砂浆和混凝土中硫酸根离子扩散系数测定装置及方法与流程

本发明涉及混凝土耐久性试验测试
技术领域：
，具体涉及一种砂浆和混凝土中硫酸根离子扩散系数测定装置及方法。
背景技术：
：硫酸盐侵蚀是影响水泥基材料耐久性的主要原因之一，包括内部和外部硫酸盐侵蚀。内部硫酸盐侵蚀主要来源于过量石膏或外加剂引入硫酸盐，外部硫酸盐侵蚀主要由于海水、地下水、河水和盐碱地中大量的硫酸盐，侵入水泥基材料内部，和水泥水化产物氢氧化钙和单硫型硫铝酸钙或未完全水化矿物铝酸三钙反应，生成钙矾石和石膏等膨胀性产物引起结构膨胀开裂。对于含碳酸钙水泥基材料，硫酸盐或硫酸盐产物还将与碳酸钙以及水化硅酸钙或未反应的硅酸钙矿物发生化学反应生成碳硫硅钙石，引起水泥基材料结构溃散破坏。外部硫酸盐侵蚀的发生源于硫酸根离子的侵入、扩散、渗透和破坏。侵蚀过程按照离子作用可分为三个过程：(1)硫酸根离子以扩散作用的方式进入水中，以水溶硫酸根离子形式存在，通过水介质传播进入水泥基材料孔隙内部；(2)水化产物氢氧化钙与孔隙溶液中硫酸根离子发生化学反应，生成溶解度比较低的caso4，小部分的caso4在水中溶解，大部分在溶液中达到离子饱和后，以水合硫酸钙形式析出，产生结晶膨胀；(3)硫酸钙与铝酸三钙、水化铝酸钙、单硫型硫铝酸钙反应生成溶解度较低的钙矾石，钙矾石快速析晶，导致孔隙外壁受压，水泥基体发生膨胀开裂。外部硫酸盐侵蚀作用由水泥基材料表层逐渐延伸至结构内部，不断与水泥基体发生化学反应生成膨胀性产物，水泥基材料破坏程度随之严重。研究硫酸盐扩散系数可表征水泥砂浆和混凝土结构的硫酸盐扩散渗透程度，评价砂浆和混凝土硫酸盐侵蚀破坏情况。目前，硫酸盐扩散研究主要通过测定不同深度水泥基材料硫酸盐产物或硫酸根离子溶出浓度来表征，能够定性表征硫酸盐侵入和反应程度，然而不能定量表征硫酸根离子的扩散系数。目前，主要采用电通量法、稳态电迁移试验方法、非稳态电迁移试验方法和饱盐电导率法测定混凝土材料氯离子扩散系数，同时也有专利提出钙离子扩散系数测定方法。其中，氯离子扩散系数测定方法(rcm)根据扩散深度计算扩散系数，钙离子扩散系数测定方法(cn201210106775)，根据钙离子迁移速率计算扩散系数。但是还未有专门用于测定硫酸根离子扩散系数的装置及方法的报道。技术实现要素：发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种砂浆和混凝土中硫酸根离子扩散系数测定装置及方法，从而定量表征外部硫酸盐在砂浆和混凝土中的侵入和扩散特性。为了解决实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：一种砂浆和混凝土中硫酸根离子扩散系数测定装置，包括直流电源、阳极板、阴极板、阳极端溶液装载槽、阴极端溶液装载槽以及试件装载槽；所述阳极端溶液装载槽内装有氢氧化钠水溶液，所述阳极板位于阳极端溶液装载槽内，且浸入氢氧化钠水溶液内；所述阴极端溶液装载槽内装有硫酸盐和氢氧化钠的混合水溶液，所述阴极板位于阴极端溶液装载槽内，且浸入硫酸盐和氢氧化钠的混合水溶液内；所述试件装载槽用于放置测试试件，其位于阳极端溶液装载槽和阴极端溶液装载槽之间，两端分别与阳极端溶液装载槽和阴极端溶液装载槽连通；所述阳极板和阴极板分别通过导线与直流电源的正、负极连接。