既有污水混凝土构筑物表层混凝土腐蚀深度的测试方法与流程

本发明涉及混凝土耐久性测试技术领域，具体指一种既有污水混凝土构筑物表层混凝土腐蚀深度的测试方法。

背景技术：

随着城市化的不断推进，城市污水产生量和处理量不断增大，因而对各类污水处理设备设施和基础构筑物的耐久性提出了较高的要求。污水储存或处置设施中大量的构筑物为混凝土结构，如污水厂的沉砂池、沉淀池、曝气池、中和反应池，地下工程中的污水处置箱涵，雨污合流深层隧道调蓄工程的混凝土管片等，这些混凝土构筑物长期与污水接触，受酸碱化学物质、微生物、干湿交替、流水冲刷等因素的侵蚀作用，产生粉化、剥落、开裂、钢筋外露、表面呈蜂窝麻面状等破坏，影响了设施的安全使用。许多污水混凝土构筑物在发生明显腐蚀破坏后需要了解剩余混凝土的腐蚀深度，以此为基础对混凝土进行耐久性评估、剩余使用寿命预测和修复方案探索。

由于污水混凝土构筑物受腐蚀较为严重的区域已粉化剥落，既有污水混凝土构筑物表层仅受到了一定程度的溶蚀，且溶蚀深度相对较浅，不会对混凝土整体力学性能和耐久性能产生明显影响，因此现有的力学性能、耐久性能、无损探伤等测试方法测试结果无法反应表层混凝土的腐蚀深度，现有的微观测试方法则只能进行定性表征，尚无污水构筑物表层混凝土腐蚀深度定量化表征方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺失和不足，提出一种既有污水混凝土构筑物表层混凝土腐蚀深度测试方法，准确测试既有污水混凝土构筑物表层混凝土腐蚀深度，从而便于后续对其耐久性状况进行评价。

本发明基于既有污水混凝土构筑物腐蚀破坏特点，借鉴水泥基材料常用的xrf、xrd、sem、eds、x-ct五种微观测试方法，采用xrf分析不同深度粉末样品钙元素含量变化，采用xrd分析不同深度粉末样品ca(oh)2峰强变化，采用sem分析不同深度处水化产物形貌变化，采用eds表征水化产物钙硅比随深度的变化，采用x-ct断层图像分析表征表层混凝土低密实度区域深度，并对每种微观分析方法提出了适用于污水混凝土构筑混凝土芯样的操作步骤。基于多种微观测试方法测试结果的一致性，定量化表征污水构筑物表层混凝土腐蚀深度的思路。

本发明一种既有污水构筑物混凝土表层腐蚀深度的测试方法，包括如下步骤：

a.在既有污水混凝土构筑物表面钻取两个芯样，其中一个芯样干燥后从腐蚀表面开始按一定深度间隔进行分层粉磨，另一个芯样切割出若干个包含腐蚀表面的立方体小试块，并在切割面按一定深度间隔用记号笔进行标记后干燥待用。

b.对样品进行微观测试分析，包括b1对分层粉磨样品微观测试分析和b2对立方体小试块进行微观测试分析。

进一步包括：

b1.1对分层粉磨样品按深度依次进行x射线荧光(xrf)分析，得到不同深度混凝土粉末样品钙元素含量，确定混凝土粉末样品钙元素含量较低区域的深度。

b1.2对分层粉磨样品按深度依次进行x射线衍射(xrd)分析，观察不同深度混凝土粉末样品的ca(oh)2衍射峰，确定无法观察到ca(oh)2衍射峰的粉末样品对应的最大深度。

b2.1对立方体小试块进行扫描电镜(sem)分析，按标记观察不同深度混凝土水化产物的形貌，确定混凝土水化产物形貌受损区域的深度。

b2.2对立方体小试块进行能谱(eds)分析，得到不同深度混凝土水化产物钙硅比，确定水化产物钙硅比明显低于正常值区域的深度。

b2.3对立方体小试块进行x射线断层图像(x-ct)分析，得到混凝土样品扫描图像灰度值，确定灰度值明显偏低区域的深度。

c.综合xrf、xrd、sem、eds、x-ct微观测试的测试结果，定量化表征出既有污水混凝土构筑物表层混凝土腐蚀深度。

进一步，包括如下步骤：

步骤a1所述的钻芯取样采用钻芯取样机从既有污水混凝土构筑物表面钻取2个直径为100mm、长度不低于100mm的芯样，芯样分别通过分层粉磨和切割用于微观测试。分层粉磨的芯样需在40℃烘箱中充分干燥后进行，分层粉磨从芯样表层腐蚀面开始，深度间隔为1mm～1.5mm。

