一种混凝土碳化深度原位无损测量装置及方法与流程

本发明涉及土木水利工程混凝土结构耐久性领域，特别涉及一种混凝土碳化深度原位无损测量装置及方法。

背景技术：

混凝土的碳化是指空气中的co2与混凝土中的液相碱性物质发生反应，使得混凝土碱性下降和混凝土中化学成分改变的中性化反应过程。由于混凝土是一种多孔介质，大气中的co2在湿度相宜的情况下，可以与水泥中的水化产物发生分解反应，生成caco3。

混凝土的孔隙水为氢氧化钙饱和液，其ph值约为12～13，呈强碱性。由于碳化作用，氢氧化钙变成了碳酸钙，水泥石的原有强碱性逐渐降低，ph值降至8.5左右，这种现象称为中性化。

随着“部分碳化区”概念的深入人心，人们逐渐认识到中性化深度未达到混凝土的保护层厚度时，钢筋表面的钝化膜即可被破坏，在钝化膜被破坏后，伴随着水和空气的共同作用，钢筋就会出现锈蚀。锈蚀产生的体积膨胀（比原铁体积大2～3倍）将导致钢筋长度方向出现纵向裂缝，促使混凝土保护层开裂，进一步加剧钢筋的腐蚀，最终将使混凝土结构构件发生失效破坏。

目前工程中常用的混凝土碳化深度测量方法是基于酚酞试剂在强碱中呈紫红色，弱碱中为无色的特征，用电钻在抽测部位打一小孔，清除孔内碎屑与粉末，并立即将浓度为1%的酚酞酒精溶液滴入孔壁内，然后用卡尺测量表面至深度变色的距离，即为碳化深度。由于混凝土结构表面材料性质、所处环境随机性较强、差异较大，这就使得这种以“点”代“面”的测量方式不够全面、亦不具代表性，从而导致在实际工程中相邻构件碳化深度实测值相差数倍的异常情况常有发生。另外，在实际工程中，发现碳化深度的读取并不方便，尤其是碳化深度较大的构件，钻孔太小导致孔内黑暗、视线不佳，肉眼观测的数据人为误差较大。针对目前混凝土碳化深度测量方法的局限性，亟需提出一种新的从面域角度出发的碳化深度原位无损测量方法。

在非专利文献1（“someeffectsofcementandcuringuponcarbonationandreinforcementcorrosioninconcrete”parrott,l.j.etal,materialsandstructures,1996,vol29,page:164-173）中记载了混凝土碳化深度和透气性的映射关系为线性关系，且该映射关系不受水泥种类或养护条件影响。另外，在非专利文献2（“碳化对混凝土渗透性及孔隙率的影响”赵铁军等，工业建筑，2003，卷33，页码：16，46-47）中记载了碳化时间（深度）对混凝土孔隙率（透气性）的影响，该研究试验表明碳化将降低混凝土的孔隙率，其映射关系大致为线性。国内外学者们的大量研究均对这种现象进行了较为统一的描述，在此不一一列举。这种映射关系为混凝土碳化深度测量方法提供了一种新的思路，即以混凝土透气性去定量描述混凝土碳化深度应具有较大的实现可能。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决传统混凝碳化深度检测方法检测成果代表性不足、人工观测误差大等问题，由此提供一种无需测量所有待测量点的碳化深度，而且误差较小的混凝土碳化深度原位无损测量装置及方法。

本发明采用的具体技术方案如下：

一种混凝土碳化深度原位无损测量装置，包括空气压缩机、气阀、压力传感器、数采系统、测头、橡胶底环和调压阀，所述测头下方设有橡胶底环，所述测头包括测头空腔和测头进气口，所述压力传感器一端连接测头空腔，所述压力传感器另一端与数采系统连接，所述测头进气口通过气管与气阀相连，所述气阀通过气管同空气压缩机相连，所述空气压缩机通过气管同调压阀相连，所述调压阀同气阀相连。

