CN112326643B - 混凝土碳化速度与孔隙水饱和度关系的实验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种混凝土碳化速度与孔隙水饱和度关系的实验方法，包括制作混凝土试件并进行养护和预处理；设定碳化时间，对混凝土试件进行人工加速碳化；将混凝土试件浸泡于荧光素钠溶液中，对混凝土试件内孔隙水不饱和部分区域进行染色；沿直径方向将染色后的混凝土试件对半切分；其中一半混凝土试件用酚酞进行染色测量碳化深度，另一半放在紫外线灯照射下测量饱和孔隙水深度，根据碳化深度和碳化时间计算碳化速度；更换混凝土试件，改变碳化时间，重复试验获得多组孔隙水深度数据以及与孔隙水深度的数据对应的混凝土碳化速度数据，得出混凝土碳化速度与孔隙水饱和度的关系曲线。本发明弥补了孔隙水饱和度对混凝土碳化速度影响的空白。

Description

混凝土碳化速度与孔隙水饱和度关系的实验方法
技术领域
本发明涉及混凝土材料、混凝土构件分析技术领域，尤其涉及一种混凝土碳化速度与孔隙水饱和度关系的实验方法。
背景技术
自19世纪末、20世纪初期钢筋混凝土结构建筑在国内出现至今，钢筋混凝土在工程建筑中的运用越来越普遍，无论是桥梁、房屋或者是隧道都大量采用钢筋混凝土材料。但是钢筋混凝土材料受到二氧化碳、氯离子等物质的侵蚀，造成其耐久性降低，直接威胁了建筑结构的安全稳定。
未碳化的混凝土内部呈高碱性，pH值一般在12.5左右，在此环境中钢筋表面会形成钝化膜进而保护钢筋避免产生严重的锈蚀。混凝土中钢筋保持钝化状态的最低碱度是pH值为11.5，而碳化后的混凝土pH值为8.5～9.5。混凝土的碳化会破坏其保护层的高碱度环境，使得孔隙液中氢离子数目增多，破坏钢筋表面特有的钝化膜。当碳化深度远大于混凝土保层厚度时，钢筋与孔隙中的水和O2等物质接触便导致钢筋被锈蚀。被腐蚀的钢筋由于腐蚀产物生成，其体积会膨胀3-8倍，形成较大的膨胀应力，进而导致混凝土开裂。混凝土开裂后，水、CO2、O2等物质能够更快速进入混凝土内部，加快碳化速度，降低混凝土的pH值，进一步加速钢筋锈蚀与混凝土的碳化，形成恶性循环。故混凝土的碳化会造成内部包裹的钢筋脱钝，加速钢筋的锈蚀，严重影响整个建筑体的结构安全和稳定性。
影响混凝土碳化的因素总的可分为内部因素与外部因素。外部影响因素包括二氧化碳的浓度、环境的温度和相对湿度等；内部影响因素主要有水泥种类、掺合料、水灰比和孔隙水饱和度等。目前对混凝土碳化速度的影响因素的试验比如专利号为CN104568723B公开的一种含侵蚀性二氧化碳地下水环境条件下混凝土加速碳化试验方法及装置，其研究的是高浓度二氧化碳地下水对混凝土碳化速度的影响；还比如专利号为CN103616382B公开的一种检测在役电杆混凝土碳化和氯离子渗透深度的仪器和方法，其研究的是氯离子渗透深度对混凝土碳化的影响，但对于混凝土孔隙水饱和度对混凝土碳化影响的研究很少。
徐兵、徐港、杨亚会等人在《孔隙水饱和度对混凝土碳化特性的影响》的文献中公开了孔隙水饱和度对混凝土碳化特性的影响的方法，该研究方法是预制不同的孔隙水饱和度的混凝土试块，再对这些试块进行碳化，进而分析混凝土孔隙水饱和度对混凝土碳化影响，但预制规定孔隙水饱和度试块时，孔隙水饱和度受到烘箱内湿度的影响较大，预制出来的试块的孔隙水饱和度与设计值偏差较大，因此后续试验的准确度也相对较低。
发明内容
本发明的目的在于弥补国内外未有混凝土孔隙水饱度和混凝土碳化速度关系的研究，提出了一种混凝土碳化速度与孔隙水饱和度关系的实验方法。
为了达到目的，本发明提供的技术方案为：
本发明涉及一种混凝土碳化速度与孔隙水饱和度关系的实验方法，其包括以下步骤：
S1.制作若干混凝土试件并对混凝土试件进行养护和预处理；
