专利名称：一种测试混凝土钙离子扩散系数的方法
技术领域：
本发明涉及一种测试混凝土钙离子扩散系数的方法，属于混凝土技术领域。
背景技术：
离子侵入是导致混凝土结构过早破坏的主要因素之一。例如氯离子引起的钢筋锈蚀、硫酸根离子引起的混凝土胀裂、镁离子引起的水化硅酸钙分解等。离子侵入混凝土材料内部的主要过程包括扩散、渗透、毛细吸收、迁移和对流。扩散是其中的一个主要过程。因此，混凝土的离子扩散系数作为混凝土材料耐久性的重要指标对于研究混凝土结构耐久性和寿命预测具有重要意义。确定科学、合理、可靠和有效的试验方法至关重要。目前，混凝土材料离子扩散系数测试方法主要为氯离子扩散系数测试方法。主要有以下几种(1)电通量法，包括国标准材料试验协会标准(ASTM C1202)和美国国家公路与运输标准(AASHTO T277) ； (2)稳态电迁移试验方法，挪威标准试验方法(NT Build355) ；(3)非稳态电迁移试验方法，挪威标准试验方法(NT Build 492)。(4)饱盐电导率法。以上方法只能测试混凝土材料的氯离子扩散系数，迄今为止还没有测试混凝土材料其他离子扩散系数的试验方法。本发明的目的是提出一种混凝土材料钙离子扩散系数测试方法。将混凝土制成薄片试样，然后采用真空仪饱氢氧化钙溶液，之后在一定电压下使钙离子迁移，通过测定钙离子迁移速率来计算钙离子扩散系数。混凝土结构耐久性问题与有害离子侵入密切相关，而由电平衡原理可知，阴、阳离子的扩散必然是同时进行，两者相互影响。因此，研究其它阳离子如钙离子等在混凝土中的迁移能力具有重要意义。同时，钙离子扩散系数与氯离子扩散系数具有相关性，可以用钙离子扩散系数来评价混凝土材料的抗氯离子侵入能力。钙离子是混凝土材料的固有离子，钙离子扩散系数测试方法不会引入其它离子，对混凝土试件无损害。
发明内容
本发明设计的混凝土钙离子扩散系数测试方法，包括以下几个步骤(I)将混凝土切成l_5cm薄片试样；(2)将混凝土试样放入真空保水仪中，然后保持IOOkPa以下的真空度，干抽3小时。保持真空度，向真空饱水仪中注入氢氧化钙饱和溶液，使混凝土试件完全浸入氢氧化钙饱和溶液中，湿抽I小时。停止抽真空，在大气压下，保持混凝土试件在氢氧化钙饱和溶液中浸泡20小时；(3)对饱氢氧化钙溶液的混凝土试件施加60伏直流电压，测定I小时以内钙离子的迁移速率；(4)根据上述电压和钙离子迁移速率，用公式(I)计算混凝土钙离子扩散系数。
式中DCa是钙离子扩散系数(m2/s)，dc/dt是钙离子迁移速率(mol/m3/S)，T是绝对温度(K)，R是气体常数(83. lJ/K/mol), z是钙离子电量(2)，C是饱和氢氧化钙溶液钙离子浓度(O. 0233X 103mol/m3)，F是法拉第常数(9. 65 X 104C/mol)，E是直流电压(60V), V阴极溶液体积(m3)，L是试件厚度(m)，A是混凝土试件横截面积(m2)。混凝土材料的孔结构决定离子扩散系数。对于同一种混凝土材料，不同离子的扩散系数具有相关性。采用并行的氯离子稳态电迁移试验与本发明的测试方法进行比较，本发明测定的钙离子扩散系数与稳态电迁移试验方法测定的氯离子扩散系数间的关系见图
I。试验结果表明钙离子扩散系数与氯离子扩散系数有很好的相关性，本发明测定的钙离子扩散系数准确。本发明的测试方法，确定了相应的测试工艺，能够在25小时内准确测定混凝土材料的钙离子扩散系数，是目前唯一一种可以快速、准确测定混凝土钙离子扩散系数的测试方法。本发明具有以下优点(I)本方法基于离子电迁移理论设计，原理清晰；(2)所用设备简单，实验室、现场均可具备；(3)测量简单，计算简便。(4)可以准确测定混凝土钙离子扩 散系数，对混凝土试件无损伤。(5)本方法测定的钙离子扩散系数与稳态电迁移试验方法测定的氯离子扩散系数有良好的相关性，可以换算氯离子扩散系数。
图I是本发明测定的钙离子扩散系数与稳态电迁移试验方法测定的氯离子扩散系数间的关系图。