所述测头和橡胶底环通过卡扣式连接。

所述橡胶底环底面设有薄层橡胶密封圈，所述薄层橡胶密封圈和橡胶底环通过可拆卸方式连接。

所述压力传感器采用半导体传感器，量程为0-1.0mpa，精度为0.1%fs。

所述测头空腔体积可调节。测头空腔体积的调节为现有技术，比如通过向空腔顶部添加不同厚度的、带有磁性的金属垫片的方式逐级调节。

所述测头为不锈钢测头。不锈钢测头具有良好的磁通性，容易被磁铁吸引方便后续，能够与上述的测头空腔体积的调节方式配合。

一种使用上述的混凝土碳化深度原位无损测量装置的方法，包括如下步骤：

（1）混凝土被测区域预处理：选定受测区域，刷去被测混凝土构件表面的水泥浆膜；

（2）测头安装：所述测头与被测混凝土构件通过橡胶底环胶黏连接，并安装好混凝土碳化深度原位无损测量装置；

（3）加压及调压：待橡胶底环与混凝土构件表面粘结充分之后，设定测头空腔体积，打开空气压缩机至气压达到1mpa，关闭空气压缩机；打开调压阀和气阀，通过气管向测头空腔输送气压，当压力传感器显示数据达到预定压力p0小于1mpa时，立即关闭调压阀和气阀，同时记下时间t0；

（4）记录空气压力随时间的变化情况：记录某一时刻t1下的压力p1，所述t1大于t0；

（5）计算透气系数api：通过公式，计算出被测区域的混凝土透气系数api；

（6）获取两组混凝土碳化深度d与透气系数api的基准数据，建立碳化深度d与透气系数api的线性函数关系式d=k*api+c（k、c均为常数）；

（7）根据步骤（5）的api以及步骤（6）的函数关系式，计算混凝土碳化深度。

所述步骤（3）中设定空腔的体积根据被测混凝土构件的孔隙率选择，孔隙率大则选用大的测头空腔体积，若孔隙率小则选用小的测头空腔体积。

所述步骤（6）具体包括如下步骤：选定2个次要被测区域，进行混凝土碳化检测试验，每个被测区域钻孔数为3个，最终以3个观察孔的碳化深度的平均值代表被测区域的碳化深度，得到两组基准数据（api1，d1）、（api2，d2），拟合得到线性函数d=k*api+c，建立碳化深度与透气系数的映射关系。

所述步骤（2）中测头下部通过卡扣式连接有橡胶底环，所述橡胶底环底部以可拆卸方式安装有薄层橡胶密封圈，所述薄层橡胶密封圈的下表面同被测混凝土构件的表面紧密贴合。

一种使用上述的混凝土碳化深度原位无损测量装置的方法，其特征在于，包括如下具体步骤：

（1）参考水工混凝土抗渗性试验流程，选定受测区域，用钢丝刷刷去混凝土构件表面的水泥浆膜，保证气体能顺利通过混凝土表面进入构件内部，真实反映构件的透气性能。

（2）测头与橡胶底环采用卡扣式连接，可利用空腔气体压强自动封闭测头卡槽与橡胶底环之间的缝隙，以达到密封效果；测头与被测混凝土构件通过橡胶底环胶黏连接，测头空腔形成密闭空间，橡胶底环底面设置可替换的薄层橡胶密封圈，以便于拆卸，并安装好混凝土碳化深度原位无损测量装置；

（3）待橡胶底环与构件表面混凝土粘结充分之后，设定测头空腔体积为某一定值，打开空气压缩机至气压达到1mpa，关闭空气压缩机；打开调压阀和气阀，通过气管向测头空腔输送气压，当压力传感器显示数据达到预定压力p0（小于1mpa，单位：pa）时，立即关闭调压阀和气阀，同时记下时间t0（单位：min）。

（4）压力传感器数据下降的过程即为空腔内气体向混凝土构件内部扩散的过程，记录某一时刻t1（单位：min）下的压力p1（单位：pa），如压力传感器数据变化过慢，则可在步骤三时通过减少空腔体积的方式加快这一过程，需要注意的是，该体积一旦固定之后将不再更改，以保证被测构件各部位的透气系数api在同一条件获得。

（5）根据气体在多孔介质中的扩散理论，可得表层混凝土透气系数：

上述公式中，各符号意义已在前述描述中体现，不再赘述。根据步骤三和四记录所得的数据，即可计算出被测区域的混凝土透气系数api。

（6）假定被测区域有n个，选定被测构件2个次要被测区域，进行传统的混凝土碳化检测试验，每个被测区域钻孔数为3个，最终以3个观察孔的碳化深度的平均值代表被测区域的碳化深度，得到两组基准数据（api1，d1）、（api2，d2），拟合得到线性函数d=k*api+c，建立碳化深度与透气系数的映射关系。

