一種水泥基材料碳化深度測試方法
【專利摘要】本發明公開了一種水泥基材料碳化深度測試方法。對前期碳化后的硬化水泥材料試塊進行阻抗譜測試，得到阻抗譜圖。利用水泥材料的電化學電路模型擬合阻抗譜圖，獲得電化學參數，然后測試水泥材料的實際碳化深度。把電化學參數和實際碳化深度建立起函數關系，再通過計算電化學參數來計算水泥后期碳化深度。本發明對水泥后期碳化深度進行無損、高效、準確測試，將更有利于混凝土結構耐久性的研究和現場碳化深度的快速檢測。
【專利說明】一種水泥基材料碳化深度測試方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種水泥基材料碳化深度測試方法，尤其涉及一種用電化學阻抗譜對水泥基材料碳化深度無損檢測的方法。
【背景技術】
[0002]混凝土結構在長期使用的過程中常處于復雜的大氣環境中，空氣中含有的二氧化碳常常與混凝土內的水泥漿體發生碳化。碳化實質是一個中和反應，碳化過程中不斷消耗水化產物氫氧化鈣，引起混凝土碳化部分的PH值下降，不僅加劇混凝土的收縮，改變混凝土的內部應力，造成混凝土開裂，而且還使混凝土內鋼筋脫鈍生銹。因此，對于水泥基材料碳化深度的評測是鋼筋混凝土耐久性的一個重要指標。由于碳化主要發生在混凝土內的水泥熟料中，因此對水泥的碳化深度進行實時準確的測試是研究混凝土結構耐久性的重要課題。
[0003]目前國內對碳化深度檢測方法主要是酚酞試劑測試法。根據GBJ82-85描述的方法，將試件碳化3、7、14及28天時，破型以測定其碳化深度棱柱體試件在壓力試驗機上用劈裂法從一端開始破型。每次切除的厚度約為試件寬度的一半，用石臘將破型后試件的切斷面封好，再放入箱內繼續碳化，直到下一個試驗期。如采用立方體試件，則在試件中部劈開。立方體試件只作一次檢驗，劈開后不再放回碳化箱重復使用。將切除所得的試件部份刮去斷面上殘存的粉末，隨即噴上(或滴上)濃度為1%的酚酞酒精溶液(含20%的蒸餾水)。經30秒鐘后，按原先標劃的每10毫米一個測量點用鋼板尺分別測出兩側面各點的碳化深度。如果測點處的碳化分界線上剛好嵌有粗骨料顆粒，則可取該顆粒兩側處碳化深度的平均值作為該點的深度值。碳化深度測量精確至I毫米。目前，此方法存在以下不足之處:(1)需破壞試件，屬一次性檢測，無法重復；(2)劈裂面的不平整會導致試劑變色界限不易確定；(3)采樣次數有限；(4)容易出現人為的讀數誤差。
[0004]電化學阻抗譜對于研究水泥基材料的結構變化及漿體與骨料間界面敏感有效，而水泥，砂漿，混凝土等材料在隨著碳化的進行結構會變得致密，引起其阻抗譜圖出現明顯的變化。用一個電化學等效電路模型Rs(Q1 (RrtlW1)) (Q2(Rrt2W2))(見附圖1)則可以表征水泥基材料的碳化過程。該模型由以下參數組成:RS-水泥樣品孔溶液電阻，Q1-水泥材料內部固/液兩相的雙電層電容，Rrtl-水泥材料內部的離子傳遞過程電阻，W「水泥材料內部的離子擴散過程電阻(Warburg電阻)，Q2-水泥材料與電極板之間的雙電層電容，Rct2-電極板表面的電荷傳遞過程電阻，W2-電極板表面的離子擴散過程電阻(Warburg電阻)。模型Rs(Qi (RctiW1)) (Q2(Rct2W2))程不僅考慮到測試過程中外部電極板反應的作用，還考慮了水泥材料內部的固/液相互作用，即固/液之間的雙電層電容效應，孔溶液中的離子擴散過程和樣品內部的離子傳遞過程，所以用該模型可以有效跟蹤測試水泥基材料的碳化過程。
[0005]模型的參數Retl (表示水泥材料內部的離子傳遞過程的電阻)隨碳化齡期會呈現線性增長，因此利用該參數與早期的碳化深度和時間建立起函數關系，就可以對有效地對后期的碳化深度進行測試。
【發明內容】
[0006]本發明提供了一種新型高效準確的水泥基材料碳化深度測試方法。本方法實現了水泥基材料碳化試塊的無損測試，對結構檢測具有重要的參考意義。
[0007]本發明所提供的技術方案是:
[0008]一種水泥基材料碳化深度測試方法，其包括以下步驟:(I)在特定的模具下養護水泥材料試件；(2)將養護后的試件放入碳化箱加速碳化；(3)對規定碳化齡期的試件進行阻抗譜測試；(4)測量試件的碳化深度；(5)用電化學模型擬合得到電化學參數；所述的電化學模型是能代表水泥碳化的電化學體系，該模型可用電化學模型Rs(Q1 (RrflW1))(Q2(Rct2W2))表示，用軟件 Zsimpwin 擬合；電化學模型 Rs (Q1 (RctlW1)) (Q2 (Rct2W2))中 Rs 代表水泥樣品孔溶液電阻，Q1代表水泥材料內部固/液兩相的雙電層電容，Rctl代表水泥材料內部的離子傳遞過程電阻，W1代表水泥材料內部的離子擴散過程電阻，Q2代表水泥材料與電極板之間的雙電層電容，Rct2代表電極板表面的電荷傳遞過程電阻，W2代表電極板表面的離子擴散過程電阻；(6)根據碳化深度與電化學參數Rrtl的函數關系對后期水泥材料的碳化深度進行無損測試，電化學參數Retl隨碳化齡期呈線性增長規律，建立Retl?t線性關系。