S2.设定碳化时间tn，将混凝土试件放入加速碳化箱内进行人工加速碳化；
S3.将碳化后的混凝土试件完全浸泡于荧光素钠溶液中，荧光素钠随着水的渗透将碳化后的混凝土试件内孔隙水不饱和部分区域进行染色；
S4.沿直径方向将染色后的混凝土试件对半切分成两份；
S5.其中一半混凝土试件用酚酞进行染色测量碳化深度，另一半放在紫外线灯照射下测量饱和孔隙水深度，根据碳化深度和碳化时间计算碳化速度；
S6.更换混凝土试件，改变碳化时间tn，重复S2～S5，获得多组孔隙水深度数据以及与孔隙水深度的数据一一对应的混凝土碳化速度数据；
S7.根据S6获取的多组数据获得孔隙水深度与混凝土碳化速度的关系曲线，并推导出孔隙水饱和度与混凝土碳化速度的关系。
优选地，所述S2中人工加速碳化的环境为：碳化温度为25℃，碳化箱湿度为70％，CO2浓度为4％。
优选地，所述碳化时间tn依次设定为7d、28d、70d和140d。
优选地，所述S3中混凝土试件的浸泡时间为7d。
优选地，所述S5中，碳化深度测量和饱和孔隙水深度测量均每隔1cm测量一次，且当测量点位于凹凸不平处或大颗粒骨料位置时，选择其边缘测量或跳过该测量点。
优选地，所述S1中混凝土试件的制作和养护的具体步骤包括：
S1.1.对混凝土搅拌机进行清理，将内壁与滚轴上附着的残渣进行敲除，并冲水清洗，将锅内残渣冲出并沥干，直至无明显水滴或积液；
S1.2.按照粗骨料、水泥、砂的投放顺序将混凝土材料放入搅拌机内进行干拌，至各混凝土材料混合均匀；
S1.3.混凝土材料搅拌均匀后，加入拌合用水进行湿拌，至塌落度满足要求；
S1.4.混凝土装模振捣，振捣后在模具表面对试件进行抹平；
S1.5.将试件放在养护室静置12h，拆模取出混凝土试件；
S1.5.将拆模后的混凝土试件放入相对湿度为90％，温度为20℃，1个标准大气压的养护室内继续养护28d。
优选地，所述S5中碳化速度的计算公式为：
Figure BDA0002739632980000031
式中，D为碳化深度，t为碳化时间，Ki为不同预处理方式形成的混凝土的碳化速度，n为试验重复次数。
优选地，其还包括以下步骤：
S8.制作若干混凝土标准件并对混凝土标准件进行养护，在人工加速碳化前两天，将混凝土标准件从养护室中拿出，放入干燥箱内烘干两天，完成混凝土标准件的预处理，然后按照S2～S7的步骤计算出混凝土标准件的碳化速度Kco，混凝土标准件的碳化速度Kco的计算公式为：
Figure BDA0002739632980000032
式中，D’为混凝土标准件的碳化深度，t’为混凝土标准件的碳化时间，n为试验重复次数；
S9.计算不同预处理方式形成的混凝土的饱和孔隙水对混凝土碳化速度的影响系数ri，计算公式为：
ri＝Ki/Kco (3)；
S10.根据不同预处理方式形成的混凝土的饱和孔隙水对混凝土碳化速度的影响系数ri及碳化速度Ki，优化各预处理方式下混凝土实际碳化深度计算公式：
Figure BDA0002739632980000033
式中，t为混凝土的实际碳化时间，D为混凝土的实际碳化深度；
S11.在今后的混凝土使用过程中，根据混凝土的预处理方式、混凝土的碳化时间、对应预处理方式的优化后的碳化速度计算公式，计算对应预处理方式的混凝土的实际碳化深度。
优选地，所述S8中烘干箱内的温度为60℃。
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
1.本发明首次提供了混凝土碳化速度与孔隙水饱和度关系的实验方法，进而分析出混凝土孔隙水饱和度对混凝土碳化速度的影响关系；又因为不同的混凝土预处理方式是影响混凝土孔隙水饱和度的主要因素，因此可以对不同预处理方式下混凝土碳化深度的计算公式进行优化，有助于对混凝土建筑的稳定性的分析。
