CN203259514U

CN203259514U - 水泥基材料中氢氧化钙含量的测定装置

Info

Publication number: CN203259514U
Application number: CN 201320005214
Authority: CN
Inventors: 范宏; 万小梅; 赵铁军; 杨亚楠; 张鑫
Original assignee: Qingdao University of Technology
Current assignee: Qingdao University of Technology
Priority date: 2013-01-07
Filing date: 2013-01-07
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2023-01-07

Abstract

一种水泥基材料中氢氧化钙含量的测定装置，包括加热冷却系统和滴定系统；所述加热冷却系统包括加热装置、烧瓶、蛇形冷凝管、橡胶管、玻璃三通和架子；所述滴定系统包括滴定器、布氏烧瓶、布氏漏斗和磁力搅拌器；所述加热装置上方设置烧瓶，该烧瓶口连接蛇形冷凝管；所述蛇形冷凝管固定到架子上，并用夹子夹住，夹子可沿架子做上下移动；所述橡胶管和蛇形冷凝管通过玻璃三通连接；所述蛇形冷凝管内设有一个带有通孔的蛇形管、进液口和出液口；所述滴定器由滴定管和溶液瓶组成；所述布氏烧瓶上端设有一个粗颈放置布氏漏斗，两者连接之间有木塞，布氏烧瓶侧面设有细颈。该装置使用简单，测量准确且成本低廉。

Description

水泥基材料中氢氧化钙含量的测定装置

技术领域

本实用新型涉及一种化学物质的测定装置，尤其是涉及一种水泥基材料中氢氧化钙含量的测定装置。

背景技术

混凝土的碳化即中性化，是指空气中的CO₂气体不断地透过混凝土中未完全充水的毛细孔，扩散到混凝土内部与其中孔隙溶液所溶解的Ca（OH）₂进行中和反应，生成碳酸盐或其他物质，使混凝土孔溶液的pH值降低（此外，混凝土中水化硅酸钙以及未水化的硅酸三钙和硅酸二钙也要消耗CO₂气体）的过程。混凝土的碳化引起的钢筋锈蚀，严重影响了混凝土结构的耐久性。混凝土碳化中主要的碳化反应如下(括号内为25℃时的自由焓)：

Ca(OH)₂+H₂O+CO₂=CaCO₃+2H₂O（△G⁰ ₂₉₈=－74.75kJ/mol）

3CaO·2SiO₂·3H₂O+3H₂CO₃=3CaCO₃+2SiO₂+6H₂O（△G⁰ ₂₉₈=－74.7kJ/mol）

3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O+3H₂CO₃=3CaCO₃+2Al(OH)₃+3CaSO₄+32H₂O（△G⁰ ₂₉₈=－48.8kJ/mol）

3CaO·Al₂O₃·CaSO₄·12H₂O+3H₂CO₃=3CaCO₃+2Al(OH)₃+CaSO₄+12H₂O（△G⁰ ₂₉₈=－63.4kJ/mol）

从热力学角度，自由焓越小，化学反应越易进行；当自由焓为正值时，化学反应则逆向进行。上述碳化反应说明，Ca(OH)₂与C-S-H（水化硅酸钙）是最容易发生碳化反应的，其他水化产物也参与碳化反应，反应的产物均包含了CaCO₃，测量CaCO₃是评价碳化程度的方法之一。C-S-H的碳化比较复杂，郭斌等（水化硅酸钙的碳化作用[J]．硅酸盐学报，1984，12(3)：287-295）通过试验表明，Ca(OH)₂和C-S-H凝胶都会受到碳化作用，但是初期Ca(OH)₂的碳化较快。C-S-H的结晶度对碳化速度有很大影响，水化产物的结晶度愈差，比表面积愈大，在相同条件下，碳化就越严重。C-S-H凝胶的比表面积为78.77m²／g，而结晶好的托贝莫来石为14.3m²／g，完全碳化的时间，前者为4小时，后者为1152小时。孙抱真、苏而达等（“水化硅酸钙的结晶度与碳化速度”[J]．硅酸盐学报，1984，12(3)：281-286），根据Ca(OH)₂和CaCO₃在纯水中的溶解度可知，饱和Ca(OH)₂水溶液与空气中的CO₂接触后达到平衡状态时约96％的Ca(OH)₂转换成CaCO₃。CaCO₃溶解度越小，即碳化后的CaCO₃大部分以固相状态存在。这说明Ca(OH)₂容易被碳化消耗，而CaCO₃生成过程是较长的。

