專利名稱：一種測試混凝土鈣離子擴(kuò)散系數(shù)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測試混凝土鈣離子擴(kuò)散系數(shù)的方法，屬于混凝土技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
離子侵入是導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)過早破壞的主要因素之一。例如氯離子引起的鋼筋銹蝕、硫酸根離子引起的混凝土脹裂、鎂離子引起的水化硅酸鈣分解等。離子侵入混凝土材料內(nèi)部的主要過程包括擴(kuò)散、滲透、毛細(xì)吸收、遷移和對流。擴(kuò)散是其中的一個(gè)主要過程。因此，混凝土的離子擴(kuò)散系數(shù)作為混凝土材料耐久性的重要指標(biāo)對于研究混凝土結(jié)構(gòu)耐久性和壽命預(yù)測具有重要意義。確定科學(xué)、合理、可靠和有效的試驗(yàn)方法至關(guān)重要。目前，混凝土材料離子擴(kuò)散系數(shù)測試方法主要為氯離子擴(kuò)散系數(shù)測試方法。主要有以下幾種(1)電通量法，包括國標(biāo)準(zhǔn)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(ASTM C1202)和美國國家公路與運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)(AASHTO T277) ； (2)穩(wěn)態(tài)電遷移試驗(yàn)方法，挪威標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法(NT Build355) ；(3)非穩(wěn)態(tài)電遷移試驗(yàn)方法，挪威標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法(NT Build 492)。(4)飽鹽電導(dǎo)率法。以上方法只能測試混凝土材料的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，迄今為止還沒有測試混凝土材料其他離子擴(kuò)散系數(shù)的試驗(yàn)方法。本發(fā)明的目的是提出一種混凝土材料鈣離子擴(kuò)散系數(shù)測試方法。將混凝土制成薄片試樣，然后采用真空儀飽氫氧化鈣溶液，之后在一定電壓下使鈣離子遷移，通過測定鈣離子遷移速率來計(jì)算鈣離子擴(kuò)散系數(shù)?；炷两Y(jié)構(gòu)耐久性問題與有害離子侵入密切相關(guān)，而由電平衡原理可知，陰、陽離子的擴(kuò)散必然是同時(shí)進(jìn)行，兩者相互影響。因此，研究其它陽離子如鈣離子等在混凝土中的遷移能力具有重要意義。同時(shí)，鈣離子擴(kuò)散系數(shù)與氯離子擴(kuò)散系數(shù)具有相關(guān)性，可以用鈣離子擴(kuò)散系數(shù)來評(píng)價(jià)混凝土材料的抗氯離子侵入能力。鈣離子是混凝土材料的固有離子，鈣離子擴(kuò)散系數(shù)測試方法不會(huì)引入其它離子，對混凝土試件無損害。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明設(shè)計(jì)的混凝土鈣離子擴(kuò)散系數(shù)測試方法，包括以下幾個(gè)步驟(I)將混凝土切成l_5cm薄片試樣；(2)將混凝土試樣放入真空保水儀中，然后保持IOOkPa以下的真空度，干抽3小時(shí)。保持真空度，向真空飽水儀中注入氫氧化鈣飽和溶液，使混凝土試件完全浸入氫氧化鈣飽和溶液中，濕抽I小時(shí)。停止抽真空，在大氣壓下，保持混凝土試件在氫氧化鈣飽和溶液中浸泡20小時(shí)；(3)對飽氫氧化鈣溶液的混凝土試件施加60伏直流電壓，測定I小時(shí)以內(nèi)鈣離子的遷移速率；(4)根據(jù)上述電壓和鈣離子遷移速率，用公式(I)計(jì)算混凝土鈣離子擴(kuò)散系數(shù)。
