程度的方法，其特征在于：步骤5)所述实际酸雨侵蚀环境下现场暴露混凝土试件或者实验室其它模拟酸雨侵蚀条件下混凝土试件的配合比与步骤1)所述混凝土试件的配合比相同。
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