2.本发明相比与传统研究方法相比，本发明不需要预制特定孔隙水饱和度的试块来进行试验，而是在混凝土试件加速碳化后分别测量孔隙水饱和度和碳化深度，降低试件预制的难度，试验过程中获得的孔隙水饱和度为试件的实际孔隙水饱和度，减小孔隙水饱和度数据的偏差，试验数据更加准确，更有利于后续得到准确的饱和孔隙水对混凝土碳化速度的影响系数ri。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，对本发明的实施例作详细说明，以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例一
本实施例涉及一种混凝土碳化速度与孔隙水饱和度关系的实验方法，包括以下步骤：
S1.制作若干混凝土试件并对混凝土试件进行养护和预处理，其中，混凝土试件的制作及养护的具体步骤如下：
S1.1.对混凝土搅拌机进行清理，将内壁与滚轴上附着的残渣进行敲除，并冲水清洗，将锅内残渣冲出并沥干，直至无明显水滴或积液；
S1.2.按照粗骨料、水泥、砂的投放顺序将混凝土材料放入搅拌机内进行干拌，至各混凝土材料混合均匀；
S1.3.混凝土材料搅拌均匀后，加入拌合用水进行湿拌，至塌落度满足要求；
S1.4.混凝土装模振捣，振捣后在模具表面对试件进行抹平；
S1.5.将试件放在养护室静置12h，拆模取出混凝土试件；
S1.5.将拆模后的混凝土试件放入相对湿度为90％，温度为20℃，1个标准大气压的养护室内继续养护28d；
本实施例中，混凝土试件的预处理方式采用欧洲标准按照CEN标准，即在碳化前在干燥室温环境下，静置14天，不同的预处理方式会影响混凝土试件的孔隙水饱和度。
S2.设定碳化时间tn，n为试验次数，此次试验中碳化时间为7d，将混凝土试件放入加速碳化箱内进行人工加速碳化，碳化温度为25℃，碳化箱湿度为70％，CO2浓度为4％。
S3.将碳化后的混凝土试件完全浸泡于荧光素钠溶液中，荧光素钠随着水的渗透将碳化后的混凝土试件内孔隙水不饱和部分区域进行染色，混凝土试件的浸泡时间为7d，进而使混凝土试件充分浸泡。
S4.沿直径方向将染色后的混凝土试件对半切分成两份；
S5.其中一半混凝土试件用酚酞进行染色测量碳化深度，另一半放在紫外线灯照射下测量饱和孔隙水深度，碳化深度测量和饱和孔隙水深度测量均每隔1cm测量一次，且当测量点位于凹凸不平处或大颗粒骨料位置时，选择其边缘测量或跳过该测量点，根据碳化深度和碳化时间计算碳化速度，碳化速度的计算公式为：
Figure BDA0002739632980000051
式中，D为碳化深度，tn为碳化时间，Ki为不同预处理方式形成的混凝土的碳化速度，n为试验重复次数。
S6.更换混凝土试件，改变碳化时间tn，碳化时间tn依次设定为28d、70d和140d，重复S2～S5，获得多组孔隙水深度数据以及与孔隙水深度的数据一一对应的混凝土碳化速度数据；
S7.根据S6获取的多组数据获得孔隙水深度与混凝土碳化速度的关系曲线，并推导出孔隙水饱和度与混凝土碳化速度的关系。
实施例二
本实施例涉及一种混凝土碳化速度与孔隙水饱和度关系的实验方法，包括以下步骤：
S1.制作若干混凝土试件并对混凝土试件进行养护和预处理，其中，混凝土试件的制作及养护的具体步骤如下：
S1.1.对混凝土搅拌机进行清理，将内壁与滚轴上附着的残渣进行敲除，并冲水清洗，将锅内残渣冲出并沥干，直至无明显水滴或积液；
S1.2.按照粗骨料、水泥、砂的投放顺序将混凝土材料放入搅拌机内进行干拌，至各混凝土材料混合均匀；
S1.3.混凝土材料搅拌均匀后，加入拌合用水进行湿拌，至塌落度满足要求；
S1.4.混凝土装模振捣，振捣后在模具表面对试件进行抹平；
S1.5.将试件放在养护室静置12h，拆模取出混凝土试件；