步骤a2用于切割的样品采用高精度切割机从表面切割出含腐蚀表面的截面积为10mm×10mm，深度为10mm的立方体小试块，切割数量满足扫描电镜分析、能谱分析和x-ct断层图像扫描分析需求，每个小试块切割面由表及里用记号笔按深度间隔为0.5mm～1mm进行标记。

进一步，

步骤b1.1所述的x射线荧光分析可以得到不同深度混凝土粉末样品中的si、al、ca、fe、mg、k、na、s、cl元素的含量，并且可以分析钙元素随深度的变化规律。表层混凝土受溶蚀后主要表现为钙元素的溶出，理论上靠近表层的混凝土粉末样品钙元素含量测试结果会偏低，内部混凝土的钙元素含量波动相对较小，因此通过钙元素的含量变化可以判断腐蚀深度。但是受x射线荧光分析测试精度的影响以及骨料中钙对混凝土钙元素测试结果的影响，该方法单独使用只能做定性或半定量判断。

步骤b1.2所述的x射线衍射分析用于测试不同深度混凝土粉末样品中是否含有ca(oh)2，ca(oh)2是混凝土的主要水化产物之一，在受溶蚀或弱酸性腐蚀时，ca(oh)2必定出现流失，因此可以通过不同深度混凝土粉末样品ca(oh)2峰强变化来确定腐蚀深度，这里通过无法观察到ca(oh)2衍射峰的粉末样品对应的最大深度作为腐蚀深度。然而x射线衍射本身是一个定性的分析方法，且样品中的ca(oh)2在制样过程中容易受到碳化而影响结果，该方法单独使用只能定性判断。

步骤b2.1所述的立方体试块扫描电镜分析，主要用于观察不同深度混凝土水化产物的微观形貌。污水构筑物混凝土受到酸溶蚀后，水化产物分解溶出，原来的大片板状水化产物在微观形貌上变为零散的板状水化产物甚至无法观察到板状水化产物。通过立方体小试块侧面的标记可以在扫描电镜下确认目标观察区域所在的深度，根据该深度区域混凝土水化产物的结构的完整性判断该深度的混凝土是否受到腐蚀，然后综合各个深度水化产物的形貌确定腐蚀深度。然而扫描电镜下混凝土的水化产物的形貌的确定本身带有较大的人为主观判断因素，即使结合能谱分析也无法准确无误确认，因此该方法单独使用只能进行定性判断。

步骤b2.2所述的立方体试块能谱分析，可与扫描电镜形貌分析同步进行，在扫描电镜下通过标记找到不同深度区域的板状c-s-h凝胶水化产物，然后对板状凝胶进行小区域能谱面扫描得到钙元素和硅元素的含量并计算c-s-h凝胶的钙硅比，正常c-s-h凝胶的钙硅比在1.6～2.0范围内，但是出现溶蚀后表层混凝土水化产物的钙硅比明显低于1.6，因此可通过能谱分析计算钙硅比随深度变化来确定腐蚀深度。然而能谱分析较为依赖于c-s-h凝胶寻找的准确性，且可能受到凝胶周围砂石的影响，因此该方法单独使用只能做定性或半定量判断。

步骤b2.3所述的立方体试块x射线断层图像(x-ct)分析，沿垂直于小试块腐蚀面进行断层扫描，通过断层图像灰度值沿深度的变化，确定腐蚀深度。x射线透过样品时，入射x射线发生衰减，衰减程度由体素线吸收系数决定，变相地由密度来决定，体素的密度越大，x射线的衰减越大，灰度值越大。当混凝土水化产物受到侵蚀时，被侵蚀部位孔隙率增大，成为低密度区域，反映在检测结果上为受腐蚀区域灰度降低。x-ct断层图像扫描虽然能较为清晰地看出腐蚀区域与未受腐蚀区域的灰度差异，但两者没有准确的界线，只能人为地区划分，因此该方法只能定性或半定量的判断。

