水泥基材料抗碳化性能的測試裝置及方法

2023-05-01 15:30:06 2

專利名稱：水泥基材料抗碳化性能的測試裝置及方法
技術領域：
本發明屬於混凝土抗碳化性能測試技術領域，特別涉及由水泥、礦物摻合料、外加
劑等所組成的水泥基材料抗碳化性能的測試裝置及方法。
背景技術：
混凝土無疑是當今世界上用量最大的人造建築材料，其耐久性與建築物的使用壽 命、安全性等息息相關，因此對混凝土及其組成材料進行耐久性研究十分重要。混凝土內部 孔溶液的pH值通常維持在12. 5 13. 5之間。在這種高鹼性的環境中，鋼筋表面會形成一 種保護膜，使其免遭破壞。由於收縮、施工等各方面的原因，混凝土內部存在許多大小不一 的毛細孔、孔隙、氣泡，甚至缺陷，形成的水泥石結構是一個含固相、液相、氣相的非均勻質 體，環境中的0)2便通過這些缺陷和孔隙滲透到混凝土內部，並在孔溶液中和固體表面發生 複雜的碳化反應，使得pH值降至8. 5 9. 0之間甚至更低，失去對鋼筋的保護作用，引起鋼 筋的鏽蝕，導致鋼筋混凝土結構破壞。同時，混凝土的碳化還會引起混凝土結構的收縮，形 成收縮裂縫；降低混凝土強度；破壞混凝土結構等。因此碳化直接影響到混凝土的耐久性。 隨著全球溫室效應的加劇，大氣中(A濃度的增加(兩百年前其約佔大氣總容量的O. 03%， 在過去二百年中，二氧化碳濃度增加25%)，大量處於暴露環境中的混凝土結構物面臨的 碳化問題越來越嚴重，研究混凝土的碳化問題並給予防治很有必要。 現有混凝土抗碳化性能測試的方法，如《混凝土》2005年第ll期中的"混凝土碳化 研究與進展(1)——碳化機理及碳化程度評價"一文中公開的兩種方法，①酚酞滴定法用 1%的酚酞乙醚(或酒精)溶液作為酚酞指示劑，將其噴灑在混凝土破裂面上，從混凝土表 面到呈紅色(未碳化區)界限的平均距離為碳化深度。該方法的主要缺點是不能有效區 分完全碳化區、碳化反應區(部分碳化區)和未碳化區，以及碳化反應區的碳化程度等；也 不能確定混凝土的中性化是否由碳化所引起。故該方法僅能對碳化做出直觀的、簡單的判 斷。②熱失重法(TGA):它是利用熱重分析儀測量出碳化材料中CaC03和Ca(0H)2的含量， 以判斷混凝土中某一區域的碳化情況。該方法的主要缺點是制樣較複雜、升溫需要花費大 量時間、費用高等，使其只能用於對碳化材料內部的某一點進行碳化情況分析，但要測出碳 化產物在材料中的線性分布情況及完全碳化區、碳化反應區和未碳化區的深度，需要花費 大量的時間和費用，不可能推廣應用。

發明內容
本發明的目的是針對現有混凝土抗碳化性能測試方法的缺點和不足，提供了一
種水泥基材料抗碳化性能的測試裝置及方法，利用水泥基材料淨漿試件進行碳化實驗，消
除了骨料(即石子、砂、鋼纖維等)對碳化的影響，具有方法簡單、測量速度快、測試準確、結 果科學可靠等特點。 本發明的機理是①由於混凝土碳化主要是空氣中的二氧化碳(C02)氣體與混凝 土的淨漿部分中的鹼性物質發生的化學反應，骨料並不參與化學反應且對碳化的機理影響很小，因此本發明採用淨漿試件進行碳化實驗，消除了骨料對碳化的影響，將研究重點集中
於水泥基材料本身的抗碳化性能上，同時使得碳化水泥基材料中碳酸鹽含量的測定變得十
分簡單、方便；②水泥基材料碳化的機理是空氣中的二氧化碳(C02)氣體與水泥基材料中
的鹼性物質發生化學反應，生成物主要為CaC03等碳酸鹽，因此通過測量碳化水泥基材料中
碳酸鹽的含量便可判斷水泥基材料碳化的程度；③水泥基材料的抗碳化性能是指材料對碳
化的抵制能力，因此在一定條件下，水泥基材料的碳化越嚴重，則該材料的抗碳化性能也越
差，反之，則抗碳化性能越好。 實現本發明目的的技術方案是 —種水泥基材料抗碳化性能的測試裝置，由反應部分、緩衝部分和集氣測量部分 組成，其間通過橡膠管連通。 反應部分主要包括分液漏鬥、反應瓶、磁力攪拌機等。分液漏鬥由鬥體和設置於鬥 體上端的標準磨口及下端的鬥頸(即漏管)組成。鬥體為球形或梨形的玻璃容器，其容積 為30 50ml ;在鬥體內放置有稀鹽酸，在瓶口處設置一個帶有單通孔的橡膠塞予以密封， 通孔中插入玻璃管，以便與橡膠管連通，該玻璃管通過橡膠管與插入反應瓶瓶口的橡膠塞 通孔中的玻璃管連通，從而實現分液漏鬥與反應瓶的連通，用以作為分液漏鬥與反應瓶之 間氣壓平衡的通道，以使分液漏鬥中的稀鹽酸能順利滴入反應瓶內。