CN112213362A - 一种基于电阻率法的水泥固化土碳化深度测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于电阻率法的水泥固化土碳化深度测试方法，首先成型水泥固化土试样，拆模养护后进行碳化，碳化至预定时间后，测试试样电阻率；采用酚酞指示剂法测试试样的碳化深度，取碳化深度五个位置处平均值作测试值，将测得的电阻率和碳化深度进行拟合分析，可得到水泥固化土的电阻率和碳化深度之间满足线性关系，继而通过直接测量试样的电阻率来得到对应试样的碳化深度。本发明对水泥固化土碳化深度的测量无损、误差小、可实时连续测量、操作方便，值得广泛推广。
Description
技术领域
本发明涉及一种水泥固化土碳化深度测试方法，具体涉及一种基于电阻率法的水泥固化土深度测试方法。
背景技术
水泥材料的碳化过程是指空气中的二氧化碳通过水泥土的孔隙等通道进入土体，进而与水泥水化产物反应生成碳酸钙，并伴随着孔隙溶液pH值不断增加的过程。水泥材料在长期服役过程中的碳化过程会使其土体的孔隙分布特征和微观胶结状态发生变化，从而对水泥固化土的物理力学性能和化学稳定性产生变异，因此对水泥固化土碳化深度的评测是对水泥材料长期服役性能研究的重要内容。
现有碳化深度的测试方法主要有酚酞指示剂法、热重分析法（TGA）、X射线衍射分析法（XRD）、傅里叶红外分析法（FTIR）、扫描电镜法（SEM）、伽马密度计法等。TGA、XRD、FTIR和SEM法均是基于碳化过程中矿物的变化（水泥水化产物氢氧化钙（CH）转化为碳酸钙（CaCO3）而提出的。TGA和XRD法可以测得CH和CaCO3的含量或相对含量，则根据试样中CH和CaCO3的含量随深度的变化规律即可得到碳化深度；FTIR法是根据CaCO3中C-O键的特征峰值强弱来确定碳化深度的；SEM法是通过对比CH和CaCO3的矿物形态来判断碳化深度。TGA、XRD和FTIR法均能够反映碳化程度，但XRD和FTIR法定量精度差，采用TGA、XRD和FTIR法测得的碳化深度约为酚酞指示剂法测量结果的2倍，FTIR法测得的碳化深度也远大于酚酞指示剂法的测量结果。这些方法均需要对水泥固化土进行微观测试，测试步骤繁琐。采用伽马密度计法是基于碳化过程中试样密度的变化而提出的，通过测量相对密度随深度的变化规律即可得到试样的碳化深度，但这种方法易造成辐射污染。
电阻率法作为一种水泥固化土碳化深度测试方法，基于水泥固化土的电阻率和碳化深度之间满足的线性关系，可实现对水泥固化土碳化深度的无损、精准和实时连续重复性测量，且比酚酞法测试过程简单方便。目前未见将电阻率法检测技术用于测试水泥固化土碳化深度的相关报道。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种基于电阻率法的水泥固化土碳化深度测试方法，该方法能够基于水泥固化土的碳化深度与试样电阻率之间的线性关系，方便快捷、无损的测试水泥固化土的碳化深度，大大减少酚酞指示剂法带来的工作量，是一种无损、精准的水泥固化土碳化深度测试新方法，且可实现连续重复性测量，应用前景广阔。
本发明的一种基于电阻率法的水泥固化土碳化深度测试方法，包括以下步骤：
步骤(1)，成型水泥固化土试样，拆模养护后进行碳化；
步骤(2)，试样碳化至预定时间（碳化时间取0，1，3，7，10天）后，测试试样的质量和体积以及试样的电阻率；
步骤(3)，采用酚酞指示剂法测试试样的碳化深度；
步骤(4)，将测得的电阻率和碳化深度进行拟合分析，得到水泥固化土的电阻率和碳化深度之间的关系，通过直接测量试样的电阻率来得到对应试样的碳化深度。
上述步骤(1)中，按照7.5%~30%的水泥掺入量称取水泥粉末和粘土，并根据最优含水率加水搅拌10min，混合均匀后压入高度为10cm的模具中，制作好脱模后，放入塑料自封袋中贴上标签，在相对湿度95 %、温度20 ± 2 ºC的养护试样中养护60天；
将试样送入碳化试验箱加速碳化，试样进行碳化时，各个试样之间距离不小于50mm，并对碳化试样箱的CO2浓度、相对湿度和温度进行设定，并根据实验过程对这些参数进行调节，以满足试样碳化的要求，试验开始前两天每个两小时测定一次CO2浓度、相对湿度和温度，之后每隔4h测定一次，即保证CO2浓度为20 ± 3 vol%、相对湿度为70 ± 5 %、温度为20 ± 3 ºC。
