一種基於多重內反射紅外光譜的混凝土滲透性的檢測方法

2023-06-10 15:56:06

專利名稱：：一種基於多重內反射紅外光譜的混凝土滲透性的檢測方法
技術領域：
：本發明涉及一種混凝土滲透性的檢測方法，尤其是涉及一種基於多重內反射紅外光譜(MIR-FTIR)技術的混凝土滲透性的檢測方法。
背景技術：
：近幾年來，鋼筋混凝土結構的耐久性和安全性問題已引起廣泛的高度重視，並開展了大量相關的研究。對於鋼筋混凝土結構的耐久性和安全性的研究和設計，長期以來都相當程度地建立在對混凝土密實性或滲透性的評價。混凝土材料的滲透性已成為評價其質量的一個重要參數。混凝土的滲透性是指氣體、液體、離子或化學分子在壓力、化學勢、電場或濃度場的作用下，在混凝土中的定向滲透、擴散、遷移的難易程度。鋼筋混凝土結構的耐久性與混凝土滲透性關係密切。譬如混凝土碳化是由於C02氣體滲入混凝土層並與其中的Ca(OH)2或水化矽酸藥等水泥水化產物反應所致；混凝土的化學侵蝕是由於水及侵蝕性離子滲入混凝土，並發生化學反應造成的；鋼筋的鏽蝕是由於氯離子的滲透，對鈍化膜的侵蝕破壞所致；而混凝土的凍融破壞是由於滲入混凝土的自由水在低溫下結冰凍漲引起的。Feldman在第八屆國際水泥化學會議上指出"對耐久性的若干研究表明，滲透性是影響混凝土耐久性的最重要的一個因素"。一般來說，滲透性能低的混凝土必然具有強的抵抗環境中侵蝕性介質侵入和腐蝕的能力，因此混凝土的抗滲性可成為鋼筋混凝土耐久性一個重要評價指標。混凝土的滲透性包括透水性、透氣性、透分子或透離子性等，目前已發展了多種有關混凝土滲透性測試方法。由於混凝土中水的滲透可能導致多種形式的鋼筋混凝土結構的破壞，目前國內外對混凝土抗水滲透性研究的最多。樂美龍等人開發了兩種滲透係數測試裝置。我國水工、港工採用快速抗滲試驗法，如SD105-82《水工混凝土試驗規程》採用一次加壓法，恆壓24h後劈開試件，測試平均滲水高度，並以此計算滲透係數。Khatri等人對比了水滲透量和滲透高度兩種測試混凝土滲透性能的方法，認為對於滲透性較高的混凝土，流量法較合適，而對於抗滲性較高的混凝土，採用滲透高度法較合適。然而，以水為滲透介質時，由於水泥的繼續水化、物質的遷移、毛細管結構的改變等使滲透過程難以達到穩態，因此水的滲透係數難以準確測量。Kollek等在1999年提出混凝土中02滲透係數的Cembureau測試方法，在國際上獲得廣泛接受，並於同年由RIEM組織作為測量標準予以推薦。該方法的原理為給試樣施加穩定的氣壓，記錄在此壓力下通過混凝土試樣的氣體流量，再轉換成滲透係數，以此來評價混凝土的02滲透性能。由於透過混凝土的氣體流量極小，該方法採用皂膜流量計。為滿足試樣周邊的密封要求，還必須採用輪胎式的結構。該方法雖然測試精度較高，但測試程序十分繁瑣，不易實施。此外，國內外還有不少工作是應用電學或電化學法對混凝土滲透性的快速評價，其中ASTMC1202法是一種快速測量混凝土中氯離子滲透性最常用的方法。該方法是通過給受檢混凝土兩端施加60V直流電壓，測量6h通過的電量來評價混凝土抗滲性能。該方法的主要缺點是，通電過程溶液會溫升，可加速氯離子的擴散，使實測電量偏大；另外，銅網在電解質溶液(NaCl、NaOH)中通電電解時會發生嚴重的鏽蝕，從而影響銅網的導電。