式中DCa是鈣離子擴(kuò)散系數(shù)(m2/s)，dc/dt是鈣離子遷移速率(mol/m3/S)，T是絕對溫度(K)，R是氣體常數(shù)(83. lJ/K/mol), z是鈣離子電量(2)，C是飽和氫氧化鈣溶液鈣離子濃度(O. 0233X 103mol/m3)，F(xiàn)是法拉第常數(shù)(9. 65 X 104C/mol)，E是直流電壓(60V), V陰極溶液體積(m3)，L是試件厚度(m)，A是混凝土試件橫截面積(m2)。混凝土材料的孔結(jié)構(gòu)決定離子擴(kuò)散系數(shù)。對于同一種混凝土材料，不同離子的擴(kuò)散系數(shù)具有相關(guān)性。采用并行的氯離子穩(wěn)態(tài)電遷移試驗(yàn)與本發(fā)明的測試方法進(jìn)行比較，本發(fā)明測定的鈣離子擴(kuò)散系數(shù)與穩(wěn)態(tài)電遷移試驗(yàn)方法測定的氯離子擴(kuò)散系數(shù)間的關(guān)系見圖
I。試驗(yàn)結(jié)果表明鈣離子擴(kuò)散系數(shù)與氯離子擴(kuò)散系數(shù)有很好的相關(guān)性，本發(fā)明測定的鈣離子擴(kuò)散系數(shù)準(zhǔn)確。本發(fā)明的測試方法，確定了相應(yīng)的測試工藝，能夠在25小時(shí)內(nèi)準(zhǔn)確測定混凝土材料的鈣離子擴(kuò)散系數(shù)，是目前唯一一種可以快速、準(zhǔn)確測定混凝土鈣離子擴(kuò)散系數(shù)的測試方法。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)(I)本方法基于離子電遷移理論設(shè)計(jì)，原理清晰；(2)所用設(shè)備簡單，實(shí)驗(yàn)室、現(xiàn)場均可具備；(3)測量簡單，計(jì)算簡便。(4)可以準(zhǔn)確測定混凝土鈣離子擴(kuò) 散系數(shù)，對混凝土試件無損傷。(5)本方法測定的鈣離子擴(kuò)散系數(shù)與穩(wěn)態(tài)電遷移試驗(yàn)方法測定的氯離子擴(kuò)散系數(shù)有良好的相關(guān)性，可以換算氯離子擴(kuò)散系數(shù)。


圖I是本發(fā)明測定的鈣離子擴(kuò)散系數(shù)與穩(wěn)態(tài)電遷移試驗(yàn)方法測定的氯離子擴(kuò)散系數(shù)間的關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式測試基本原理為離子電遷移理論?；炷敛牧辖?jīng)過真空飽氫氧化鈣溶液處理后，可以假定孔溶液為飽和氫氧化鈣溶液。通過施加一定的直流電壓，使鈣離子在電壓的驅(qū)動(dòng)下形成穩(wěn)定的遷移流。此時(shí)，混凝土鈣離子擴(kuò)散系數(shù)決定鈣離子的遷移速率。通過測定鈣離子遷移速率則可計(jì)算鈣離子擴(kuò)散系數(shù)。理論計(jì)算公式為Nernst-Plank公式。試樣制備包括兩部分一是將混凝土切成適當(dāng)厚度的薄片；二是將混凝土試樣進(jìn)行真空飽氫氧化鈣溶液?；炷猎嚇拥暮穸热Q于骨料最大粒徑尺寸，對于普通混凝土可取5cm。進(jìn)行滲透性相對比較或定性比較時(shí)，可小于5cm，但不應(yīng)小于1cm，以避免混凝土試件中出現(xiàn)連通的大孔。飽氫氧化鈣溶液處理可采用自然浸泡方法，即將混凝土試樣浸泡于飽和氫氧化溶液中，浸泡時(shí)間為4-8周；也可采用真空飽氫氧化鈣溶液，具體工藝為將混凝土試樣垂直放置在真空儀中，試樣之間保證Icm以上的間距，然后保持IOOkPa以下的真空度，干抽3小時(shí)。保持真空度，向真空飽水儀中注入氫氧化鈣飽和溶液，使混凝土試件完全浸入氫氧化鈣飽和溶液中，濕抽I小時(shí)。