进一步，步骤c所述的综合xrf、xrd、sem、eds、x-ct微观测试的测试结果，发现不同微观测试方法得到的腐蚀深度结果具有高度一致性，取五种微观测试结果的平均值，可定量化表征出既有污水混凝土构筑物表层混凝土腐蚀深度。

如上所述，本发明主要是通过对实际污水混凝土构筑物采用不同微观测试方法进行测试时，其测试结果具有高度的一致性，来定量化表征表层混凝土腐蚀深度。虽然单一的测试方法在测试原理上有其固有的缺陷，只能定性或半定量表征，但综合运用不同方法时测试结果之间相互验证，则能够给出相对定量化的腐蚀深度。

附图说明

图1为本发明既有污水混凝土构筑物表层混凝土腐蚀深度的测试方法框图；

图2为本发明实施例污水处置箱涵混凝土不同深度粉末样品x射线衍射分析图；

图3为本发明实施例污水处置箱涵混凝土芯样不同深度微观形貌图；

图4为本发明实施例污水处置箱涵混凝土芯样凝胶类水化产物钙硅比随深度分布曲线图；

图5为本发明实施例污水处置箱涵混凝土芯样x射线断层扫描图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进一步描述

本发明既有污水构筑物混凝土表层腐蚀深度的测试方法(如附图1所示)，包括如下步骤：

a.在既有污水混凝土构筑物表面至少钻取两个芯样品，对其分别进行表面分层粉磨和表面切割；

b.对上述样品进行微观测试分析；

c.综合xrf、xrd、sem、eds、x-ct微观测试的结果，定量化表征出既有污水混凝土构筑物表层混凝土腐蚀深度。

进一步，所述步骤a包括：

步骤a1.一个芯样品干燥后从腐蚀表面开始按一定深度间隔进行分层粉磨；

所述步骤a1.取直径为100mm、长度≤100mm的芯样，在温度40℃烘箱中充分干燥后，分层粉磨从芯样表层腐蚀面开始，深度间隔为1mm～1.5mm；

步骤a2.另一个芯样品切割出若干个包含腐蚀表面的立方体小试块，在立方体小试块切割面按一定深度间隔用记号笔进行标记后干燥待用；

所述步骤a2.切割出含腐蚀表面的截面积为10mm×10mm，深度为10mm的立方体小试块，每个小试块切割面由表及里用记号笔按深度间隔为0.5mm～1mm进行标记。

所述步骤b包括：

步骤b1.对不同深度粉末样品进行微观测试分析；

步骤b2.对立方体小试块进行微观测试分析。

所述步骤c包括：

步骤c1.综合xrf、xrd、sem、eds、x-ct微观测试的测试结果，确定测试结果具有一致性；

步骤c2.以五种微观测试结果的平均值，定量化表征出既有污水混凝土构筑物表层混凝土腐蚀深度。

进一步，所述步骤b1.还包括：

步骤bi.1对不同深度粉末样品进行x射线荧光(xrf)分析，根据不同深度混凝土粉末样品钙元素含量，确定混凝土粉末样品钙元素含量较低区域的深度；

步骤b1.2对不同深度粉末样品进行x射线衍射(xrd)分析，根据不同深度混凝土粉末样品的ca(oh)2衍射峰，确定无法观察到ca(oh)2衍射峰的粉末样品对应的最大深度。

所述步骤b2.还包括：

步骤b2.1对立方体小试块进行扫描电镜(sem)分析，根据不同深度混凝土水化产物的形貌，确定混凝土水化产物形貌受损区域的深度；

步骤b2.2对立方体小试块进行能谱(eds)分析，根据不同深度混凝土水化产物钙硅比，确定水化产物钙硅比明显低于正常值区域的深度；

步骤b2.3对立方体小试块进行x射线断层图像(x-ct)分析，根据混凝土样品扫描图像灰度值，确定灰度值明显偏低区域的深度。

本发明实施例采用上述的测试方法，对上海市某污水处置箱涵的表层混凝土腐蚀深度进行测试。

现场钻芯取样后分别进行分层粉磨和试块切割，分层粉磨深度间隔为1.5mm，粉末样品用于xrf和xrd测试，分层粉磨和编号情况如表1所示。切割得到的立方体小试块尺寸为10mm×10mm×10mm，在切割侧面按0.5mm的深度间隔标记并进行扫描电镜和能谱分析，并从垂直于腐蚀表面方向进行x射线断层扫描分析。