具体地，所述阳极端溶液装载槽和阴极端溶液装载槽均为直角弯管，所述试件装载槽为直管；阳极端溶液装载槽和阴极端溶液装载槽顶端开口分别用于对应的阳极板、阴极板通过导线与直流电源的正负极连接，底端开口分别与试件装载槽的两端开口固定。优选地，所述阳极板和阴极板均为薄铁板，顶部通过导线分别与直流电源的正负极连接。优选地，所述测试试件的侧面涂覆有一层环氧树脂，且与试件装载槽内壁相互贴合，并通过环氧树脂进行密封；测试试件接触溶液的两面均为平面。优选地，所述阳极端溶液装载槽和阴极端溶液装载槽均为pvc材质的直角弯管；所述试件装载槽为硅橡胶材质的直软管，方便与测试试件侧面通过环氧树脂密封，同时直软管方便跟换。进一步地，本发明还提供采用上述装置测定砂浆和混凝土中硫酸根离子扩散系数的方法，包括如下步骤：s1：将养护至龄期的砂浆和混凝土试块切割成与试件装载槽截面相同的测试试件，同时保证切割面平整；s2：在所得测试试件的侧面均匀涂抹一层环氧树脂并静止固化，然后将测试试件放置于试件装载槽中部，使得测试试件侧面与试件装载槽内壁贴合，两端切面与试件装载槽两端开口平行；随后采用针筒吸取环氧树脂均匀涂抹在测试试件侧面与试件装载槽的内接触面，确保试样侧面密封；s3：将装载有测试试件的试件装载槽的两端开口，分别与阳极端溶液装载槽和阴极端溶液装载槽固定并连通；s4：将阳极板和阴极板分别通过导线与直流电源的正、负极连接，并将阳极板和阴极板分别固定在阳极端溶液装载槽和阴极端溶液装载槽内；s5：向阳极端溶液装载槽内注入氢氧化钠水溶液，向阴极端溶液装载槽内注入硫酸盐和氢氧化钠的混合水溶液，并完全没过阳极板、阴极板和测试试件；s6：设定工作电压，接通直流电源开关，通电后连续测定阳极端溶液装载槽内硫酸根离子的浓度，通过绘制硫酸根离子浓度曲线，根据曲线拟合得到硫酸根离子扩散渗透的初始时间t0；s7：计算硫酸根离子扩散系数其中d为测试试件厚度，r为气体常数，t为温度，f为法拉第常数，e为电场强度，z为电荷数，t0为硫酸根离子扩散渗透的初始时间。硫酸根离子扩散系数的计算公式，是根据nernst–einstein方程以及推导变形获得。优选地，步骤s5中，所述氢氧化钠水溶液的浓度为0.1-1.0mol/l；所述硫酸盐和氢氧化钠的混合水溶液中，硫酸盐的浓度为0.1-1.0mol/l，氢氧化钠的浓度为0.1-1.0mol/l。优选地，步骤s6中，所述的工作电压为30-60v。优选地，测定的实验温度t控制在5-45℃下进行。侵入离子包括硫酸根离子、氯离子和钙离子在侵入渗透水泥混凝土基体的过程中会与混凝土基体发生化学反应，通过测试硫酸根离子渗透过一定厚度样品的初始时间来计算扩散系数，可涵盖表征硫酸根离子侵入并参与化学反应部分，然而，由于混凝土样品的不均匀性，氯离子扩散系数采用的侵入深度计算和钙离子扩散系数采用的迁移速率计算均不能有效涵盖表征离子参与化学反应部分。本发明是基于非稳态电迁移试验原理，提出的硫酸根离子扩散系数测定方法，与根据氯离子侵入深度计算扩散系数的快速氯离子电迁移测定(rcm)方法和根据电子迁移速率来计算钙离子扩散系数测定方法相比，硫酸根离子扩散系数根据硫酸根离子渗透过测试样品进入目标溶液的初始时间计算得出，该方法更为准确，且计算过程更为精简。