停止抽真空，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，保持混凝土試件在氫氧化鈣飽和溶液中浸泡20小時(shí)。飽和氫氧化鈣溶液由蒸餾水和分析純氫氧化鈣試劑配制。鈣離子遷移速率測定采用穩(wěn)態(tài)電遷移試驗(yàn)方法(NT Build 355)試驗(yàn)槽。陰極槽中鈣離子濃度測定可采用EDTA滴定法、離子色譜法或火焰發(fā)射光譜法進(jìn)行測定。啟動(dòng)60伏直流電壓后，每隔12分鐘從下游槽中取5ml溶液。I小時(shí)試驗(yàn)結(jié)束后測定5個(gè)樣品的鈣離子濃度，并計(jì)算鈣離子遷移速率。根據(jù)鈣離子遷移速率和公式(I)可得到鈣離子擴(kuò)散系數(shù)。試驗(yàn)溫度為20 ±5°C。實(shí)施例一試樣北京工業(yè)大學(xué)來樣，配合比見表I。其中O. 450PC為基準(zhǔn)混凝土，水膠比為
O.45，O. 380PC降低T用水量，水膠比為O. 38，O. 45PFA摻入了粉煤灰，O. 45GGBS摻入了礦渣，O. 45MS摻入了硅灰。 將20cmX20cmX20cm來樣用混凝土取芯機(jī)沿澆筑方向鉆取直徑為IOcm的圓柱體。在圓柱體中部用混凝土切割機(jī)切取厚度為5cm的混凝土薄片試樣進(jìn)行測試?；炷菱}離子擴(kuò)散系數(shù)測定結(jié)果見表2。表I混凝土試樣配合比
權(quán)利要求
1. 一種測試混凝土鈣離子擴(kuò)散系數(shù)的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟 (1)將混凝土切成l-5cm薄片試樣； (2)將混凝土試樣放入真空保水儀中，然后保持IOOkPa以下的真空度，干抽3小時(shí)；保持真空度，向真空飽水儀中注入氫氧化鈣飽和溶液，使混凝土試件完全浸入氫氧化鈣飽和溶液中，濕抽I小時(shí)；停止抽真空，在大氣壓下，保持混凝土試件在氫氧化鈣飽和溶液中浸泡20小時(shí)； (3)對飽氫氧化鈣溶液的混凝土試件施加60伏直流電壓，測定I小時(shí)以內(nèi)鈣離子的遷移速率； (4)根據(jù)上述電壓和鈣離子遷移速率，用公式(I)計(jì)算混凝土鈣離子擴(kuò)散系數(shù)； Dca=i^T)il§^)ivl)(I) 式中=Dea是鈣離子擴(kuò)散系數(shù)，單位為m2/s，dc/dt是鈣離子遷移速率，單位為mol/mVs，T是絕對溫度，單位為K，R是氣體常數(shù)，z是鈣離子電量，為2，C是飽和氫氧化鈣溶液鈣離子濃度，為O. 0233X 103mol/m3，F(xiàn)是法拉第常數(shù)，E是直流電壓，為60V，V陰極溶液體積，單位為m3，L是試件厚度，單位為m，A是混凝土試件橫截面積，單位為m2。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種混凝土鈣離子擴(kuò)散系數(shù)測定方法，將混凝土切成薄片試樣，放入真空保水儀中，干抽，然后向真空室中注入氫氧化鈣飽和溶液，濕抽，使混凝土飽氫氧化鈣溶液。對試樣施加電壓，測定鈣離子遷移速率。根據(jù)Nernst-Plank公式計(jì)算鈣離子擴(kuò)散系數(shù)?；炷菱}離子擴(kuò)散系數(shù)可以用來評(píng)價(jià)混凝土的滲透性。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是可以測定混凝土的鈣離子擴(kuò)散系數(shù)，方法簡單，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，既適用于普通混凝土，也適用于高性能混凝土。
文檔編號(hào)G01N13/00GK102621041SQ20121010677
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月12日
發(fā)明者蘭明章, 李悅, 楊進(jìn)波 申請人:北京工業(yè)大學(xué)