当CO₂扩散到混凝土孔溶液溶解于水时生成碳酸后离解成

(pH值较低时为

并分别与Na⁺、K⁺、Ca²⁺反应生成Na₂CO₃、K₂CO₃和CaCO₃。由于K₂CO₃和Na₂CO₃溶解度大，孔溶液中的Na⁺、K⁺浓度不会发生变化，除非这些溶液干燥时达到过饱和析出晶体；而孔溶液中微量Ca²⁺与

发生反应时生成溶解度极低的CaCO₃，并沉积在孔壁表面，导致孔溶液中Ca²⁺浓度降低，因此Ca(OH)₂晶体继续溶解和补充孔溶液中失去的Ca²⁺浓度。Ca(OH)₂晶体溶解和碳化反应过程中CaCO₃晶体逐渐增多，这种循环反应一直进行到Ca(OH)₂晶体完全溶解和消耗为止，此时pH值降低混凝土呈中性化现象。混凝土碳化过程中Ca(OH)₂晶体起着提供OH^-保持pH的源泉作用（柳俊哲.混凝土碳化研究与进展(1)-碳化机理及碳化程度评价[J].混凝土，2005，（11）:10-13）。当Ca(OH)₂碳化或发生流失后，C-S-H的脱钙就会发生，同时碳化会进一步发展。测定Ca(OH)₂的含量是评价混凝土碳化的一个可靠方法。

要确切地了解混凝土的碳化状况，最直接的方法之一，就是检测混凝土中Ca(OH)₂含量。如果仅检测CaCO₃的含量，并不能反映碳化的实际状况。水泥水化生成了可以与CO₂发生碳化反应的物质不仅有Ca(OH)₂，还有C-S-H、C₃S、C₂S等，其中Ca(OH)₂最容易被消耗，且与pH值关系密切，故检测Ca(OH)₂的含量对评价混凝土碳化十分必要。

工程实践表明，许多工程检测的碳化深度没有抵达钢筋，钢筋已开始生锈。混凝土的碳化部分分为完全碳化区和部分碳化区，部分碳化区的混凝土的pH值由外至内逐渐升高，未碳化区混凝土的pH值大约为12.5左右，完全碳化区混凝土的pH值为8.5。从碳化对钢筋锈蚀影响的角度看，当钢筋位于pH﹥11.5的区域，钢筋处于钝化状态，不发生锈蚀；当钢筋位于pH﹤11.5区域，钢筋处于活化状态。在一定的环境条件下，当混凝土的pH值下降到某一值pH₀时钢筋开始锈蚀。实际工程调查结果表明，由于环境条件的差异，满足钢筋开始锈蚀对应的pH₀值是不相同的。采用1%浓度的酚酞酒精溶液，已碳化区呈无色，未碳化区呈粉红色，以颜色变化为分界线，这个界线实际并不代表无色区域是完全碳化区，实际上，变色界线处，pH=9，包含了一部分部分碳化区（参见图1所示）。

碳化混凝土中CaCO₃、Ca(OH)₂含量的理论分布如图1，通过对混凝土试样中Ca(OH)₂的含量进行测定，与混凝土试样中的CaCO₃含量一起推算混凝土的碳化深度，推算出混凝土试样的pH值，对混凝土耐久性的判断更加准确。而现有技术中缺少对水泥基材料中氢氧化钙含量的测定装置。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种水泥基材料中氢氧化钙含量的测定装置。该装置使用简单，测量准确且成本低廉。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种水泥基材料中氢氧化钙含量的测定装置包括加热冷却系统和滴定系统；