表1污水箱涵混凝土分层粉磨情况

注：1#-a表示距表面深度为1.5mm的混凝土粉末样品

(1)x射线荧光分析

表2污水箱涵混凝土不同深度粉末样品x射线荧光分析结果

从x射线荧光分析的结果来看：

距表面腐蚀深度为1.5mm和3mm处的混凝土粉末样品，其钙元素含量明显低于其他深度的混凝土粉末样品，表明表面3mm范围内混凝土的钙元素有流失。由荧光分析确定的箱涵混凝土腐蚀深度为3mm。

(2)x射线衍射分析

污水处置箱涵混凝土不同深度粉末样品xrd图(如附图2所示)

从x射线衍射分析的结果来看：

距表面腐蚀深度为1.5mm和3mm处的混凝土粉末样品(1#-a和1#-b)，在2θ值为18°左右未发现ca(oh)2特征峰，其他混凝土粉末样品均能发现ca(oh)2特征峰，表明距腐蚀表面3mm范围内混凝土中的ca(oh)2受到侵蚀。由x射线衍射分析确定的箱涵混凝土腐蚀深度为3mm。

(3)扫描电镜分析

表面区域深度(0～1)mm区域

深度(3～4)m区域深度(6～7)mm区域

从扫描电镜分析结果来看(如附图3所示)

与污水直接接触的混凝土表面，砂石基本处于裸露状态，仅有少部分残留的水化产物附着在砂石表面，混凝土腐蚀极其严重；深度(0～1)mm区域，结构不够完整，水化产物处于分散状态，未见大片板状水化产物，混凝土受到较为严重的腐蚀；深度(3～4)mm区域，结构较为完整，能找到大片板状凝胶类水化产物，但也有少量裂纹，表明混凝土受到了一定轻微的腐蚀；深度(6～7)mm区域，凝胶类水化产物形貌完整，表面分布大量颗粒状ca(oh)2晶体，混凝土受腐蚀程度较轻或基本未受腐蚀。由扫描电镜分析确定的箱涵混凝土腐蚀深度为4mm。

(4)能谱分析

表3污水箱涵混凝土样品不同深度水化产物钙硅比

不同深度水化产物钙硅比随深度分布规律(如附图4所示)

从能谱分析结果来看：

距表明深度3mm范围内，混凝土c-s-h凝胶水化产物的钙硅比明显低于1.6，深度大于3.5mm后混凝土中c-s-h凝胶水化产物的钙硅比在正常范围1.6～2.2之间，由能谱分析确定的箱涵混凝土腐蚀深度为3.5mm。

(5)x射线断层图像分析

从x射线断层图像分析结果来看(如附图5所示)：

混凝土样品断层扫描图像白色虚线以上区域灰度值明显高于内部混凝土，该区域为混凝土受侵蚀后形成的低密度区域。低密度区域深度为样品高度(10mm)的40％左右，由x-ct分析确定的箱涵混凝土腐蚀深度为4mm。

(6)腐蚀深度的定量化分析

五种微观测试方法xrf、xrd、sem、eds、x-ct表征得到的表层混凝土腐蚀深度分别为3mm、3mm、4mm、3.5mm、4mm，不同测试方法的测试结果具有较高一致性，取不同测试方法的平均值可定量化地认为污水处置箱涵混凝土的腐蚀深度为3.5mm，该表征结果具有较高的准确性。

综上所述，本发明基于既有污水混凝土构筑物腐蚀破坏特点，借鉴水泥基材料常用的xrf、xrd、sem、eds、x-ct五种微观测试方法，采用xrf分析不同深度粉末样品钙元素含量变化，采用xrd分析不同深度粉末样品ca(oh)2峰强变化，采用sem分析不同深度处水化产物形貌变化，采用eds表征水化产物钙硅比随深度的变化，采用x-ct断层图像分析表征表层混凝土低密实度区域深度的思路。每一测试方法可对表层混凝土腐蚀深度进行定性至半定量分析，实践表明五种微观测试方法的测试结果在表征既有污水混凝土构筑物表层混凝土腐蚀深度的时候具有高度一致性，在很大程度上可将半定量分析的结果定量化，从而可以较为准确地给出既有污水混凝土构筑物表层混凝土腐蚀深度。