鬥頸為其上設置有玻 璃活塞的玻璃管，玻璃活塞起控制液體下流的作用，鬥頸插入反應瓶瓶口的橡膠塞的通孔 中，從而使分液漏鬥與反應瓶連通，以便在活塞的控制下使分液漏鬥中的稀鹽酸滴入反應 瓶內。反應瓶為帶有標準磨口的廣口瓶或錐形瓶，其材料為玻璃，在反應瓶內放置待測的碳 化水泥基材料樣品的粉末(以下簡稱為待測粉末)，以便與分液漏鬥滴入的稀鹽酸進行反 應；反應瓶的容積為50 100ml，以便減小液面與反應瓶內氣體的接觸面積和減少稀鹽酸 的用量，從而減少氣體溶解量，提高實驗精度；在反應瓶瓶口通過設置有三個通孔的橡 膠塞予以密封，在該橡膠塞的一個通孔中插入直線形玻璃管，該玻璃管通過橡膠管與分液 漏鬥磨口處的橡膠塞通孔中的玻璃管連通，在另一個通孔中插入直角形或直線形玻璃管， 該玻璃管通過橡膠管與緩衝瓶瓶口處橡膠塞通孔中的玻璃三通的一個玻璃管連通，以便反 應瓶中待測粉末與稀鹽酸反應時生成的C02氣體能順利向緩衝瓶中擴散；在第三個通孔中 直接插入分液漏鬥的鬥頸，用以與分液漏鬥連通。反應瓶放置在水浴缸內，以便控制反應瓶 內部溫度恆定。水浴缸放置在磁力攪拌機的坐盤上。磁力攪拌機放置在實驗臺上，用以加 速反應瓶內反應物之間的反應，縮短反應時間並使反應充分。 緩衝部分主要包括緩衝瓶、玻璃三通、溫度計等。緩衝瓶為帶有標準磨口的玻璃 瓶，容積為500 1500ml，其瓶口通過設置有三個通孔的橡膠塞予以密封；在其中一個通 孔中插入溫度計，用以測量緩衝瓶內氣體的溫度，溫度計最小刻度值為o. rc ;在另一個通 孔中插入玻璃三通的一個玻璃管，用以與玻璃三通連通，在第三個通孔中插入直角形或直 線形玻璃管，該玻璃管通過橡膠管與集氣測量部分中量氣管的測量管上端的玻璃管接口連 通，從而實現緩衝瓶與量氣管的連通。緩衝瓶的作用主要是①對從反應部分流出經過緩衝 瓶流向集氣測量部分的氣體起到緩衝作用，使氣流不至於過急影響收集和測量；②因為緩 衝瓶容積較大並採用水浴，還可以起到穩定整個裝置內部溫度的作用；③緩衝瓶可以降低 量氣管內部C02氣體的濃度，從而降低C02氣體在量氣管內用液中的溶解量，使得測量結果 更準確。緩衝瓶放在水浴缸中，以穩定緩衝瓶內部的溫度；水浴缸放置在實驗臺上。玻璃三通中的一個玻璃管插入緩衝瓶瓶口的橡膠塞的一個通孔中，與緩衝瓶連通，另一個玻璃管 通過橡膠管與插入反應瓶瓶口的橡膠塞通孔中的玻璃管連通，從而實現了反應瓶、玻璃三 通和緩衝瓶的連通；第三個玻璃管與橡膠管連通並在橡膠管上設置鋼絲夾予以密封，當鋼 絲夾打開時，裝置內部與外部環境相通，以調節裝置內部為一個標準大氣壓，當鋼絲夾閉合 時，裝置內部與外部環境隔絕，使得裝置內部成為一個完全封閉的體系。玻璃三通的作用就 是利用其第三個玻璃管在每次實驗開始前調節裝置內部氣壓為一個標準大氣壓。
集氣測量部分為由測量管、平衡管和洩水管構成的量氣管，使用時在其內部注入 量氣管內用液(即由1+9的稀鹽酸加入分析純NaCl至飽和，再加入O. 1%的甲基橙指示劑 配置而成)。測量管為帶有刻度值的玻璃管，是按國家標準定做，其0刻度線從上端開始， 向下讀數逐漸增大，最小刻度值為0. lml，量程為50ml ;在測量管的上端設置一個標準玻璃 管接口 ，其接口通過橡膠管與插入緩衝瓶瓶口的橡膠塞通孔中的直角形或直線形玻璃管連 通，實現量氣管與緩衝瓶的連通；測量管的下端與平衡管和洩水管相連通。平衡管為細玻 璃管，其位置與測量管平行；平衡管的上端開口 ，下端與測量管下端連通共同組成一個U型 連通器，以便在裝置內外壓強相等時兩管內液面相平，即當兩管液面相平時，則內外壓強相 等；平衡管的上端開口與測量管的0刻度線相平，方便測量管調零；洩水管位於測量管和平 衡管組成的U型連通器底部並與測量管和平衡管連通，為一標準玻璃管接口 ，其接口與橡 膠管相連通，並在橡膠管上設置鋼絲夾，其作用就是通過打開鋼絲夾，使測量管和平衡管內 部的液體流出，以調節測量管和平衡管的液面差。量氣管的作用是測量反應瓶中生成C02 氣體的體積。在進行實驗前首先要打開玻璃三通的鋼絲夾，從平衡管上端向量氣管中注滿 量氣管內用液；然後關閉玻璃三通的鋼絲夾並確保裝置密封后打開量氣管中洩水管的鋼絲 夾，放出部分量氣管內用液，以避免實驗時量氣管內用液溢出汙染實驗臺；當反應瓶中發生 化學反應生成0)2氣體時，反應瓶內部的氣體便開始通過玻璃三通、緩沖瓶等向量氣管擴 散，測量管中液面逐漸下降，平衡管內液面逐漸上升，此時應通過洩水管調節平衡管中液面 的高度，避免量氣管內用液溢出；待測量管和平衡管液面均不再變化時，則反應瓶中化學反 應結束；通過洩水管排除量氣管內用液及從平衡管上端注入量氣管內用液進行調節，使得 測量管與平衡管的液面相平，此時讀取測量管的示數便是反應瓶中生成C02氣體的體積。