所述加热冷却系统包括加热装置、烧瓶、蛇形冷凝管、橡胶管、玻璃三通和架子；

所述滴定系统包括滴定器、布氏烧瓶、布氏漏斗和磁力搅拌器；

所述架子上的夹子环绕夹住蛇形冷凝管；所述加热装置上方设置烧瓶，该烧瓶口连接蛇形冷凝管；

所述蛇形冷凝管固定到架子上，并用夹子夹住，夹子可沿架子做上下移动，用玻璃三通把橡胶管和蛇形冷凝管连接起来；

所述蛇形冷凝管内设有一个带有通孔的蛇形管、进液口和出液口；

所述滴定器由滴定管和溶液瓶组成；溶液瓶承装所需滴定的试剂，滴定管可以准确的滴定所需的试剂；

所述布氏烧瓶上端设有一个粗颈放置布氏漏斗，两者连接之间有木塞，保障两者之间连接紧密，布氏烧瓶侧面设有细颈；

优选地，所述烧瓶为圆底烧瓶，其底部为圆形，颈口呈喇叭状，颈部内面上设有磨砂与蛇形冷凝管紧密结合。

优选地，所述加热冷却系统并列设置8组。

检测混凝土粉末中Ca(OH)₂含量的原理是：将混凝土粉末加入到乙酰乙酸乙酯与异丙醇的混合的非水溶液中，该溶液可掩蔽少量的金属离子；加热煮沸溶液，使混凝土粉末中的Ca(OH)₂溶解，将溴酚蓝作为指示剂，用盐酸进行滴定，其化学反应方程式为：Ca(OH)₂+2HCl→CaCl₂+2H₂O，记录盐酸用量，再计算Ca(OH)₂的含量。

本实用新型装置根据混凝土碳化机理，对混凝土粉末经过溶解、煮沸处理，再经过过滤、滴定，测量混凝土粉末中Ca(OH)₂的含量，经过数据处理及结果分析，评价混凝土的碳化性能。

本实用新型技术效果是：

1．提出了水泥基材料中氢氧化钙含量的测定装置，该装置可精确测定水泥基材料中氢氧化钙含量。

2.该装置方便、准确，能够对水泥基材料中氢氧化钙含量进行定量分析，对碳化的评价可靠、准确。

3.该装置所用试剂常见，取材方便，价格较低，推广性很强。

4.测量的精确程度取决于混凝土粉末的磨取厚度，沿混凝土表面分层打磨混凝土粉末，可以绘制氢氧化钙占混凝土粉末的质量分数沿距离混凝土表面的浓度分布曲线。若取得不同时间的氢氧化钙占混凝土粉末的质量分数沿距离混凝土表面的浓度分布曲线，则可了解混凝土碳化的发展状况。

5．适用于评价各类外加剂、掺和料或环境作用对水泥材料碳化性能的影响。

6．不受骨料影响，直接对工程中的混凝土钻取芯样，磨粉测量，可直接评价混凝土的碳化性能。

7．采用本装置可区分完全碳化区、部分碳化区和未碳化区，并确定完全碳化区、部分碳化区的长度。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明

图1为碳化混凝土中CaCO₃、Ca(OH)₂含量理论分布曲线；

图2为本实用新型加热冷却系统结构示意图；

图3为蛇形冷凝管与架子的连接；

图4为蛇形冷凝管工作示意图；

图5为布氏烧瓶与布氏漏斗配合结构示意图；

图6滴定示意图；

图7为自然碳化1个月、6个月后，混凝土内不同深度处CaCO₃、Ca(OH)₂的含量分布情况；

图8为加速碳化7d、28d后，混凝土内不同深度处CaCO₃、Ca(OH)₂的含量分布情况。

附图中的数字标记如下：

1加热装置；2烧瓶；3蛇形冷凝管、31进液口、32出液口、33蛇形管

34回流口、35出气口；4橡胶管；5玻璃三通；6滴定器、61滴定管

62溶液瓶；7架子、71夹子；8布氏烧瓶、81木塞、82粗颈、83细颈；

9布氏漏斗；10磁力搅拌器。

具体实施方式

一种水泥基材料中氢氧化钙含量的测定装置,包括加热冷却系统和滴定系统；

参见图2所示，所述加热冷却系统包括八组的加热装置1、烧瓶2、蛇形冷凝管3、橡胶管4、玻璃三通5和架子7；

所述滴定系统包括滴定器6、布氏烧瓶8、布氏漏斗9和磁力搅拌器10；

所述架子7上的夹子71环绕夹住蛇形冷凝管3；所述加热装置1上方设置烧瓶2，该烧瓶2口连接蛇形冷凝管3；所述架子7上的夹子71夹住蛇形冷凝管3的高度，刚好使得烧瓶2和蛇形冷凝管3连接，蛇形冷凝管3的回流口34外侧是锥形玻璃磨砂口，插入烧瓶2的颈部起到密封作用，防止液体加热过程中产生的气体从连接处外泄，对试验结果造成误差，蛇形冷凝管3的连接见图2，图中箭头方向代表冷却水的流动方向。