總之，目前各種測量混凝土滲透性的方法都存在不同程度的缺憾,發展新的測試方法顯得十分必要。傅立葉變換紅外(FTIR)光譜被廣泛地應用於物質化學組成和結構的測定。傅立葉紅外衰減全反射(FTIR-ATR)技術是指一束光進入具有高折射指數的晶體，在晶體與樣品(有低折射指數)的界面入射角大於臨界角，所有光束幾乎完全由此界面上反射(全反射)。光束末稍穿入反射表面並反射回來。若與晶體接觸的樣品表面對光束有選擇性吸收，則穿入反射表面的光束在某些波長的能量因被吸收而減弱，所得的反射譜也具有吸收譜的特點。通常一次反射能量的變化相當小，所得的吸收譜帶很弱。若增加全反射的次數，則可使吸收帶增強，這就是多重內反射。圖1為多重內反射傅立葉變換紅外光譜的原理示意圖。由於入射光能被部分衰減的程度與樣品的吸收特性、穿透深度以及多次內反射中與樣品的接觸次數有關，因此光譜強度取決於穿透深度dp、反射次數和樣品與MIR晶體緊密結合情況以及樣品本身的吸收大小。根據麥克斯韋理論，全反射光束穿透樣品的厚度遵循下列公式formulaseeoriginaldocumentpage4，式中2:光束在內反射晶體中的波長；n1:內反射晶體的折射率；n2:樣品的折射率；dp:光透入樣品的垂直深度，即穿透深度；e:入射角。可知，光輻射的穿透深度與(l)光束在反射晶體內的波長義、(2)內反射晶體的折射率(晶體材料)與樣品的折射率之比m/tl2(MIR晶體一般採用鍺、矽、硒化鋅等折射率高的晶體)和(3)入射角S有關。穿透深度與義成正比，不同波長的光透入樣品層的深度不同，波長越大，穿透深度越大，在入射角大於臨界角的情況下，入射角越接近臨界角，穿透深度越大，穿透深度一般為幾百納米至幾微米之間。
發明內容本發明的目的在於提供一種操作簡便、操作靈敏高、數據直觀可靠、可連續動態測量各種物種在混凝土中的傳輸特性，對於混凝土材料滲透性的評價具有十分重要的實際意義的基於多重內反射紅外光譜的混凝土滲透性的檢測方法。本發明從分子水平研究混凝土界面反應，提出將多重內反射傅立葉變換紅外光譜(MIR-FT1R)技術應用於混凝土滲透性檢測，設計了合理的實驗裝置，實現了混凝土滲透性的原位、無損、多物種的動態檢測，評價混凝土的滲透性，從分子水平研究混凝土界面反應。本發明的具體步驟如下1)混凝土試片的製備將混凝十試片在室溫下溼養護，按要求的厚度切片，打磨，乾燥；2)MIR-FTIR測試用傅立葉變換紅外光譜儀進行測量，採集乾燥混凝土試樣/全內反射晶片界面的紅外譜圖作為背景，向電解池注滿待測溶液後，採集不同滲透時間的紅外譜圖，直到譜峰強度不再增長。所述的電解池可採用有機玻璃電解池、玻璃電解池或各種高分子聚合物電解池。混凝土試樣的尺寸可採用長50mmx寬10mmx厚(110)mm的混凝土試樣。全內反射晶片採用KRS-5，鍺或矽。電解池敞開的-面用粘結劑連接在混凝土試片表面，電解池側面設有圓孔，圓孔用於測試溶液或氣體的進出。全內反射晶片採用紅外全內反射晶片，全內反射晶片的尺寸可採用50mmX10mmX3mm。用傅立葉變換紅外光譜儀進行測量的光以2070°入射，全反射次數為530次。穿透深度dp可根據不同樣品、光入射角、紅外全內反射晶片材料等參數確定，約為501000nm。