—種水泥基材料抗碳化性能的測試方法，利用本發明裝置，經製備淨漿試件、加速 碳化及切片處理、測定碳酸鹽含量和數據處理及結果分析，從而完成對水泥基材料抗碳化 性能的測試。方法的具體步驟如下
(1)製備淨漿試件 首先將除骨料(即石子、砂、鋼纖維等)以外的混凝土材料(即水泥、摻合料、外 加劑、水等粉體及液體材料)按實驗所需的配合比混合攪拌均勻，入模成型為水泥基材料 的淨漿試件，並按實驗所要求的養護制度將淨漿試件養護至實驗所需的齡期。然後對淨漿 試件按實驗所要求的方法(如通過烘箱或乾燥箱烘乾淨漿試件、通過恆溼箱調節淨漿試件 內部相對溼度等)進行處理，當實驗無要求時則不做處理，最後用加熱熔化的石蠟將淨漿 試件除留一個端面作為碳化面外的其餘表面予以密封，從而製備出用於碳化實驗的淨漿試 件。
(2)加速碳化及切片處理
1)加速碳化
在第(1)步完成後，對第(1)步製得的淨漿試件按照實驗要求的碳化條件(即溫 度、溼度、二氧化碳(C02)濃度等)和碳化時間進行加速碳化實驗；
2)切片及粉磨 在第(2)_1)步完成後，先將加速碳化後的淨漿試件從碳化面(即未封蠟的端面， 以下相同)的中心沿著垂直於碳化面的方向劈開，對劈開後的斷面噴塗酚酞指示劑(即1% 的酚酞乙醚或酒精溶液)並測量從碳化面到紅色界線的長度(即碳化深度)，再對加速碳化 後的試件從碳化面開始進行由表及裡逐層切片，切片厚度為l 5mm。並記錄每一切片的厚 度及切片中心到碳化面的長度(即深度)，並對不同深度的切片分別編號。然後將各編號的 切片放置在110°C的乾燥箱中進行乾燥，直至烘乾切片中的水分及表面的石蠟。最後通過粉 磨機分別對各編號的切片進行粉磨，至粉末完全通過O. 16mm的方孔篩，並分別裝入密封袋 內保存。 (3)測定碳酸鹽含量 在第(2)步完成後，利用本發明裝置，對第(2)_2)步中磨細的不同編號的切片粉 末，分別進行碳酸鹽含量測定，其具體的步驟如下
1)測定準備 先利用精度為0. OOOlg的分析天平，稱取質量為0. 45 0. 65g第(2) -2)步中所
製得的第一個編號的切片粉末，緩慢的放入反應瓶中，並記錄切片粉末的質量，然後蓋緊反 應瓶瓶口的橡膠塞，通過平衡管的上端開口向量氣管中注滿量氣管內用液(即由1+9的稀 鹽酸加入分析純NaCl至飽和，再加入0. 1 %的甲基橙指示劑配置而成的液體)，再用量筒量 取10 15ml稀鹽酸倒入分液漏鬥中，並蓋緊分液漏鬥口的橡膠塞，最後打開玻璃三通的鋼 絲夾，待裝置內部壓強與外界平衡後關閉鋼絲夾，並檢查各連接處及各開口確保裝置的密 封性完好； 2)進行測定 第(3)_1)步完成後，旋開分液漏鬥鬥頸上的活塞，分液漏鬥中的稀鹽酸慢慢流入 反應瓶，待稀鹽酸完全流入反應瓶後，打開磁力攪拌機進行攪拌，此時反應瓶中不斷產生 0)2氣體並不斷向量氣管中擴敢，量氣管的測量管中的液面不斷下降，平衡管中的液面不斷 上升溢出，在測量過程中，操作量氣管底部洩水管的鋼絲夾保證量氣管的測量管和平衡管 中的液面隨時保持相平，待測量管和平衡管的液面穩定後，關閉磁力攪拌機，並通過洩水管 的鋼絲夾調節測量管與平衡管的液面相平，讀取並記錄測量管的示數，同時讀取並記錄緩 衝瓶中溫度計的示數和實驗室氣壓表的示數，最後清洗淨實驗儀器後再返回第(3)_1)和 2)步，進行下一編號切片粉末的碳酸鹽含量測定，如此重複，直至在第(2)-2)步中所製得 的所有編號的切片粉末全部測定完畢為止；
(4)數據處理及結果分析
1)數據處理 第(3)步完成後，首先將第(3)-2)步所記錄的二氧化碳體積(V)、溫度(T)、壓強 (P)和碳化水泥基材料粉末質量(m)值，分別計算出各切片粉末的碳酸鹽含量(W)值，結果 以CaC03的百分含量W(% )計，計算公式如下 ......— .-x10—1
r廠m
式中W——CaC03的百分含量，％ ;
P——實測大氣壓強，kPa ;
V——生成C02氣體的體積，ml ; R-C02氣體常數，R = 8. 254J k—1 mol—1 ; T——碳酸鹽定量分析裝置內部溫度，K ; M-CaC03摩爾質量，g/mol. M = 100. 09g/mol ; m——碳化水泥基材料切片粉末的質量，g。 然後，將各切片粉末的碳酸鹽含量值繪製成"碳酸鹽含量-深度"曲線；