把蛇形冷凝管3固定到架子7上，并用夹子71夹住，夹子71可沿架子做上下移动以调整高度，用玻璃三通5把橡胶管4和蛇形冷凝管3连接起来，另外一组橡胶管4与水管紧密连通，烧瓶2放置于电炉1上，由于每次试验将有多个样品需要测量，所以图2表示的是8组样品。

烧瓶2能够承受一定的高温，作为本实验装置的加热承装热液器皿，本装置选用圆底烧瓶，其底部为圆形；上有一个颈，与蛇形冷凝管3相连；颈口稍做喇叭状，内面上还经常有磨砂以便和其他玻璃器皿紧密结合。

烧瓶2放置于电炉1上，控制好电炉1的功率，尽量使各个烧瓶2同时沸腾。在试验过程中要持续地将冷凝水穿过橡胶管4对烧瓶2产生的气体冷凝。

蛇形冷凝管3内有一个带有通孔的蛇形管33，蛇形管33的进液口31和出液口32固定于蛇形冷凝管3内。以架子7和夹子71架起，倾斜至与接头接稳，冷却水可在玻璃仓流动，水流由进液口31入，由出液口32出；冷却水也可逆向在蛇形管中流动，无须特别限制流向；由于与蒸气接触面积大，因此热交换效率高，对于低沸点的物质有显著的效果，加快冷水循环速度，可加速冷凝过程，见图4；

布氏烧瓶8配合布氏漏斗9过滤使用，形状类似锥形瓶，上面有一个粗颈82放置布氏漏斗9，两者连接之间有一个木塞81，保障两者之间连接紧密，侧面有一个细颈83与真空泵连接，布氏烧瓶的壁比锥形瓶要厚，可以抗衡真空造成的负气压，见图5。抽气系统通过布氏烧瓶8的细颈83，作用于布氏漏斗9起过滤溶液作用，其可以加快溶液的过滤，减少残存溶液；

滴定器6由滴定管61和溶液瓶62组成，溶液瓶62承装所需滴定的试剂，滴定管61可以准确地滴定所需的试剂；滴定管61控制液体流速的装置在整个管的靠下部分，使用活塞63控制流速；活塞或橡胶管之上的滴定管是一段内径均匀并刻有均匀刻度的硬质透明管，滴定管61的最小刻度值为0.1mL，活塞或橡胶管之下，滴定管的最下端是一个尖嘴；因为尖嘴口径极小，滴出1滴的液体量也少，从而可以精细放液，见图6；

测定原理如下：

为了解决相关的技术问题，本实用新型采用了如下试验方案：

1)把混凝土试样进行分层磨粉，磨取的粉末盛放于密封袋中，防止与空气中的气体发生反应造成试验误差，密封袋的表面注明混凝土试样的磨取深度；磨粉的方法采用中国专利（专利号:200810015905.0；专利号:201220177011.3）进行。

2）配置0.1mol/L的盐酸溶液，在滴定时使用。

3）用精密电子称称取1g打磨好的混凝土试样加入到烧瓶内，然后往烧瓶内先后加入10ml乙酰乙酸乙酯（Ethyl acetoacetate）和20ml异丙醇（chemical reagent isopropyl alcohol）溶液，并把两种溶液晃动均匀。

4）往烧瓶内加入数个直径3～4mm的玻璃珠（一般加入5～6个），玻璃珠在煮沸时可跳动，搅动粉末，使Ca(OH)₂充分溶解。

5）将烧瓶置于电炉上，连接好冷却水循环系统，并打开循环冷却水（水压要逐渐增大，不要太高）。

6）打开电炉电源（开始功率要适当降低一些），调节各个电炉功率使各个烧瓶同时开始沸腾并持续1小时时间。

7）将烧瓶取下静置冷却，用真空泵将溶液过滤到抽滤瓶，其中使用的烧瓶须用异丙醇清洗两次并使溶液全部过滤到抽滤瓶（见图4）。

8）在抽滤瓶溶液中加入2滴溴酚蓝指示剂，将抽滤瓶放在磁力搅拌器上，用0.1mol/l的盐酸慢慢开始滴定，直到溶液变成明亮的黄色为止，记录盐酸的用量（见图5）。

按下式计算氢氧化钙的含量。

式中：V—0.1mol/L的HCl溶液用量（ml）

f—溶解酸因素（本实验用盐酸为一元酸取值1）

m—混凝土粉末质量(g)