由於本發明從分子水平研究混凝土界面反應，提出將多重內反射傅立葉變換紅外光譜(MIR-FTIR)技術應用於混凝土滲透性檢測，設計了合理的實驗裝置，實現了混凝土滲透性的原位、無損、多物種的動態檢測，評價混凝土的滲透性，從分子水平研究混凝土界面反應。因此本發明提供了一種操作簡便、操作靈敏高、數據直觀可靠、可連續動態測量各種物種在混凝土中的傳輸特性，對於混凝土材料滲透性的評價具有十分重要的實際意義的基於多重內反射紅外光譜的混凝土滲透性的檢測方法。圖l為本發明實施例的多重全反射應用原理示意圖。在圖1中，各代號為全反射晶片l，光束2，樣品3和4，2e為反射光夾角，《為樣品厚度。圖2為本發明實施例的MIR-FTIR測量混凝土試樣滲透性裝置結構示意圖。圖3為本發明實施例的水滲透過不同厚度(水泥與砂比例為1:2)混凝土，紅外譜峰強度隨時間的變化曲線。在圖3中，橫坐標為波數Wavenumbers(cm")，縱坐標為紅外譜峰強度Absorbance;(a)水泥厚度為2mm，從下至上，時間為2，10，20，30，40，50，60s;(b)水泥厚度為3mm，從下至上，時間為2，10，20，30，40，70s;(c)水泥厚度為5mm，從下至上，時間為2，13，24，35，46，60，105，305s。圖4為本發明實施例的水滲透過不同砂率的混凝土片紅外譜峰強度隨時間變化曲線。在圖4中，橫坐標為波數Wavenumbers(cm")，縱坐標為紅外譜峰強度Absorbance;(a)C:S=l:2，時間從下至上為2，10，20，30，50，60s;(b)C:S=l:l，從下至上為0，35，50，65，85，145，265,145min;(c)C:S=l:0.5，從下至上為0，20，30，75，105，165'265，570min。圖5為本發明實施例的MFP溶液滲透過混凝十.(C:S:H20=1:1:0.3)紅外譜峰強度隨時間變化曲線。在圖5中，橫坐標為波數^^^皿!1^1"3(:(^1)，縱坐標為紅外譜峰強度Absorbance;從下至上為2，15，30，55，95，120，160，200，240s。具體實施例方式下面通過實施例對本發明作詳細說明。(1)試片厚度對混凝土滲透性的影響圖3為多重內反射紅外光譜檢測到在不同厚度2mm(a)，3mm(b)，5mm(c)(水泥與砂比例為1:2)混凝土試片中水滲透的動態過程。表1列出了水的最大吸光率和達最大吸光率所需的時間。圖中寬譜峰31003650cm"是H-O-H伸縮振動峰，而16251645cm"則是H-0鍵的彎曲振動峰。可以看出，水在混凝土試片中的傳輸過程是很快速的，對於厚度2mm混凝土試片2秒內即可在界面檢測到明顯的水峰信號，隨後水峰信號隨時間不斷增強，60秒後即趨於飽和。而當混凝土厚度增大，通過水通過混凝土層傳輸到達界面的時間顯著增長。測試發現，當混凝土厚度從2mm增大到3mm時，同樣時間內水傳輸的量降低了約10倍。實驗表明，混凝土層的厚度是阻滯水傳輸的一個最主要的因素。還可以考察混凝土密實度，混凝土中水泥/砂比，溼度，溫度等因素對水傳輸行為和速度的影響。同時還說明，利用原位多重內反射紅外光譜檢測混凝土層中水傳輸具有極高的靈敏度，原則上可檢測到界面單分子的水層，而且可進一步進行定量分析，這是目前其它測試技術所不能比擬的。