（7）另外n-2个被测区域的混凝土碳化深度，可由步骤五得到的透气系数api和步骤六得到的线性函数关系式d=k*api+c。

本发明相对现有技术而言，具有以下有益效果：

（1）从面域角度出发，改变了传统的以点带面的碳化深度测量方式，得到的碳化深度具有更高的可靠性，也更能反应混凝土构件表面碳化的真实情况。

（2）采用了橡胶底环，除去基准数据需要2组打孔数据之外，其余测试对混凝土构件几乎无损，这对有保护要求的构件是非常重要的。

（3）橡胶底环与测头采用卡扣式连接，利用气压自动封闭测头卡槽，拆卸方便，易于清理；橡胶底环底部采用了可替换的薄层橡胶密封圈，在测试完毕时可方便地拆除测头与被测构件的粘结连接，避免了繁复的清理工作，提高了工作效率。

（4）测头空腔体积可调节，针对不同混凝土构件可采用不同的空腔体积，提高了本发明装置的适用性和灵敏度，压缩了测试时间。

（5）根据混凝土透气系数与碳化深度的映射关系去推求被测区域整体的碳化深度，有助于减少传统肉眼观测带来的人为误差，规避了传统方法得到的混凝土构件碳化深度离散性较大的不合理现象。

（6）本发明由于测量装置简单、便捷，数采系统能够记录完整的测试数据，方便后续计算处理，因此可并行开展测量任务，特别适用于测试部位众多的混凝土碳化深度测量工作，可望节省大量的人力和时间。

附图说明

图1为本发明一种混凝土碳化深度原位无损测量装置的结构示意图；

图2为本发明一种混凝土碳化深度原位无损测量装置中测头的俯视图；

图3为图2a-a方向的截面结构示意图；

其中标号：1.空气压缩机；2.气阀；3.压力传感器；4.数采系统；5.测头；6.橡胶底环；7.被测混凝土构件；8.气管；9.调压阀。

具体实施方式

实施例1

下面结合附图1-3，对本发明做进一步说明。

一种混凝土碳化深度原位无损测量装置，包括空气压缩机1、气阀2、压力传感器3、数采系统4、测头5、橡胶底环6和调压阀9，测头5下方设有橡胶底环6，测头5包括测头空腔和测头进气口，压力传感器3一端连接测头空腔，压力传感器3另一端与数采系统4连接，测头进气口通过气管8与气阀2相连，气阀2通过气管8同空气压缩机1相连，空气压缩机1通过气管8同调压阀9相连，调压阀9同气阀2相连。测头5和橡胶底环6通过卡扣式连接，压力传感器3采用半导体传感器，量程为0-1.0mpa，精度为0.1%fs，测头5空腔体积可调节。

一种使用上述的混凝土碳化深度原位无损测量装置的方法，包括如下具体步骤：

（1）混凝土构件被测区域表面预处理

混凝土表面的水泥浆膜具有一定的密封作用，可部分阻挡流体介质（液体、气体等）渗入混凝土构件内部，为真实反映构件的透气性能，有必要用钢丝刷刷去混凝土构件表面的水泥浆膜，保证气体能顺利通过混凝土表面进入构件内部。由于采用了橡胶底环6，针对与橡胶底环6粘结部位的一圈混凝土构件表面，尚需做磨平处理，以保证测头与构件粘结牢靠，测头空腔能形成密闭空间。

（2）测头安装和布置

每次安装前需清理测头空腔以及橡胶底环，保证清洁和封闭效果；测头5与被测混凝土构件7通过橡胶底环6胶黏连接，并安装好混凝土碳化深度原位无损测量装置；

出于保护被测混凝土构件7目的，本发明采用粘结方式将测头安装于被测混凝土构件7表面，如条件允许，也可采用卡钳等辅助工具将测头向被测混凝土构件7表面按压以保证测头与测试区域更好的贴合，从而达到更好的密封效果。

涉及多个被测区域的碳化深度测量时，可逐个将测头布置于被测区域，当粘结效果可靠时方可进行下一步的加压工作（根据测头布置先后顺序），防止加压过程测头5脱落。

（3）空气压力的增加与调试

根据被测混凝土构件的实际情况，选定合适的测头空腔体积。高水灰比、低强度的混凝土孔隙率一般较高，其透气性也较好，可选用较大的测头空腔体积；反之，则要选择较小的测头空腔体积，以节省测试时间，提高工作效率。