9）使用真空泵完毕，先拔下与抽滤瓶相连的管子，以防泵内的油回流；抽滤瓶与瓷漏斗之间要密封；抽滤瓶、烧瓶不能用蒸馏水和盐酸清洗，只能用异丙醇清洗；滴定管内的标准酸无挥发。

10）根据多个样品的测量结果，绘制Ca(OH)₂含量-深度曲线，对混凝土碳化性能进行评价。

通过曲线上某一点的Ca(OH)₂含量判断混凝土在该深度处的碳化情况。

混凝土表层Ca(OH)₂含量最低的区段为完全碳化区；Ca(OH)₂含量由低到高变化区段为部分碳化区；Ca(OH)₂含量较高且稳定的区段为未碳化区。

采用了上述试验方法和装置测量Ca(OH)₂含量，用其它方法测量CaCO₃含量。同时绘制二者的深度-含量曲线，可对混凝土碳化作出准确评价。

实施例1

试验中，制备混凝土的原材料均来自青岛，其中粗骨料为青岛磊鑫5～25mm的碎石，河砂为大沽河河砂，细度模数为2.4。水泥为青岛山水水泥有限公司生产的PO.42.5普通硅酸盐水泥，矿物掺合料为青岛四方电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，外加剂为江苏博特SP-8聚羧酸系高效减水剂。混凝土配合比如下表：

表1河砂混凝土配合比（kg/m³）

试件分别采用自然碳化和加速碳化。自然碳化将试件置于青岛室外环境。加速碳化试验根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》（GBJ82-85）中的标准方法进行。

对比研究自然碳化1个月、6个月和加速碳化7d、28d后，混凝土内不同深度处CaCO₃、Ca(OH)₂的含量分布情况，如图7，图8所示。从图7、图8中碳化反应产物的含量来看，不论自然碳化还是加速碳化试验，随着碳化龄期的增长，混凝土表层中碳酸钙含量增大，越往内部含量逐渐降低并趋于稳定，此时的稳定值主要来源于混凝土中骨料含有的碳酸钙，约为混凝土质量的2%。而氢氧化钙含量相反，随着碳化反应由表及里的进行，表层混凝土中的Ca(OH)₂含量最低，之后按非线性规律逐渐变化到最大值，即未碳化区混凝土的Ca(OH)₂含量，约为混凝土质量的3%左右。

自然碳化中CO₂气体浓度较低，环境温度、湿度随季节变化较大，碳化反应主要发生在混凝土表层0~3mm范围内，且不充分，用酚酞测定碳化6个月的深度最大不超过5mm，对混凝土粉末进行化学分析，CaCO₃含量在表层1~2mm数值较大，约为160mg/g，之后迅速降低并趋于稳定。完全碳化区中Ca(OH)₂含量为零的现象仅体现在表层2mm。相比之下，加速碳化试验是在温度、湿度较为稳定的环境中进行的，化学反应较充分，碳化深度和碳化反应产物含量都明显大于相应的自然碳化。自然碳化1个月与6个月，加速碳化7d与28d比较，随着碳化时间的增长，混凝土表层中的Ca(OH)₂含量明显减少，而对应深度处的CaCO₃含量增大。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本实用新型的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之列。

Claims

1.一种水泥基材料中氢氧化钙含量的测定装置，其特征在于：

包括加热冷却系统和滴定系统；

所述加热装置上方设置烧瓶，该烧瓶口连接蛇形冷凝管；

所述蛇形冷凝管固定到架子上，并用夹子夹住，夹子可沿架子做上下移动，所述橡胶管和蛇形冷凝管通过玻璃三通连接；

所述滴定器由滴定管和溶液瓶组成；所述布氏烧瓶上端设有一个粗颈放置布氏漏斗，两者连接之间有木塞，布氏烧瓶侧面设有细颈。

2.根据权利要求1所述的测定装置，其特征在于：所述烧瓶为圆底烧瓶，其底部为圆形，颈口呈喇叭状，颈部内面上设有磨砂与蛇形冷凝管紧密结合。

3.根据权利要求1所述的测定装置，其特征在于：加热冷却系统并列设置8组。