(2)試片密實度對混凝土滲透性的影響圖4為多重內反射紅外光譜檢測到在水泥與砂比例分別為(水灰比為30%)C:S=l:2(a)，C:S=l:1(b),C:S=l:0.5(c)的混凝土試片中水滲透的動態過程。表1列出了最大吸光率和達最大吸光率所需時間。表1水透過不同含砂率的混凝土達到的最大吸光率值及所需時間tableseeoriginaldocumentpage7從圖表中可以明顯看出，隨著含砂量的降低，達到最大吸光率所需時間逐漸加長，最大吸光率值逐漸減小。實驗表明，水的傳輸速度和傳輸量均隨混凝土的水泥/砂比的增加而顯著降低，當混凝土的砂灰比從2:1提高到1:2時，對水的滲透性可降低約3500倍。混凝土的水泥/砂比越高，混凝土層中水的滲透越困難，也就是混凝土的抗滲透性能越強。但這種變化趨勢並不與砂灰比的數值呈線性關係。(3)單氟磷酸鈉在混凝土中滲透作用單氟磷酸鈉(Na2P03F，MFP)是一種無毒的無機遷移型緩蝕劑，是一種重要的鋼筋混凝土體系緩蝕劑。MFP的作用主要基於兩個方面1、滲透進入混凝土孔隙，與孔隙液反應生成難溶化合物，使混凝土更緻密；2、通過與鋼筋表面作用實現對鋼筋的保護。由此可見，MFP的緩蝕作用主要依賴於在混凝土中的傳輸行為和傳輸速度。然而，目前還難以對MFP在混凝土中的傳輸行為和傳輸速度進行原位、動態和分子水平的研究。圖5為應用多重內反射紅外光譜法檢測到的MFP在混凝土試片(C:S:H20=1:1:0.3，試片厚度0.3mm)中滲透過程，譜峰強度隨時間變化。圖中出現兩個特徵譜峰，其中，較強寬譜峰1125cm"是P—0單鍵的伸縮振動峰，較窄譜峰1039cm—1是？=0雙鍵的伸縮振動峰。所以，譜峰強度隨時間的增長反映了單氟磷酸鈉在混凝土試片中的滲透過程的動態行為。結果表明，單氟磷酸鈉在混凝土試片中的傳輸過程的速度較快，隨著時間的增長，單氟磷酸鈉濃度不斷增大，在界面發生累積，從而發揮顯著的緩蝕作用。但與同樣厚度，同種配比的混凝土試片中水的滲透相比，MFP達到最強譜峰所用的時間較長，這說明，MFP在混凝土層中的滲透速度比水在同樣條件下的滲透速度慢。綜上表明，基於多重內反射紅外光譜的混凝土滲透性檢測新方法，可實現對混凝土滲透性的原位、無損、多物種的動態檢測，評價混凝土的滲透性，從分子水平研究混凝土界面反應。該方法靈敏極高、數據科學、直觀可靠、操作簡便、可連續動態測量各種物種在混凝土中的傳輸特性，對於混凝土材料滲透性的評價具有獨特的優越性和重要的實用意義。1.MIR-FTIR檢測混凝土滲透性的測量裝置設計圖2為MIR-FTIR檢測混凝土試樣滲透性的裝置示意圖。該裝置設有紅外光源22、有機玻璃(玻璃或各種高分子聚合物)電解池23、全內反射晶片(KRS-5，鍺或矽)24和檢測器25，混凝土試樣21的尺寸為50mmX10mmX不同的厚度；其中，電解池23的尺寸為長50mm,寬10mm，厚l10mm，敞開的一面用粘結劑連接在混凝土試片表面，電解池側面留有2個直徑03-3.0mm的圓孔，用於測試溶液或氣體的進出。採用的紅外全反射晶體尺寸50mmX10mmX3mm。光以2070。入射，全反射次數為530次。穿透深度dp可根據不同樣品、光入射角、紅外全反射晶體材料等參數約為501000nm。2.混凝土試片的製備混凝土試片可按具休實驗要求製作，採用3種不同質量比製作，即水泥水砂為1:0.3:2;1:0.3:1和1:0.3:0.5;混凝土試片厚度分別為2mm,3mm,5mm，製成9種試片。