本发明采用调节空腔体积的方式提升测试的敏感性，如条件允许，也可采用加大测头5底面积（即增大测试区域）的方式提升测试的敏感性，据相关领域学者的研究成果，这两种方式均有效，但是同时使用并无进一步的提升效果。

按图1连接方式安装好测试装置后，设定测头空腔体积为某一定值，打开空气压缩机1至气压达到1mpa，关闭空气压缩机1；打开调压阀和气阀，通过气管8向测头空腔输送气压，当压力传感器显示数据达到预定压力p0（小于1mpa，单位：pa）时，立即关闭调压阀9和气阀1，同时记下时间t0（单位：min）。

（4）实时记录空气压力的变化情况

压力传感器数据下降的过程即为测头空腔内气体向被测混凝土构件7内部扩散的过程，记录某一时刻t1（单位：min）下的压力p1（单位：pa），如压力传感器3数据变化过慢，则可在步骤三时通过减少测头空腔体积的方式加快这一过程，需要注意的是，该体积一旦固定之后将不再更改，以保证被测构件各部位的透气系数api在同一条件获得。

本发明采用压力传感器3与数采系统4连接的方式，实时自动记录测头空腔压力随时间的变化情况。压力传感器3自带电源和信号放大功能，数采系统4具备实时记录并存档数据的功能。选定合适的采样频率采集压力传感器3的响应数据，当压力变化较快时，可选择较大的采样频率，反之，采样频率可选较低数值。

本发明采用的压力传感器3量程和精度并非唯一，如实际需要，可使用量程更大、精度更高的压力传感器3。

本发明装置考虑自动实时观测，以应付大批量的测试工作，如实际测试工作量不大或对自动观测需求不高，可考虑采用压力表记录压力变化情况，用人工方式去记录测头空腔的气压变化情况。

当测试完成时，关闭压力传感器3和数采系统4，断开气阀2和调压阀9之间的连接，然后打开气阀2，将测头空腔内多余的气体排出，最终取回测头5。

（5）混凝土构件表层透气系数的计算

根据气体在多孔介质中的扩散理论，可得表层混凝土透气系数：

上述公式中，各符号意义已在前述描述中体现，不再赘述。根据步骤三和四记录所得的数据，即可计算出被测区域的混凝土透气系数api。

（6）建立碳化深度d与透气系数api的函数关系式

据已有研究，表层混凝土透气系数api与碳化深度d具有较好的线性相关性，因此，需要两组基准数据（api1，d1）、（api2，d2）建立对应的函数关系式。碳化深度的获取采用传统方式，具有较小的破坏性，需要评估被测区域的重要程度和易修复程度，最终从众多被测区域中选定2个最合适的被测区域，进行传统的混凝土碳化检测试验。每个被测区域钻孔数为3个，最终以3个观察孔的碳化深度的平均值代表被测区域的碳化深度，结合第五步得到的表层混凝土透气系数，即可通过线性拟合的方式建立碳化深度d与透气系数api的函数关系式d=k*api+c，作为最终评判混凝土碳化深度的基础和凭据。

（7）定量评估混凝土被测区域的混凝土碳化深度

将第五步得到的各测区混凝土透气系数带入第六步得到的函数关系式，计算各测区混凝土的碳化深度。当出现个别区域碳化深度计算值相比其它区域明显异常时（过小或过大），可通过传统检测方法进行实测验证。

实施例2

其余均与实施例1相同除了在本发明的橡胶底环6底面设有薄层橡胶密封圈，所述薄层橡胶密封圈和橡胶底环6通过可拆卸方式连接（比如粘合的方式）。

同时本发明的步骤（2）中测头5下部通过卡扣式连接有橡胶底环6，橡胶底环6底部以可拆卸方式安装有薄层橡胶密封圈，薄层橡胶密封圈的下表面同被测混凝土构件7的表面紧密贴合。选用可双面粘结的薄层橡胶密封圈，上表面粘结于橡胶底环6底部，下表面粘结于被测混凝土构件7表面，薄层橡胶密封圈应与橡胶底环6和被测混凝土构件7表面紧密贴合，防止测头空腔内的气体外露。

上述实施例是用于例示性说明本发明的原理及其功效，但是本发明并不限于上述实施方式。本领域的技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，在权利要求保护范围内，对上述实施例进行修改。因此本发明的保护范围，应如本发明的权利要求书覆盖。