[0009]所述的方法，步驟(I)中所述的水泥材料試件尺寸為160mmX40mmX40mm。
[0010]所述的方法，步驟(I)中所述的特定的模具是指采用專利號ZL201120473976.2中的模具；該模具在水泥材料養護28天后卸除40mmX40mm的兩端電極板,其余160mmX40mm的高絕緣有機聚合板底板、側板和密封板對試件4個側面仍有密封作用。
[0011]所述的方法，步驟(2)中所述的放入碳化箱加速碳化指卸出兩端電極板的模具連同模具內的試件一起放入碳化箱，由于160_X 40mm模板的密封作用，碳化只從試件的40mm X 40mm兩端面向內一維縱向進行。
[0012]所述的方法，步驟(2)中所述的碳化箱加速碳化的環境條件為:二氧化碳濃度為20% ±3%，相對濕度為70% ±5%，溫度為20°C ±5°C。
[0013]所述的方法，步驟(3)中所述的電化學阻抗譜測試儀為283恒電位/恒電流儀、2000型頻率響應檢測儀，輸入信號Single powersine,電極板為Model283at addressl4 ；測試頻率為100.0mHz-1.0OOMHz ;所述的阻抗譜圖包括Nyquist圖和Bode圖。
[0014]所述的方法，步驟(4)中所述的碳化深度測試工具為精度是0.0lmm的數顯游標卡尺，試劑為酚酞試劑，酚酞試劑酒精濃度為I %。
[0015]發明采用專利(ZL201120473976.2)提出的一種用于水泥水化過程電化學阻抗譜在線測試的模具對水泥材料進行全程的養護和碳化測試。首先用該模具配制和養護水泥材料，養護28天后卸掉兩端電極板讓水泥材料接受碳化，需要測試時再將模具兩端裝上電極板即可進行電化學阻抗譜測試，從而跟蹤水泥材料的碳化進程。整個過程水泥一直處于模具中，沒有受到損壞，因而實現了無損測試。由于模具兩端的電極板可卸可裝，因此水泥材料可以重復接受碳化和測試，實現了重復性的測試。模具的拆卸安裝自如也使測試方便可行。
[0016]本發明對水泥材料碳化深度的測試涉及水泥基材料電化學體系的測試。用適當的電化學模型可以代表碳化作用下的水泥材料，組成電化學模型的元件的參數又隨著碳化的進程而發生規律性的變化，與碳化深度的存在數學聯系，因此可以通過電化學參數的規律變化來反映和推算水泥材料的碳化深度。不僅避免像酚酞試劑測試法那樣人工視讀碳化深度產生較大的讀數誤差，而且可節省大量的測試人力和時間。
[0017]本發明的技術方案有以下有益效果：
[0018]1，無損測試。傳統測試碳化深度的酚酞試劑法需要破壞試件，測試完后往往要對構件進行修復，有時該方法對構件的損壞甚至是不能修復的。而本發明的碳化深度測試可以保留試件的完整性，是一種無損檢測。
[0019]2，重復性檢測。現有的酚酞試劑測試法是一次性檢測，試件在測試時未碳化區域染成紫紅色，待該區域被碳化后原紫紅色不會完全褪去，因此無法連續測量下一階段的碳化深度。此外，酚酞試劑測試法對試件產生破壞，即使構件得到修復，其后期的碳化進程也會受到影響，所以再次測出的碳化深度是不準確的。而本發明的測試方法能夠實現對碳化深度的連續實時測試，對碳化進程可以進行重復性的跟蹤檢測。
[0020]3，誤差小。現有的酚酞試劑測試法的讀數誤差往往較大，測試時采用人工量尺測量，往往出現操作不當或視覺疲勞而造成很大的讀數誤差。本發明利用電化學參數與時間，碳化深度之間的數學關系，通過測試碳化作用后的電化學參數來推算碳化深度，因而可以避免人工讀數的誤差。
[0021]4，操作方便。現有的酚酞試劑測試法的工作量很大，在批量檢測往往需要大量的人力和時間，而本發明對碳化深度的測試僅需在試件兩端施加電極就可以跟蹤測試水泥材料的碳化進程。操作方便。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖I電路模型圖；
[0023]圖2試塊模型圖；I水泥材料試件，2海綿墊塊，3不銹鋼電極板；
【具體實施方式】
[0024]以下結合具體實施例，對本發明進行詳細說明。
[0025]實施例一：
[0026]I、制樣：深圳海星小野田水泥有限公司生產的525型復合硅酸鹽水泥，在特制的模具(專利號=ZL 201120473976. 2)中制備水泥凈漿試塊水灰比分別為O. 25,0. 3,0. 4，
O.5,每種水灰比制備24塊試件,試塊尺寸為160mmX 40mmX 40mm。