S1.5.将拆模后的混凝土试件放入相对湿度为90％，温度为20℃，1个标准大气压的养护室内继续养护28d；
本实施例中，混凝土试件的预处理方式采用欧洲标准按照CEN标准，即在碳化前在干燥室温环境下，静置14天，不同的预处理方式会影响混凝土试件的孔隙水饱和度。
S2.设定碳化时间tn，n为试验次数，此次试验中碳化时间为7d，将混凝土试件放入加速碳化箱内进行人工加速碳化，碳化温度为25℃，碳化箱湿度为70％，CO2浓度为4％。
S3.将碳化后的混凝土试件完全浸泡于荧光素钠溶液中，荧光素钠随着水的渗透将碳化后的混凝土试件内孔隙水不饱和部分区域进行染色，混凝土试件的浸泡时间为7d，进而使混凝土试件充分浸泡。
S4.沿直径方向将染色后的混凝土试件对半切分成两份；
S5.其中一半混凝土试件用酚酞进行染色测量碳化深度，另一半放在紫外线灯照射下测量饱和孔隙水深度，碳化深度测量和饱和孔隙水深度测量均每隔1cm测量一次，且当测量点位于凹凸不平处或大颗粒骨料位置时，选择其边缘测量或跳过该测量点，根据碳化深度和碳化时间计算碳化速度，碳化速度的计算公式为：
Figure BDA0002739632980000061
式中，D为碳化深度，tn为碳化时间，Ki为不同预处理方式形成的混凝土的碳化速度，n为试验重复次数。
S6.更换混凝土试件，改变碳化时间tn，碳化时间tn依次设定为28d、70d和140d，重复S2～S5，获得多组孔隙水深度数据以及与孔隙水深度的数据一一对应的混凝土碳化速度数据；
S7.根据S6获取的多组数据获得孔隙水深度与混凝土碳化速度的关系曲线，并推导出孔隙水饱和度与混凝土碳化速度的关系。
S8.制作若干混凝土标准件并对混凝土标准件进行养护，采用中国标准按照《GB-T50082-2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》对混凝土标准件进行预处理，即在人工加速碳化前两天，将混凝土标准件从养护室中拿出，放入干燥箱内烘干两天，完成混凝土标准件的预处理，然后按照S2～S7的步骤计算出混凝土标准件的碳化速度Kco，混凝土标准件的碳化速度Kco的计算公式为：
Figure BDA0002739632980000071
式中，D’为混凝土标准件的碳化深度，t’为混凝土标准件的碳化时间，n为试验重复次数。
S9.计算不同预处理方式形成的混凝土的饱和孔隙水对混凝土碳化速度的影响系数ri，计算公式为：
ri＝Ki/Kco (3)；
S10.根据不同预处理方式形成的混凝土的饱和孔隙水对混凝土碳化速度的影响系数ri及碳化速度Ki，优化各预处理方式下混凝土实际碳化深度计算公式，本实施例优化的是采用欧洲标准按照CEN标准进行预处理的混凝土的实际碳化深度计算公式：
Figure BDA0002739632980000072
式中，t为混凝土的实际碳化时间，D为混凝土的实际碳化深度。
S11.在今后的混凝土使用过程中，根据混凝土的预处理方式、混凝土的碳化时间t、对应预处理方式的优化后的碳化速度计算公式，计算对应预处理方式的混凝土的实际碳化深度D，进而对混凝土建筑的稳定性进行分析。
以上结合实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (7)

1.一种计算混凝土碳化速度的实验方法，其特征在于：其包括以下步骤：
S1.制作若干混凝土试件并对混凝土试件进行养护和预处理；
S2.设定碳化时间t n ，将混凝土试件放入加速碳化箱内进行人工加速碳化；
S3.将碳化后的混凝土试件完全浸泡于荧光素钠溶液中，荧光素钠随着水的渗透将碳化后的混凝土试件内孔隙水不饱和部分区域进行染色；
S4.沿直径方向将染色后的混凝土试件对半切分成两份；