制好的試片16d後脫掉模具，在室溫下溼養護1020d，用金鋼石鋸片按要求的厚度切片，用細砂紙打磨，測試前應放置在乾燥器中充分乾燥，備用。3.MIR-FTIR測試可用各種商品化傅立葉變換紅外光譜儀進行測量。應用FTIR380智能型傅立葉變換紅外光譜儀(美國Nicolet公司)連用Model300continuouslyvariableATR(美國Spectra-Teeh公司)原位研究H20和MFP(單氟磷酸鈉)溶液在混凝土中的滲透量隨時間的變化。測試時，在向電解池注入溶液前，先採集乾燥混凝土試樣/鍺晶片界面的紅外譜圖作為背景。向電解池注滿待測溶液後，採集不同滲透時間時的紅外譜圖，直到譜峰強度不再增長，此間試樣在樣品室內位置保持不動，測量參數及光路也完全不變。權利要求1.一種基於多重內反射紅外光譜的混凝土滲透性的檢測方法，其特徵在於具體步驟如下1)混凝土試片的製備將混凝土試片在室溫下溼養護，按要求的厚度切片，打磨，乾燥；2)MIR-FTIR測試用傅立葉變換紅外光譜儀進行測量，採集乾燥混凝土試樣/全內反射晶片界面的紅外譜圖作為背景，向電解池注滿待測溶液後，採集不同滲透時間的紅外譜圖，直到譜峰強度不再增長。2.如權利要求l所述的一種基於多重內反射紅外光譜的混凝土滲透性的檢測方法，其特徵在於所述的電解池為有機玻璃電解池、玻璃電解池或高分子聚合物電解池。3.如權利要求l所述的一種基於多重內反射紅外光譜的混凝土滲透性的檢測方法，其特徵在於混凝土試樣的尺寸為長50mmx寬10mmx厚(110)mm的混凝土試樣。4.如權利要求l所述的一種基於多重內反射紅外光譜的混凝土滲透性的檢測方法，其特徵在於全內反射晶片為KRS-5晶片，鍺晶片或矽晶片。5.如權利要求l所述的一種基於多重內反射紅外光譜的混凝土滲透性的檢測方法，其特徵在於所述電解池的敞開一面用粘結劑連接在混凝土試片表面，電解池側面設有用於測試溶液或氣體的進出圓孔。6.如權利要求1或4所述的一種基於多重內反射紅外光譜的混凝土滲透性的檢測方法，其特徵在於全內反射晶片的尺寸為50mmX10mmX3mm。7.如權利要求l所述的一種基於多重內反射紅外光譜的混凝土滲透性的檢測方法，其特徵在於用傅立葉變換紅外光譜儀進行測量的光以2070°入射，全反射次數為530次。全文摘要一種基於多重內反射紅外光譜的混凝土滲透性的檢測方法，涉及一種混凝土滲透性的檢測方法，尤其是涉及一種基於多重內反射紅外光譜技術的混凝土滲透性的檢測方法。提供一種操作簡便、操作靈敏高、數據直觀可靠、可連續動態測量各種物種在混凝土中的傳輸特性，對於混凝土材料滲透性的評價具有十分重要的實際意義的基於多重內反射紅外光譜的混凝土滲透性的檢測方法。混凝土試片的製備將混凝土試片在室溫下溼養護，按要求的厚度切片，打磨，乾燥；MIR-FTIR測試用傅立葉變換紅外光譜儀進行測量，採集乾燥混凝土試樣/全內反射晶片界面的紅外譜圖作為背景，向電解池注滿待測溶液後，採集不同滲透時間的紅外譜圖，直到譜峰強度不再增長。文檔編號G01N21/35GK101299016SQ200810071129公開日2008年11月5日申請日期2008年5月23日優先權日2008年5月23日發明者林俊人,林昌健,巖趙申請人:廈門大學