具体实施例方式测试基本原理为离子电迁移理论。混凝土材料经过真空饱氢氧化钙溶液处理后，可以假定孔溶液为饱和氢氧化钙溶液。通过施加一定的直流电压，使钙离子在电压的驱动下形成稳定的迁移流。此时，混凝土钙离子扩散系数决定钙离子的迁移速率。通过测定钙离子迁移速率则可计算钙离子扩散系数。理论计算公式为Nernst-Plank公式。试样制备包括两部分一是将混凝土切成适当厚度的薄片；二是将混凝土试样进行真空饱氢氧化钙溶液。混凝土试样的厚度取决于骨料最大粒径尺寸，对于普通混凝土可取5cm。进行渗透性相对比较或定性比较时，可小于5cm，但不应小于1cm，以避免混凝土试件中出现连通的大孔。饱氢氧化钙溶液处理可采用自然浸泡方法，即将混凝土试样浸泡于饱和氢氧化溶液中，浸泡时间为4-8周；也可采用真空饱氢氧化钙溶液，具体工艺为将混凝土试样垂直放置在真空仪中，试样之间保证Icm以上的间距，然后保持IOOkPa以下的真空度，干抽3小时。保持真空度，向真空饱水仪中注入氢氧化钙饱和溶液，使混凝土试件完全浸入氢氧化钙饱和溶液中，湿抽I小时。停止抽真空，在标准大气压下，保持混凝土试件在氢氧化钙饱和溶液中浸泡20小时。饱和氢氧化钙溶液由蒸馏水和分析纯氢氧化钙试剂配制。钙离子迁移速率测定采用稳态电迁移试验方法(NT Build 355)试验槽。阴极槽中钙离子浓度测定可采用EDTA滴定法、离子色谱法或火焰发射光谱法进行测定。启动60伏直流电压后，每隔12分钟从下游槽中取5ml溶液。I小时试验结束后测定5个样品的钙离子浓度，并计算钙离子迁移速率。根据钙离子迁移速率和公式(I)可得到钙离子扩散系数。试验温度为20 ±5°C。实施例一试样北京工业大学来样，配合比见表I。其中O. 450PC为基准混凝土，水胶比为
O.45，O. 380PC降低T用水量，水胶比为O. 38，O. 45PFA掺入了粉煤灰，O. 45GGBS掺入了矿渣，O. 45MS掺入了硅灰。 将20cmX20cmX20cm来样用混凝土取芯机沿浇筑方向钻取直径为IOcm的圆柱体。在圆柱体中部用混凝土切割机切取厚度为5cm的混凝土薄片试样进行测试。混凝土钙离子扩散系数测定结果见表2。表I混凝土试样配合比
权利要求
1. 一种测试混凝土钙离子扩散系数的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤 (1)将混凝土切成l-5cm薄片试样； (2)将混凝土试样放入真空保水仪中，然后保持IOOkPa以下的真空度，干抽3小时；保持真空度，向真空饱水仪中注入氢氧化钙饱和溶液，使混凝土试件完全浸入氢氧化钙饱和溶液中，湿抽I小时；停止抽真空，在大气压下，保持混凝土试件在氢氧化钙饱和溶液中浸泡20小时； (3)对饱氢氧化钙溶液的混凝土试件施加60伏直流电压，测定I小时以内钙离子的迁移速率； (4)根据上述电压和钙离子迁移速率，用公式(I)计算混凝土钙离子扩散系数； Dca=i^T)il§^)ivl)(I) 式中=Dea是钙离子扩散系数，单位为m2/s，dc/dt是钙离子迁移速率，单位为mol/mVs，T是绝对温度，单位为K，R是气体常数，z是钙离子电量，为2，C是饱和氢氧化钙溶液钙离子浓度，为O. 0233X 103mol/m3，F是法拉第常数，E是直流电压，为60V，V阴极溶液体积，单位为m3，L是试件厚度，单位为m，A是混凝土试件横截面积，单位为m2。
全文摘要
本发明涉及一种混凝土钙离子扩散系数测定方法，将混凝土切成薄片试样，放入真空保水仪中，干抽，然后向真空室中注入氢氧化钙饱和溶液，湿抽，使混凝土饱氢氧化钙溶液。对试样施加电压，测定钙离子迁移速率。根据Nernst-Plank公式计算钙离子扩散系数。混凝土钙离子扩散系数可以用来评价混凝土的渗透性。本发明的优点是可以测定混凝土的钙离子扩散系数，方法简单，数据准确可靠，既适用于普通混凝土，也适用于高性能混凝土。
文档编号G01N13/00GK102621041SQ20121010677
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月12日 优先权日2012年4月12日
发明者兰明章, 李悦, 杨进波 申请人:北京工业大学