S5.其中一半混凝土试件用酚酞进行染色测量碳化深度，另一半放在紫外线灯照射下测量饱和孔隙水深度，根据碳化深度和碳化时间计算碳化速度，所述碳化速度的计算公式为：
Figure 106220DEST_PATH_IMAGE001
（1）
式中，D为碳化深度，t为碳化时间，K i 为不同预处理方式形成的混凝土的碳化速度，n为试验重复次数；
S6.更换混凝土试件，改变碳化时间t n ，重复S2~S5，获得多组孔隙水深度数据以及与孔隙水深度的数据一一对应的混凝土碳化速度数据；
S7.根据S6获取的多组数据获得孔隙水深度与混凝土碳化速度的关系曲线，并推导出孔隙水饱和度与混凝土碳化速度的关系；
S8. 制作若干混凝土标准件并对混凝土标准件进行养护，在人工加速碳化前两天，将混凝土标准件从养护室中拿出，放入干燥箱内烘干两天，完成混凝土标准件的预处理，然后按照S2~S7的步骤计算出混凝土标准件的碳化速度Kco，混凝土标准件的碳化速度Kco的计算公式为：
Figure 577653DEST_PATH_IMAGE002
（2）
式中，D ’ 为混凝土标准件的碳化深度，t ’ 为混凝土标准件的碳化时间，n为试验重复次数；
S9.计算不同预处理方式形成的混凝土的饱和孔隙水对混凝土碳化速度的影响系数
Figure 773142DEST_PATH_IMAGE003
，计算公式为：
Figure 937407DEST_PATH_IMAGE004
（3）；
S10.根据不同预处理方式形成的混凝土的饱和孔隙水对混凝土碳化速度的影响系数
Figure 851136DEST_PATH_IMAGE003
及碳化速度
Figure 860681DEST_PATH_IMAGE005
，优化各预处理方式下混凝土实际碳化深度计算公式：
Figure 176255DEST_PATH_IMAGE007
（4）
式中，t为混凝土的实际碳化时间，D为混凝土的实际碳化深度；
S11.在今后的混凝土使用过程中，根据混凝土的预处理方式、混凝土的碳化时间、对应预处理方式的优化后的碳化速度计算公式，计算对应预处理方式的混凝土的实际碳化深度。
2.根据权利要求1所述的计算混凝土碳化速度的实验方法，其特征在于：所述S2中人工加速碳化的环境为：碳化温度为25℃，碳化箱湿度为70%，CO2浓度为4%。
3.根据权利要求1所述的计算混凝土碳化速度的实验方法，其特征在于：所述碳化时间t n 依次设定为7 d、28 d、70 d 和140 d。
4.根据权利要求1所述的计算混凝土碳化速度的实验方法，其特征在于：所述S3中混凝土试件的浸泡时间为7d。
5.根据权利要求1所述的计算混凝土碳化速度的实验方法，其特征在于：所述S5中，碳化深度测量和饱和孔隙水深度测量均每隔1cm测量一次，且当测量点位于凹凸不平处或大颗粒骨料位置时，选择其边缘测量或跳过该测量点。
6.根据权利要求1所述的计算混凝土碳化速度的实验方法，其特征在于：所述S1中混凝土试件的制作和养护的具体步骤包括：
S1.1.对混凝土搅拌机进行清理，将内壁与滚轴上附着的残渣进行敲除，并冲水清洗，将锅内残渣冲出并沥干，直至无明显水滴或积液；
S1.2. 按照粗骨料、水泥、砂的投放顺序将混凝土材料放入搅拌机内进行干拌，至各混凝土材料混合均匀；
S1.3.混凝土材料搅拌均匀后，加入拌合用水进行湿拌，至塌落度满足要求；
S1.4.混凝土装模振捣，振捣后在模具表面对试件进行抹平；
S1.5.将试件放在养护室静置12 h，拆模取出混凝土试件；
S1.5.将拆模后的混凝土试件放入相对湿度为90%，温度为20℃，1个标准大气压的养护室内继续养护28d。
7.根据权利要求1所述的计算混凝土碳化速度的实验方法，其特征在于：所述S8中烘干箱内的温度为60℃。
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