2)結果分析 在第(4)_1)步完成後，根據實驗的目的要求，對第(4)_1)步繪製成的"碳酸鹽含 量_深度"曲線及數據進行分析，分析水泥基材料碳化的程度及抗碳化性能的優劣，並提出 改善措施。其主要的分析方法如下 ①通過曲線上某一點的碳酸鹽含量來判斷碳化水泥基材料相應深度處的碳化情 況； ②高碳酸鹽含量段為完全碳化區，碳酸鹽含量下降明顯段為部分碳化區(碳化反 應區)，低碳酸鹽含量段為未碳化區，以此可以測得碳化試件完全碳化區、部分碳化區和未 碳化區的長度； ③完全碳化區和部分碳化區的長度與水泥基材料的結構特點(如原材料配比、孔 隙率、含水率等)和碳化條件(如碳化溫度、相對溼度、C02濃度等)等因素關係密切，因此 通過對比完全碳化區和部分碳化區的長度，結合水泥基材料的結構特點(如材料配比、孔 隙率、含水率等)和碳化條件(如碳化溫度、相對溼度、C02濃度等)，可對水泥基材料的碳 化機理進行分析(如判斷C02氣體的擴散速度和碳化反應的速度哪個更快、哪個對整個碳 化過程起主導作用等)。 本發明採用上述技術方案後，主要具備以下效果 (1)本發明的實驗方法採用淨漿試件進行碳化實驗，試件中不加入骨料，消除了骨 料對實驗的影響，將實驗的重點集中於水泥基材料上，以保證測量的準確性；
(2)本發明中的碳酸鹽含量測定裝置，採用化學方法進行碳酸鹽定量分析，其方法 簡單、測量速度快，準確度和精密度較好，便於抗碳化性能的準確分析； (3)本發明對水泥基材料的碳化情況進行定量測試，通過繪製碳化產物在碳化材 料中的線性分布曲線來直觀的反應材料的碳化程度，方便對材料的碳化情況進行分析和判 斷，為水泥基材料抗碳化性能測試提供了一種更科學、更準確、更簡便的方法；
(4)本發明方法能區分出完全碳化區、部分碳化區(碳化反應區)和未碳化區，並 能測量各區域的深度。克服了酚酞指示劑法只能做定性分析及熱失重法(TGA)等只能做局 部定量分析的缺點。為水泥基材料的抗碳化性能測試提供了一種簡單可行的測試方案。
本發明可應用於水泥基材料的抗碳化性能的測試中，同時也可用於測試混凝土的 各種外加劑(如減水劑、膨脹劑、早強劑、防凍劑等)、碳化條件(如溫度、溼度、二氧化碳 (C02)濃度等)、養護制度(如標準養護、高溫加速養護、水養護等)等對水泥基材料抗碳化 性能的影響。


圖1是本發明裝置的原理示意圖； 圖中A反應部分，B緩衝部分，C集氣測量部分，1分液漏鬥，2反應瓶，3磁力攪拌 機，4玻璃三通，5溫度計，6緩衝瓶，7量氣管，8水浴缸，9橡膠塞，10鋼絲夾。 圖2是本發明方法的流程圖3是實施例1所得的"深度_碳酸鹽含量"曲線圖 圖4是實施例2所得的"深度-碳酸鹽含量"曲線圖 圖5是實施例3所得的"深度-碳酸鹽含量"曲線圖 圖6是實施例4所得的"深度-碳酸鹽含量"曲線圖




圖中a完全碳化區，b部分碳化區(碳化反應區)，c未碳化區,
具體實施例方式
下面結合具體實施方式
和附圖對本發明作進一步說明。
實施例1 如圖l所示，一種水泥基材料抗碳化性能的測試裝置，由反應部分A、緩衝部分B和 集氣測量部分C組成，其間通過橡膠管連通。 反應部分A主要包括分液漏鬥1、反應瓶2、磁力攪拌機3等。分液漏鬥1由鬥體 和設置於上端的標準磨口及下端的鬥頸(即漏管)組成。鬥體為球形的玻璃容器，其容積 為30ml ;在鬥體內放置有稀鹽酸，在磨口處設置一個帶有一個通孔的橡膠塞9予以密封，通 孔中插入玻璃管，該玻璃管通過橡膠管與插入反應瓶2瓶口的橡膠塞9通孔中的玻璃管連 通。鬥頸為上面設置有玻璃活塞的玻璃管，鬥頸插入反應瓶2瓶口的橡膠塞的通孔中。反 應瓶2為帶有標準磨口的廣口瓶，其材料為玻璃，在反應瓶2內放置待測的碳化水泥基材料 樣品的粉末(以下簡稱為待測粉末)；反應瓶2的容積為50ml，在其瓶口通過設置有三個通 孔的橡膠塞9予以密封，在該橡膠塞9的一個通孔中插入玻璃管，該玻璃管通過橡膠管與分 液漏鬥1瓶口處的橡膠塞9通孔中的玻璃管連通，在另一個通孔中插入直角形玻璃管，該玻 璃管通過橡膠管與緩衝瓶6瓶口處的橡膠塞9通孔中的玻璃三通4的一個玻璃管連通；在 第三個通孔中直接插入分液漏鬥1的鬥頸，用以與分液漏鬥1連通。反應瓶2放置在水浴 缸8內；水浴缸8放置在磁力攪拌機3的坐盤上。磁力攪拌機3放置在實驗臺上。
