混凝土酸性化深度三維（3D）測(cè)試方法

蔡老虎

南京生物醫(yī)藥谷建設(shè)發(fā)展有限公司（210000）

0 前言

混凝土材料是當(dāng)代偉大的發(fā)明之一，有著抗壓強(qiáng)度高、耐久性好等顯著優(yōu)點(diǎn)。然而，隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，大氣污染問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重，工業(yè)生產(chǎn)排放出大量的CO2、SO2、H2S等大氣污染物。這些酸性氣體在大氣中被轉(zhuǎn)化為物硝酸和硫酸等二次污染物[1]，二次污染物通過(guò)降水等形式形成酸雨（pH值低于 5.6）。

越來(lái)越多的學(xué)者通過(guò)室內(nèi)加速試驗(yàn)進(jìn)行酸雨環(huán)境下混凝土耐久性研究，酸性化深度是衡量混凝土耐久性的一項(xiàng)重要指標(biāo)[2]。檢測(cè)混凝土酸性化深度常用的方法是一維檢測(cè)方法，即檢測(cè)混凝土試塊各個(gè)面的酸性化或中性化深度，再取平均值[3]。牛建剛則提出了混凝土二維中性化深度的測(cè)量方法，可采用交點(diǎn)法或直角三角形法進(jìn)行檢測(cè)[4]。

傳統(tǒng)檢測(cè)方法屬于半破損性檢測(cè)方法，會(huì)對(duì)混凝土產(chǎn)生損傷且對(duì)后續(xù)檢測(cè)的擾動(dòng)較大，檢測(cè)面的選取也不能全面反映混凝土試件酸性化深度變化情況，具有一定的隨機(jī)性[5]。為此，文章介紹了一種酸性化三維（3D）測(cè)試模具，是一種用于混凝土酸性化深度三維（3D）測(cè)試的模具，可以準(zhǔn)確測(cè)量混凝土酸性化深度，科學(xué)反應(yīng)侵蝕離子在混凝土內(nèi)部侵蝕深度，適用的測(cè)量范圍大，采樣次數(shù)不受限制，利于對(duì)混凝土酸性化過(guò)程進(jìn)行長(zhǎng)期研究[6]。

1 試驗(yàn)用原材料

本試驗(yàn)使用的基準(zhǔn)混凝土配合比見表1。水泥選用盤固水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5水泥；粉煤灰采用南京悅力電廠的I級(jí)粉煤灰；細(xì)骨料采用河砂，細(xì)度模數(shù)為2.6，Ⅱ區(qū)中砂；粗骨料采用5~20 mm連續(xù)級(jí)配石灰石質(zhì)碎石。

室內(nèi)加速試驗(yàn)用模擬酸液的配置：使用蒸餾水、硫酸配置pH為2的模擬酸性水侵蝕溶液，并根據(jù)酸性水模擬液侵蝕過(guò)程中pH變化調(diào)整溶液所需硫酸、硝酸用量。

表1 混凝土配合比

2 混凝土酸性化深度三維（3D）測(cè)試方法

酸雨環(huán)境下，混凝土酸性化深度是反映混凝土耐久性的重要指標(biāo)。目前常用的混凝土酸性化檢測(cè)方法有劈裂法、鉆孔法及牛建剛提出的混凝土二維中性化深度測(cè)量方法。

2.1 混凝土酸性化腐蝕機(jī)理

混凝土酸性化是指周圍環(huán)境中的酸性氣體或液體與混凝土的堿性物質(zhì)發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，從而致使混凝土結(jié)構(gòu)酸化的過(guò)程。當(dāng)侵蝕深度超過(guò)混凝土保護(hù)層厚度，酸性侵蝕離子會(huì)破壞鋼筋的保護(hù)膜，使得鋼筋發(fā)生銹蝕。鋼筋一旦發(fā)生銹蝕，會(huì)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的安全服役產(chǎn)生不良的影響，鋼筋的韌性、強(qiáng)度都會(huì)下降，混凝土結(jié)構(gòu)的承載力也會(huì)相應(yīng)降低。