上述步骤(2)中，试样碳化至预定时间（碳化时间取0，1，3，7，10天）后，采用二相电极法测试样的电阻率，并对试样的质量和体积进行测量。为减少铜电极片与试样之间的接触电阻对试验结果的影响，测试时在电极片两端施加一个5 kPa的荷载，该荷载不会对试样产生剪切变形，可以忽略不计。测试时，为了减弱土体极化效应对试验结果的影响，电阻率仪频率选用2 kHz，并保证测试过程中电阻率仪的温度在20 ± 2 ºC。
测试过程中，做三组平行试样进行电阻率测试，计算其平均值，且保证其标准差误差范围在8 %以内，将其平均值作为该试样的电阻率测量值。
上述步骤(3)中，采用酚酞法测试样的碳化深度值时，将试样沿中心面分割成两半，并将其表面清理干净，在其分隔面上喷洒酚酞试剂。酚酞指示剂是将1 g酚酞粉末溶解在90 mL的95 vol%乙醇溶液中，并稀释至100 mL。
在试剂喷洒平面上，未碳化部分显示为酚酞指示剂的颜色为紫红色，碳化部分变为水泥固化土的颜色，在碳化部分取五个位置测试其碳化深度，且每个位置的偏差不小于2mm，测量时采用精度为0.01mm的数显游标卡尺，并将五组试样测试的平均值作为该试样的碳化深度。
本发明的发明原理：碳化作用下，水泥水化产物CH和CSH与CO2反应生成CaCO3，随着水泥固化土碳化程度的提高，水泥固化土的电阻率也会改变；通过大量的试验数据，可以得到水泥固化土电阻率和碳化深度之间满足的关系，从而通过测量试样的电阻率，就可以得到对应试样的碳化深度。
假设水泥固化土的直径为D，高度为H，如图1所示，碳化后整个试样的电阻R是碳化部分R C和未碳化部分电阻R NC的串联，碳化深度为x c，则整个试样的电阻率ρ可由碳化部分电阻率ρ C和未碳化部分电阻率ρ NC表示为：
此公式为电阻率法测试水泥固化土碳化深度的理论基础。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1) 无损测试。传统酚酞法测量时需要破坏试样，本发明得到的水泥固化土碳化深度测试方法是基于水泥固化土电阻率和碳化深度之间满足的线性关系，可以在不破坏试样的条件下，只需测试水泥固化土的电阻率值，通过拟合直线得出水泥固化土的碳化深度，从而保证了试样的完整性；
(2) 误差小。本发明得到的水泥固化土的碳化深度比酚酞法测得的误差小，酚酞法测量时易受人工量尺或者操作不当的问题造成的读数误差，本发明利用电阻率和碳化深度之间满足的线性关系，测试方法更方便快捷。
(3) 重复性检测。传统酚酞法在测试时，未碳化部分显示紫红色，未碳化区域在染色后不会完全褪去，无法进一步重复测量，且对测试过程会将试样分割成两部分对试样本身造成了损伤，本发明得到的水泥固化土碳化深度测试方法可以重复测量试样的电阻率来推算碳化深度，可以实现碳化深度的重复性连续实时测量。
(4) 操作方便。本发明可以减少由于酚酞法带来的工作量大的问题，减少人力和物力，批量测量时效率更高更准确。
附图说明
图1为电阻率法评价碳化深度的原理示意图；
图2为水泥含量为7.5%的水泥固化土电阻率与碳化深度之间的关系；
图3为水泥含量为15%的水泥固化土电阻率与碳化深度之间的关系；
附图标记列表：
1、碳化部分试样，2、未碳化部分试样，3、电源，4、碳化部分电阻，5、未碳化部分电阻。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
本实施例提供一种基于电阻率法的水泥固化土碳化深度测试方法，建立基于电阻率法的水泥固化土碳化深度测试曲线，只需测试原试样的电阻率值，经过相应的数学计算，就可以得到水泥固化土的碳化深度。
实施例1
一种基于电阻率法的水泥固化土碳化深度测试方法，包括以下步骤：
步骤1，成型水泥固化土试样，水泥掺入量取7.5%，拆模养护后进行碳化；
步骤2，试样碳化至预定时间（碳化时间取0，1，3，7，10天）后，测试试样的质量和体积以及试样的电阻率；
步骤3，采用酚酞指示剂法测试试样的碳化深度；
步骤4，将通过步骤2测得的电阻率值和步骤3测得的碳化深度值进行拟合分析，如图2所示，得到水泥固化土的电阻率和碳化深度之间满足的关系式为：
ρ=786.12+96.09x c
此公式的回归系数R 2=0.99599
根据得到的电阻率和碳化深度之间的关系，通过直接测量试样的电阻率来得到对应试样的碳化深度值。
以上回归公式相关系数和图2说明了本实施例的有效性，也表明了基于电阻率法的水泥固化土碳化深度测量的可行性。
实施例2
一种基于电阻率法的水泥固化土碳化深度测试方法，包括以下步骤：