緩衝部分B主要包括緩衝瓶6、玻璃三通4、溫度計5等。緩衝瓶6為帶有標準磨 口的玻璃瓶，容積為500ml，其瓶口通過設置有三個通孔的橡膠塞9予以密封。在其中一個 通孔中插入溫度計5，溫度計5最小刻度值為0. rc。在另一個通孔中插入玻璃三通4的一 個玻璃管。在第三個通孔中插入直角形玻璃管，該玻璃管通過橡膠管與集氣測量部分C中 量氣管7的測量管上端的標準玻璃管接口連通。玻璃三通4中的一個玻璃管插入緩衝瓶6 瓶口橡膠塞9的一個通孔中，與緩衝瓶6連通，另一個玻璃管通過橡膠管與插入反應瓶2瓶 口的橡膠塞9通孔中的玻璃管連通；第三個玻璃管與橡膠管連通並在橡膠管上設置一個鋼 絲夾10。 集氣測量部分C為由測量管、平衡管和洩水管構成的量氣管7，使用時在其內部注 入量氣管內用液(即由1+9的稀鹽酸加入分析純NaCl至飽和，再加入O. 1%的甲基橙指示 劑配置而成)。測量管為帶有刻度值的玻璃管，是按國家標準定做，其O刻度線從上端開始，向下讀數逐漸增大，最小刻度值為0. lml，量程為50ml ;在測量管的上端設置一個標準玻璃 管接口 ，用以通過橡膠管與插入緩衝瓶6瓶口的橡膠塞9通孔中的直角玻璃管連通，實現量 氣管7與緩衝瓶6的連通；測量管的下端與平衡管和洩水管相連通。平衡管為細玻璃管，其 位置與測量管平行；平衡管的上端開口，下端與測量管下端連通共同組成一個U型連通器； 平衡管的上端開口與測量管的0刻度線相平；洩水管位於測量管和平衡管組成的U型連通 器底部，並與測量管和平衡管連通，為一標準玻璃管接口 ，其接口與橡膠管相連通，並在橡 膠管上設置鋼絲夾10。 如圖2所示， 一種水泥基材料抗碳化性能的測試方法的具體步驟如下
(1)製備淨漿試件 首先將水泥、粉煤灰和水，按粉煤灰佔水泥和粉煤灰總質量百分比(以下稱粉煤 灰摻量)為50%、水與水泥和粉煤灰的總質量比(以下稱水膠比)為O. 35的配比混合攪拌 均勻，入模成型為尺寸為。27. 5X50mm的圓柱體粉煤灰水泥淨漿試件；將淨漿試件在標準 養護室內密封養護28天，養護到齡期後，將其除留下一個頂面做碳化面外，其餘表面用加 熱熔化的固體石蠟予以密封，從而製備出用於碳化實驗的淨漿試件。
(2)加速碳化及切片處理
1)加速碳化 在第(1)步完成後，對在第(1)步中製得的淨漿試件，在相對溼度為75±2%、溫度 為在20 25°C、 C02氣體濃度^ 90%的條件下進行加速碳化，碳化時間為7天。
2)切片及粉磨 在第(2)_1)步完成後，先將加速碳化後的淨漿試件從碳化面(即未封蠟的端面) 的中心沿著垂直於碳化面的方向劈開，對劈開後的斷面噴塗酚酞指示劑(即1%的酚酞酒 精溶液)並測量從碳化面到紅色界線的長度(即碳化深度)，再對加速碳化後的試件從碳化 面開始進行由表及裡逐層切片，切片厚度為lmm;記錄每一切片的厚度及切片中心到碳化 面的長度(即深度)，並對不同深度的切片分別編號(1、2、3...)。然後將各編號的切片放 置在ll(TC的乾燥箱中進行乾燥，直至烘乾切片中的水分及表面的石蠟。最後通過粉磨機 分別對各編號的切片進行粉磨，至粉末完全通過O. 16mm的方孔篩，並分別裝入密封袋內保 存。 (3)測定碳酸鹽含量 在第(2)步完成後，利用本發明裝置，對第(2)_2)步中磨細的不同編號的切片粉 末分別進行碳酸鹽含量測定，其具體步驟如下
1)測定準備 先利用精度為0.0001g的分析天平，稱取質量為0.45g第(2)-2)步中製得的第1 號的切片粉末，緩慢放入反應瓶2中，並記錄切片粉末的質量，然後蓋緊反應瓶2瓶口的橡 膠塞9，向量氣管7中注滿量氣管內用液(即由1+9的稀鹽酸加入分析純NaCl至飽和，再加 入O. 1%的甲基橙指示劑配置而成的液體)，再用量筒量取10ml稀鹽酸倒入分液漏鬥1中 並蓋緊分液漏鬥1 口的橡膠塞9，最後打開玻璃三通4的鋼絲夾10，待裝置內部壓強與外界 平衡後關閉鋼絲夾IO，並檢查各連接處及各開口確保裝置的密封性完好；
2)進行測定 第(3)_1)步完成後，旋開分液漏鬥1鬥頸上的活塞，分液漏鬥1中的稀鹽酸慢慢流入反應瓶2，待稀鹽酸完全流入反應瓶2後，打開磁力攪拌機3進行攪拌，此時反應瓶2中 不斷產生C02氣體並不斷向量氣管7中擴散，量氣管7的測量管中液面不斷下降，平衡管液 中面不斷上升，在測量過程中要操作量氣管7底部洩水管的鋼絲夾10保證量氣管7的測量 管和平衡管中的液面隨時保持相平；待測量管和平衡管的液面穩定後，關閉磁力攪拌機3， 並通過洩水管的鋼絲夾調節測量管與平衡管的液面相平；讀取並記錄測量管的示數，此值 便是生成C02氣體的體積，同時讀取並記錄緩衝瓶中溫度計5的示數和實驗室氣壓表的示 數，最後清洗淨實驗儀器後再返回第(3)_1)和2)步，進行第2號切片粉末的碳酸鹽含量測 定，如此重複，直至在第(2)-2)步中所製得的所有編號的切片粉末全部測定完畢為止。