酸性化深度檢測(cè)則是混凝土酸性化研究的關(guān)鍵所在，準(zhǔn)確合理的檢測(cè)數(shù)據(jù)是研究的基礎(chǔ)。當(dāng)前，常規(guī)的檢測(cè)方法具有隨機(jī)性、不連續(xù)、不準(zhǔn)確等特點(diǎn)。為此，我們提出了混凝土酸性化深度三維（3D）測(cè)試方法，利用相應(yīng)的檢測(cè)模具，提高檢測(cè)數(shù)據(jù)的科學(xué)性、合理性、連續(xù)性。

2.2 用劈裂法和鉆孔法檢測(cè)混凝土酸性化深度

劈裂法和鉆孔法是常用的檢測(cè)混凝土酸性化深度的方法。將標(biāo)準(zhǔn)混凝土試塊浸泡于模擬酸液中，達(dá)到相應(yīng)齡期后，將試塊劈開，在相應(yīng)區(qū)域均勻噴酚酞，無(wú)色區(qū)域即為混凝土酸性化區(qū)，使用游標(biāo)卡尺測(cè)定酸性化區(qū)的深度，取平均值即為混凝土試塊酸性化深度。

鉆孔法檢測(cè)屬于半破損性檢測(cè)方法，使用適當(dāng)?shù)墓ぞ咴谙鄳?yīng)侵蝕齡期的混凝土試塊表面鉆取相應(yīng)孔洞，然后使用酚酞對(duì)孔洞內(nèi)進(jìn)行均勻噴涂，無(wú)色區(qū)域即為混凝土的酸性化區(qū)。使用碳化（酸性化）深度測(cè)定儀或游標(biāo)卡尺檢測(cè)酸性化區(qū)深度，取平均值即為混凝土試塊的酸性化深度。

上述檢測(cè)方法屬于一維、二維的檢測(cè)方法，存在如下特點(diǎn)：1）檢測(cè)點(diǎn)、檢測(cè)區(qū)域的選取具有隨機(jī)性，不能全面反映混凝土侵蝕區(qū)域的酸性化情況；2）破損法檢測(cè)方法使得試驗(yàn)研究過(guò)程中檢測(cè)數(shù)據(jù)不具有連續(xù)性、代表性、同一性；3）進(jìn)行長(zhǎng)齡期研究需要很多的檢測(cè)試塊，試驗(yàn)的工作量大；4）破損面粗糙、不平整導(dǎo)致試劑變色界限不易確定。

2.3 混凝土酸性化深度三維（3D）測(cè)試方法

準(zhǔn)確地進(jìn)行混凝土酸性化深度檢測(cè)是混凝土酸性化研究的關(guān)鍵技術(shù)。隨著酸性離子腐蝕的進(jìn)行，酸性離子的滲入會(huì)導(dǎo)致混凝土pH值降低。pH值的降低會(huì)對(duì)混凝土及鋼筋產(chǎn)生不良的影響，此過(guò)程即為混凝土酸性化過(guò)程。酚酞在酸性及中和的溶液為無(wú)色，使用酚酞可以較好地進(jìn)行酸性化區(qū)域的判定。

酸性水環(huán)境下侵蝕溶液對(duì)混凝土的腐蝕是一個(gè)立體的過(guò)程，因此，有必要設(shè)計(jì)一個(gè)混凝土酸性化深度三維（3D）測(cè)試的模具。利用球面立體化的特點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種用于混凝土酸性化深度三維（3D）測(cè)試的模具，如圖1和圖2所示。