步骤1，成型水泥固化土试样，水泥掺入量取15%，拆模养护后进行碳化；
步骤2，试样碳化至预定时间（碳化时间取0，1，3，7，10天）后，测试试样的质量和体积以及试样的电阻率；
步骤3，采用酚酞指示剂法测试试样的碳化深度；
步骤4，将通过步骤2测得的电阻率值和步骤3测得的碳化深度值进行拟合分析，如图3所示，得到水泥固化土的电阻率和碳化深度之间满足的关系式为：
ρ=1464.48+152.33x c
此公式的回归系数R 2=0.9996
根据得到的电阻率和碳化深度之间的关系，通过直接测量试样的电阻率来得到对应试样的碳化深度值。
以上回归公式相关系数和图3说明了本实施例的有效性，也表明了基于电阻率法的水泥固化土碳化深度测量的可行性。
有上述实施例可知，本发明提供的一种基于电阻率法的水泥固化土碳化深度测试方法操作简单方便，应用范围广，可适用于各种类型的水泥固化土碳化深度的测试。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。
Claims (7)
1.一种基于电阻率法的水泥固化土碳化深度测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)，成型水泥固化土试样，拆模养护后进行碳化；
步骤(2)，试样碳化至预定时间（碳化时间取0，1，3，7，10天）后，测试试样的质量和体积以及试样的电阻率；
步骤(3)，采用酚酞指示剂法测试试样的碳化深度；
步骤(4)，将测得的电阻率和碳化深度进行拟合分析，得到水泥固化土的电阻率和碳化深度之间的关系，通过直接测量试样的电阻率来得到对应试样的碳化深度。
2.根据权利要求1所述的一种基于电阻率法的水泥固化土碳化深度测试方法，其特征在于，步骤(1)中，按照7.5%~30%的水泥掺入量称取水泥粉末和粘土，
并根据最优含水率加水搅拌10min，混合均匀后压入高度为10cm的模具中，制作好脱模后，放入塑料自封袋中贴上标签，在相对湿度95 %、温度20 ± 2 ºC的养护试样中养护60天。
3.根据权利要求1所述的一种基于电阻率法的水泥固化土碳化深度测试方法，其特征在于，步骤(1)中，将试样送入碳化试验箱加速碳化，试样进行碳化时，各个试样之间距离不小于50mm，并对碳化试样箱的CO2浓度、相对湿度和温度进行设定，并根据实验过程对这些参数进行调节，以满足试样碳化的要求，试验开始前两天每个两小时测定一次CO2浓度、相对湿度和温度，之后每隔4h测定一次，即保证CO2浓度为20 ± 3 vol%、相对湿度为70 ± 5%、温度为20 ± 3 ºC。
4.根据权利要求1所述的一种基于电阻率法的水泥固化土碳化深度测试方法，其特征在于，步骤(2)中，试样碳化至预定时间（碳化时间取0，1，3，7，10天）后，采用二相电极法测试样的电阻率，并对试样的质量和体积进行测量；为减少铜电极片与试样之间的接触电阻对试验结果的影响，测试时在电极片两端施加一个5 kPa的荷载，该荷载不会对试样产生剪切变形，可以忽略不计；测试时，为了减弱土体极化效应对试验结果的影响，电阻率仪频率选用2 kHz，并保证测试过程中电阻率仪的温度在20 ± 2 ºC。
5.根据权利要求4所述的一种基于电阻率法的水泥固化土碳化深度测试方法，其特征在于，测试过程中，做三组平行试样进行电阻率测试，计算其平均值，且保证其标准差误差范围在8 %以内，将其平均值作为该试样的电阻率测量值。
6.根据权利要求1所述的一种基于电阻率法的水泥固化土碳化深度测试方法，其特征在于，步骤(3)中，采用酚酞法测试样的碳化深度值时，将试样沿中心面分割成两半，并将其表面清理干净，在其分隔面上喷洒酚酞试剂；酚酞指示剂是将1 g酚酞粉末溶解在90 mL的95 vol%乙醇溶液中，并稀释至100 mL。
7.根据权利要求6所述的一种基于电阻率法的水泥固化土碳化深度测试方法，其特征在于，在试剂喷洒平面上，未碳化部分显示为酚酞指示剂的颜色为紫红色，碳化部分变为水泥固化土的颜色，在碳化部分取五个位置测试其碳化深度，且每个位置的偏差不小于2mm，测量时采用精度为0.01mm的数显游标卡尺，并将五组试样测试的平均值作为该试样的碳化深度。
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2020
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