(4)數據處理及結果分析
1)數據處理 第(3)步完成後，首先將第(3)-2)步所記錄的二氧化碳體積(V)、溫度(T)、壓強 (P)和碳化水泥基材料粉末質量(m)值，分別計算出各切片粉末的碳酸鹽含量(W)值，結果 以CaC03的百分含量W(X )計，計算公式如下 式中W——CaC03的百分含量，％ ;
P——實測大氣壓強，kPa;
V——生成C02氣體的體積，ml ; R-C02氣體常數，R = 8. 254J k—1 mo1—1 ; T——碳酸鹽定量分析裝置內部溫度，K ; M-CaC03摩爾質量，g/mol. M = 100. 09g/mol ; m——碳化水泥基材料切片粉末的質量，g。 然後，將各切片粉末的碳酸鹽含量值繪製成"碳酸鹽含量-深度"曲線。
2)結果分析 在第(4)_1)步完成後，根據實驗的目的要求，對第(4)_1)步繪製成的"碳酸鹽含 量_深度"曲線及數據進行分析，分析水泥基材料碳化的程度及抗碳化性能的優劣，並提出 改善措施。其主要的分析方法如下 ①通過曲線上某一點的碳酸鹽含量來判斷碳化水泥基材料相應深度處的碳化情 況； ②高碳酸鹽含量段為完全碳化區，碳酸鹽含量下降明顯段為部分碳化區(碳化反 應區)，低碳酸鹽含量段為未碳化區，以此可以測得碳化試件完全碳化區、部分碳化區和未 碳化區的長度； ③完全碳化區和部分碳化區的長度與水泥基材料的結構特點(如原材料配比、孔 隙率、含水率等)和碳化條件(如碳化溫度、相對溼度、C02濃度等)等因素關係密切，因此 通過對比完全碳化區和部分碳化區的長度，結合水泥基材料的結構特點(如材料配比、孔 隙率、含水率等)和碳化條件(如碳化溫度、相對溼度、C02濃度等)，可對水泥基材料的碳 化機理進行分析(如判斷C02氣體的擴散速度和碳化反應的速度哪個更快、哪個對整個碳 化過程起主導作用等)。
實施例2
—種水泥基材料抗碳化性能的測試裝置，同實施例l，其中分液漏鬥1容積為
40ml，鬥體為梨形；反應瓶2為容積為75ml的錐形瓶；緩衝瓶6容積為1000ml 。 —種水泥基材料抗碳化性能的測試方法的具體步驟，同實施例l，其中在第(1)
步製備淨漿試件中，水膠比為0.40;在第(2)-2)步切片及粉磨中，切片厚度為2mm;在第
(3)_1)步測定準備中，切片粉末稱取質量為0. 50g，稀鹽酸量取12ml ;"碳酸鹽含量-深度"
曲線如圖4所示。 實施例3 —種水泥基材料抗碳化性能的測試裝置，同實施例l，其中分液漏鬥1容積為 50ml ;反應瓶2為容積為100ml的廣口瓶；緩衝瓶6容積為1500ml ;插入反應瓶2瓶口的橡 膠塞9通孔中的，並通過橡膠管與緩衝瓶6瓶口處的橡膠塞9通孔中的玻璃三通4的一個 玻璃管連通的玻璃管為直線形玻璃管。 —種水泥基材料抗碳化性能的測試方法的具體步驟，同實施例l，其中在第(1) 步製備淨漿試件中，水膠比為0.45 ;在第(2)_2)步切片及粉磨中，切片厚度為3 ;在第 (3)_1)步測定準備中，切片粉末稱取質量為0. 55g，稀鹽酸量取13ml ;"碳酸鹽含量-深度" 曲線如圖5所示。
實施例4 —種水泥基材料抗碳化性能的測試裝置，同實施例l，其中分液漏鬥1容積為 40ml，鬥體為梨形；反應瓶2為容積為50ml的廣口瓶；緩衝瓶6容積為1000ml ;插入緩衝瓶 6瓶口的橡膠塞9的通孔中的，並通過橡膠管與集氣測量部分C中量氣管7的測量管上端的 玻璃管接口連通的玻璃管為直線形玻璃管。 —種水泥基材料抗碳化性能的測試方法的具體步驟，同實施例l，其中在第(1) 步製備淨漿試件中，粉煤灰摻量為70 % ，水膠比為0. 35 ;在第(2) -2)步切片及粉磨中，切片 厚度為5mm;在第(3)-l)步測定準備中，切片粉末稱取質量為0. 65g，稀鹽酸量取15ml ;"碳 酸鹽含量_深度"曲線如圖6所示。 對粉煤灰水泥淨漿試件的碳化程度及抗碳化性能分析如下 (1)高碳酸鹽含量段為完全碳化區a，碳酸鹽含量下降明顯段為部分碳化區b(碳 化反應區)，低碳酸鹽含量段為未碳化區c，以此可以分別測得實施例1 4中碳化試件的 完全碳化區、部分碳化區和未碳化區的長度。 (2)通過圖3 6的4條曲線可以看出，完全碳化區a中切片粉末碳酸鈣的含量較 高，均在37% 40%之間，此區域中的鹼性物質已經完全被碳化；部分碳化區b中切片粉末 碳酸鈣的含量隨深度增大下降明顯，為完全碳化區a和未碳化區c的過渡區；在未碳化區c 中，C02未擴散到這個深度，因此未發生碳化反應，碳酸鈣的含量很少，約為3% ，這主要是由 於原材料中含有能被稀鹽酸分解並放出氣體的物質，並非發生碳化反應所致。