[0027]2、卸端模板：待水泥試件養護28天后卸除模具的兩端40mmX40mm電極板，其余四個160mmX40mm的高絕緣有機聚合板對試件仍然密封。
[0028]3、碳化：將卸了電極板后的模具連同模具內的試件放入加速碳化箱中，箱內的二氧化碳濃度為20% ±3%，相對濕度為70% ±5%，溫度為20°C ±5°C。
[0029]4、測試：在碳化過程中，對碳化時間為O天，3天，14天，28天，60天，90天的試件進行阻抗譜測試，得出各阻抗譜圖（包括Nyquist圖和Bode圖）。注意：在進行阻抗譜測試前應將模具的電極板重新裝上。
[0030]5、擬合：將測試后的阻抗譜圖用電化學模型Rs(Q1O^1W1)) (Q2(Rct2W2))進行擬合(使用軟件Zsimpwin擬合），得到O天,3天，14天,21天,28天,36天,60天,90天的參數Rctl的值，如O. 4和O. 5水灰比水泥在不同碳化天數的參數Rrtl的值（如表1)，碳化深度實測值(如表2)：
[0031]表1 0-90天參數Rctl值
[0032]
【權利要求】
1.一種水泥基材料碳化深度測試方法，其特征在于，其包括以下步驟：（1)在特定的模具下養護水泥材料試件；(2)將養護后的試件放入碳化箱加速碳化；(3)對規定碳化齡期的試件進行阻抗譜測試；(4)測量試件的碳化深度；（5)用電化學模型擬合得到電化學參數；所述的電化學模型是能代表水泥碳化的電化學體系，該模型可用電化學模型Rs (Q1 (RctlW1))(Q2(Rct2W2))表示，用軟件 Zsimpwin 擬合；電化學模型 Rs (Q1 (RctlW1)) (Q2 (Rct2W2))中 Rs 代表水泥樣品孔溶液電阻，Q1代表水泥材料內部固/液兩相的雙電層電容，Rctl代表水泥材料內部的離子傳遞過程電阻，W1代表水泥材料內部的離子擴散過程電阻，Q2代表水泥材料與電極板之間的雙電層電容，Rct2代表電極板表面的電荷傳遞過程電阻，W2代表電極板表面的離子擴散過程電阻；(6)根據碳化深度與電化學參數Rrtl的函數關系對后期水泥材料的碳化深度進行無損測試，電化學參數Retl隨碳化齡期呈線性增長規律，建立Retl?t線性關系。
2.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，步驟（I)中所述的水泥材料試件尺寸為.160mmX40mmX40mm。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，步驟（I)中所述的特定的模具是指采用專利號ZL201120473976. 2中的模具；該模具在水泥材料養護28天后卸除40mmX40mm的兩端電極板，其余160mmX40mm的高絕緣有機聚合板底板、側板和密封板對試件4個側面仍有密封作用。
4.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，步驟（2)中所述的放入碳化箱加速碳化指卸出兩端電極板的模具連同模具內的試件一起放入碳化箱，由于160mm X 40mm模板的密封作用，碳化只從試件的40mm X 40mm兩端面向內一維縱向進行。
5.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，步驟（2)中所述的碳化箱加速碳化的環境條件為：二氧化碳濃度為20% ±3%，相對濕度為70% ±5%，溫度為20°C ±5°C。
6.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，步驟（3)中所述的電化學阻抗譜測試儀為283恒電位/恒電流儀、2000型頻率響應檢測儀,輸入信號Single powersine,電極板為Model 283 at address 14 ;測試頻率為100. OmHz-1. 000MHz ;所述的阻抗譜圖包括Nyquist 圖和 Bode 圖。
7.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，步驟（4)中所述的碳化深度測試工具為精度是O. Olmm的數顯游標卡尺，試劑為酚酞試劑，酚酞試劑酒精濃度為I %。
【文檔編號】G01N27/26GK103713023SQ201310687973
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月17日 優先權日:2013年12月17日
【發明者】董必欽, 邢鋒, 邱啟文, 向家琪, 黃燦杰, 袁偉鵬, 房國豪, 張健超, 徐偉偉, 王琰帥 申請人:深圳大學