圖1 酸性化深度測(cè)試模具剖視圖

圖2 酸性化深度測(cè)試模具俯視圖

隨著時(shí)間的推移，腐蝕離子通過(guò)混凝土孔隙逐步向上侵蝕?；炷两Y(jié)構(gòu)主要為堿性物質(zhì)，酸性侵蝕離子與混凝土中的水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，致使其溶解、溶出?；炷羶?nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，被腐蝕區(qū)域開始酸化，pH值慢慢下降。我們利用混凝土酸性化深度三維（3D）測(cè)試的模具成型了特殊試塊，先在模具的內(nèi)壁涂刷潤(rùn)滑液以形成一層潤(rùn)滑膜，然后灌注水泥基材料，振搗抹平后，將密封蓋固定，一天后脫膜成型。養(yǎng)護(hù)28 d后，試塊除了接觸酸性侵蝕溶液的一個(gè)底面外，其余面均用加熱石蠟進(jìn)行密封處理。將試塊放置于腐蝕溶液中進(jìn)行加速腐蝕，相應(yīng)齡期后對(duì)試塊的球缺形封蠟表面作去蠟處理，并作清潔、干燥處理，隨即在試塊球形內(nèi)弧面噴酚酞形成變色弧面，然后選取4～8個(gè)測(cè)量點(diǎn)，用卡尺分別測(cè)出弦長(zhǎng)，根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸，算出測(cè)點(diǎn)的酸性化深度，取均值即為該齡期混凝土的酸性化深度。測(cè)完后進(jìn)行干燥處理，對(duì)球形表面作封蠟處理，便可繼續(xù)進(jìn)行酸性腐蝕試驗(yàn)。

酸性離子對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕實(shí)質(zhì)上是一種立體三維、持續(xù)的過(guò)程，常規(guī)的檢測(cè)方法只能進(jìn)行二維、間斷地檢測(cè)。利用混凝土酸性化深度三維（3D）測(cè)試的模具成型的特殊試塊，其球形內(nèi)弧面有效提供了酸性離子的三維侵蝕空間，其侵蝕弧面模擬了一個(gè)立體侵蝕的過(guò)程，且同一個(gè)試塊可以連續(xù)使用。在相應(yīng)的腐蝕齡期，腐蝕離子在球形弧面上形成腐蝕區(qū)，可根據(jù)科研檢測(cè)需求對(duì)試塊進(jìn)行三維和連續(xù)的檢測(cè)。

圖3 酸性化深度測(cè)試模具剖視圖尺寸（mm）

我們選取了科研檢測(cè)中常用的劈裂法進(jìn)行混凝土酸性化深度進(jìn)行對(duì)比檢測(cè)，如圖4所示。檢測(cè)結(jié)果顯示，不同齡期的混凝土酸性化深度數(shù)據(jù)缺乏連續(xù)性，檢測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)了上下波動(dòng)的情況，甚至出現(xiàn)了長(zhǎng)腐蝕齡期的酸性化深度低于短齡期的情況。分析原因?yàn)椋捎谂逊▽儆谄茡p性檢測(cè)方法，同一個(gè)試塊只能檢測(cè)一次，鑒于試驗(yàn)過(guò)程成型的混凝土試塊或多或少存在一定的差異性，混凝土的酸性化腐蝕速率也不盡相同。因此，不同齡期檢測(cè)的試塊都是不同的試塊，檢測(cè)數(shù)據(jù)缺乏同一性和連續(xù)性，采樣次數(shù)也受到成型試塊數(shù)量的限制。

如圖4、圖5所示，我們利用混凝土酸性化深度三維（3D）測(cè)試方法對(duì)酸性水環(huán)境下的混凝土進(jìn)行持續(xù)、不間斷地檢測(cè)、監(jiān)測(cè)。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在強(qiáng)酸（pH為2）環(huán)境下，混凝土的酸性化腐蝕速率較快，其腐蝕系數(shù)也高于pH為4的酸性環(huán)境。擬合曲線也顯示，酸性化腐蝕是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程。

圖4 不同p H值混凝土酸性化深度曲線（常規(guī)方法）

圖5 不同p H值混凝土酸性化深度曲線（3D法）

圖6 pH值與酸性化速度系數(shù)關(guān)系（3D法）

3 結(jié)語(yǔ)

利用混凝土酸性化深度三維（3D）測(cè)試方法可對(duì)酸性水環(huán)境下的混凝土進(jìn)行持續(xù)、不間斷地檢測(cè)、監(jiān)測(cè)，有效避免了傳統(tǒng)測(cè)試方法的弊端，具有測(cè)量區(qū)域立體性、測(cè)量值準(zhǔn)確性高等特點(diǎn)，科學(xué)反應(yīng)侵蝕離子在混凝土內(nèi)部侵蝕深度，適用的測(cè)量范圍大，采樣次數(shù)不受限制，利于對(duì)混凝土酸性化過(guò)程進(jìn)行長(zhǎng)期研究。