(3)通過對比上述實施例1、實施例2和實施例3，隨著水膠比的增大，完全碳化區 a和部分碳化區b的長度增大，碳化程度加重，可見大的水膠比對粉煤灰水泥石的抗碳化性 能不利。 (4)通過對比上述實施例1和實施例4，在粉煤灰摻量較大的實施例4的圖6中， 完全碳化區a和部分碳化區b的長度較大，碳化程度較嚴重，可見大的粉煤灰摻量對水泥石 的抗碳化性能不利。
權利要求
一種水泥基材料抗碳化性能的測試裝置，其特徵在於由反應部分(A)、緩衝部分(B)和集氣測量部分(C)組成，其間通過橡膠管連通；反應部分(A)主要包括分液漏鬥(1)、反應瓶(2)、磁力攪拌機(3)，分液漏鬥(1)由鬥體和設置於鬥體上端的標準磨口及下端的鬥頸，即漏管組成，鬥體為球形或梨形的玻璃容器，其容積為30～50ml，在鬥體內放置有稀鹽酸，在瓶口處設置一個帶有一個通孔的橡膠塞(9)，通孔中插入玻璃管，該玻璃管通過橡膠管與插入反應瓶(2)瓶口的橡膠塞(9)通孔中的玻璃管連通，鬥頸為在其上設置有玻璃活塞的玻璃管，鬥頸插入反應瓶(2)瓶口的橡膠塞(9)的通孔中，反應瓶(2)為帶有標準磨口的廣口瓶或錐形瓶，其材料為玻璃，在反應瓶(2)內放置待測的碳化水泥基材料樣品的粉末，反應瓶(2)的容積為50～100ml，在其瓶口設置一個帶有三個通孔的橡膠塞(9)，在該橡膠塞(9)的一個通孔中插入直線形玻璃管，該玻璃管通過橡膠管與分液漏鬥(1)瓶口處的橡膠塞(9)通孔中的玻璃管連通，在另一個通孔中插入直角形或直線形玻璃管，該玻璃管通過橡膠管與緩衝瓶(6)瓶口處的橡膠塞(9)通孔中的玻璃三通(4)的一個玻璃管連通，在第三個通孔中直接插入分液漏鬥(1)的鬥頸，反應瓶(2)放置在水浴缸(8)內，水浴缸(8)放置在磁力攪拌機(3)的坐盤上，磁力攪拌機(3)放置在實驗臺上；緩衝部分(B)主要包括緩衝瓶(6)、玻璃三通(4)、溫度計(5)，緩衝瓶(6)為帶有標準磨口的玻璃瓶，容積為500～1500ml，其瓶口設置帶有三個通孔的橡膠塞(9)，在其中一個通孔中插入溫度計(5)，在另一個通孔中插入玻璃三通(4)的一個玻璃管，在第三個通孔中插入直角形或直線形玻璃管，該玻璃管通過橡膠管與集氣測量部分(C)中量氣管(7)的測量管上端的玻璃管接口連通，緩衝瓶(6)放在水浴缸(8)中，水浴缸(8)放置在實驗臺上，玻璃三通(4)中的一個玻璃管插入緩衝瓶(6)瓶口的橡膠塞(9)其中的一個通孔中，另一個玻璃管通過橡膠管與插入反應瓶(2)瓶口的橡膠塞(9)通孔中的玻璃管連通，第三個玻璃管與橡膠管連通，並在橡膠管上設置鋼絲夾(10)；集氣測量部分(C)為由測量管、平衡管和洩水管構成的量氣管(7)，使用時在其內部注入量氣管內用液，測量管為帶有刻度值的玻璃管，是按國家標準定做的，其0刻度線從上端開始，向下讀數逐漸增大，最小刻度值為0.1ml，量程為50ml，在測量管的上端設置一個標準玻璃管接口，其接口通過橡膠管與插入緩衝瓶(6)瓶口的橡膠塞(9)通孔中的直角形或直線形玻璃管連通，測量管的下端與平衡管和洩水管相連通，平衡管為細玻璃管，其位置與測量管平行，平衡管的上端開口，下端與測量管下端連通共同組成一個U型連通器，平衡管的上端開口與測量管的0刻度線相平，洩水管位於測量管和平衡管組成的U型連通器底部，並與測量管和平衡管連通，為一標準玻璃管接口，該接口與橡膠管相連通，並在橡膠管上設置鋼絲夾(10)。
2. —種水泥基材料抗碳化性能的測試方法，其特徵在於具體步驟如下(1) 製備淨漿試件首先將除骨料以外的混凝土材料，即水泥、摻合料、外加劑，按實驗所需的配合比混合 攪拌均勻，入模成型為水泥基材料的淨漿試件，並按實驗所要求的養護制度將淨漿試件養 護至實驗所需的齡期，然後對淨漿試件按實驗所要求的方法進行處理或不做處理，最後用 加熱熔化的石蠟將淨漿試件除留一個端面作為碳化面外的其餘表面予以密封；(2) 加速碳化及切片處理1) 加速碳化在第(1)步完成後，對第(1)步製得的淨漿試件按照實驗要求的碳化條件和碳化時間 進行加速碳化；2) 切片及粉磨在第(2)_1)步完成後，先將加速碳化後的淨漿試件從碳化面，即未封蠟端面的中心沿 著垂直於碳化面的方向劈開，對劈開後的斷面噴塗酚酞指示劑，並測量從碳化面到紅色界 線的長度，即碳化深度，再對加速碳化後的試件從碳化面開始進行由表及裡逐層切片，切片 厚度為1 5mm，並記錄每一切片的厚度及切片中心到碳化面的長度，即深度，並對不同深 度的切片分別編號，然後將各編號的切片放置在ll(TC的乾燥箱中進行乾燥，直至烘乾切片 中的水分及表面的石蠟，最後通過粉磨機分別對各編號的切片進行粉磨，至粉末完全通過 0. 16mm的方孔篩，並分別裝入密封袋內保存；(3) 測定碳酸鹽含量在第(2)步完成後，利用本發明裝置，對第(2)-2)步中磨細的不同編號的切片粉末，分 別進行碳酸鹽含量測定，其具體的步驟如下1) 測定準備先利用精度為0.0001g的分析天平，稱取質量為0.45 0.65g第(2)-2)步中所製得 的第一個編號的切片粉末，緩慢的放入反應瓶(2)中，並記錄切片粉末的質量，然後蓋緊反 應瓶(2)瓶口的橡膠塞(9)，通過平衡管的上端開口向量氣管(7)中注滿量氣管內用液，再 用量筒量取10 15ml稀鹽酸倒入分液漏鬥(1)中，並蓋緊分液漏鬥(1) 口的橡膠塞(9)， 最後打開玻璃三通(4)的鋼絲夾(IO)，待裝置內部壓強與外界平衡後關閉鋼絲夾(IO)，並 檢查各連接處及各開口確保裝置的密封性完好；2) 進行測定第(3)_1)步完成後，旋開分液漏鬥(1)鬥頸上的活塞，分液漏鬥(1)中的稀鹽酸慢慢 流入反應瓶(2)，待稀鹽酸完全流入反應瓶(2)後，打開磁力攪拌機(3)進行攪拌，此時反應 瓶(2)中不斷產生(A氣體並不斷向量氣管(7)中擴散，量氣管(7)的測量管中的液面不斷 下降，平衡管中的液面不斷上升溢出，在測量過程中，操作量氣管(7)底部洩水管的鋼絲夾 (10)保證量氣管的測量管和平衡管中的液面隨時保持相平，待測量管和平衡管的液面穩定 後，關閉磁力攪拌機(3)，並通過洩水管的鋼絲夾(10)調節測量管與平衡管的液面相平，讀 取並記錄測量管的示數，同時讀取並記錄緩衝瓶(6)中溫度計(5)的示數和實驗室氣壓表 的示數，最後清洗淨實驗儀器後再返回第(3)_1)和2)步，進行下一編號切片粉末的碳酸鹽 含量測定，如此重複，直至在第(2)-2)步中所製得的所有編號的切片粉末全部測定完畢為 止；(4) 數據處理及結果分析 1)數據處理第(3)步完成後，首先將第(3)-2)步所記錄的二氧化碳體積(V)、溫度(T)、壓強(P) 和碳化水泥基材料粉末質量(m)值，分別計算出各切片粉末的碳酸鹽含量(W)值，結果以 CaC03的百分含量W(X )計，計算公式如下,弘—^x〗0-， 燈m式中W——CaC(^的百分含量，％P——實測大氣壓強，kPaV——生成C02氣體的體積，mlR——C02氣體常數，R = 8. 254J k—1 mol—1T——碳酸鹽定量分析裝置內部溫度，KM-CaC03摩爾質量，g/mol. M = 100. 09g/molm——碳化水泥基材料切片粉末的質量，g然後，將各切片粉末的碳酸鹽含量值繪製成"碳酸鹽含量-深度"曲線 ， 2)結果分析在第(4)_1)步完成後，根據實驗的目的要求，對第(4)-l)步繪製成的"碳酸鹽含 量_深度"曲線及數據進行分析，分析水泥基材料碳化的程度及抗碳化性能的優劣，並提出改善措施。
全文摘要
一種水泥基材料抗碳化性能的測試裝置及方法，屬於混凝土抗碳化性能測試技術領域。本發明裝置主要包括反應部分的分液漏鬥、反應瓶、磁力攪拌機等，緩衝部分的緩衝瓶、溫度計、玻璃三通等，集氣測量部分的由測量管、平衡管和洩水管構成的量氣管等，其間通過橡膠管連通。本發明方法是利用本發明裝置，經製備淨漿試件、加速碳化及切片處理、測定碳酸鹽含量和數據處理及結果分析，完成對水泥基材料抗碳化性能的測試。本發明具有方法簡單、測量速度快、測試準確，結果分析科學可靠等特點。本發明可以廣泛應用於水泥基材料的抗碳化性能測試中，也適用於測試各種混凝土外加劑、養護條件、碳化條件等對水泥基材料抗碳化性能的影響。
文檔編號G01N1/28GK101694449SQ20091019115
公開日2010年4月14日 申請日期2009年10月19日 優先權日2009年10月19日
發明者萬朝均, 夏建民, 張小靜, 張廷雷, 李騰, 王欣, 陳璐圓, 黃太忠 申請人:重慶大學;