有益效果：本发明基于非稳态电迁移试验原理，首次通过测定硫酸根离子扩散渗透的初始时间来计算硫酸根离子扩散系数，实现硫酸根离子扩散性能的定量表征，为硫酸盐侵蚀研究提供了新的表征方法；通过电场加速硫酸根离子在砂浆和混凝土中的扩散，实现硫酸根离子扩散系数的快速分析；本发明装置结构简单，操作方便，对实验条件如场地、环境等无特殊要求，非常有利于试验的开展。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。图1为本发明硫酸根离子扩散系数测定装置的结构示意图。图2为采用硫酸根离子扩散系数测定装置测得砂浆m1试件硫酸根离子浓度随时间变化的曲线。图3为采用硫酸根离子扩散系数测定装置测得混凝土c1试件硫酸根离子浓度随时间变化的曲线。其中，各附图标记分别代表：1直流电源；2阳极板；3阴极板；4阳极端溶液装载槽；5阴极端溶液装载槽；6试件装载槽；7测试试件。具体实施方式根据下述实施例，可以更好地理解本发明。如图1所示，该砂浆和混凝土中硫酸根离子扩散系数测定装置包括直流电源1、阳极板2、阴极板3、阳极端溶液装载槽4、阴极端溶液装载槽5以及试件装载槽6。其中，阳极端溶液装载槽4内装有氢氧化钠水溶液，所述阳极板2位于阳极端溶液装载槽4内，且浸入氢氧化钠水溶液内。阴极端溶液装载槽5内装有硫酸盐和氢氧化钠的混合水溶液，所述阴极板3位于阴极端溶液装载槽5内，且浸入硫酸盐和氢氧化钠的混合水溶液内。试件装载槽6用于放置测试试件7，其位于阳极端溶液装载槽4和阴极端溶液装载槽5之间，两端分别与阳极端溶液装载槽4和阴极端溶液装载槽5连通。所述阳极板2和阴极板3分别通过导线与直流电源1的正、负极连接。直流电源1采用市售40v/5a可调节直流电源，配有正负极连接导线；阳极板2和阴极板3均采用长5cm、宽5cm、厚1cm的薄铁板，顶部通过导线分别与直流电源1的正负极连接。阳极端溶液装载槽4和阴极端溶液装载槽5均为pvc材质的直角弯管，内径为50mm；试件装载槽6为硅橡胶材质的直软管，内径50mm，方便与测试试件侧面通过环氧树脂密封，同时直软管方便跟换。阳极端溶液装载槽4和阴极端溶液装载槽5顶端开口分别用于对应的阳极板2、阴极板3通过导线与直流电源1的正负极连接，底端开口分别与试件装载槽6的两端开口固定。使用时，采用切割机将养护到28天龄期的砂浆或混凝土试件切成直径50mm、高8mm或20mm的圆柱体试样(砂浆试块为8mm，混凝土试块为20mm)，确保与溶液接触的两面为平整表面，在圆柱体试样侧面均匀涂抹薄薄一层环氧树脂并静止固化。将待测试样放置于硅胶软管中部，采用针筒吸取环氧树脂均匀涂抹试样侧面与硅胶软管的内接触面，确保试样侧面密封。硫酸盐-氢氧化钠溶液装载槽和氢氧化钠溶液装载槽采用内径为50mm的pvc弯管，试件装载的硅胶软管两端分别与硫酸盐-氢氧化钠溶液和氢氧化钠溶液装载弯管固定连接，保持两端长度相等。将阳极铁片置于氢氧化钠溶液槽中，阴极铁片置于硫酸盐-氢氧化钠溶液装载槽中并固定，通过导线将阳极和阴极分别连接至直流电源的正负两极。整个测试装置可采用铁架台进行固定。采用上述装置分别测定砂浆和混凝土试块的硫酸根离子扩散系数，具体步骤如下：s1：将养护至28d龄期的砂浆和混凝土试块分别切割成为直径50mm、高8mm和直径50mm、高20mm的圆柱体待测试件，同时保证切割面平整；s2：在所得测试试件7的侧面均匀涂抹一层环氧树脂并静止固化，然后将测试试件7放置于试件装载槽6中部，使得测试试件7侧面与试件装载槽6内壁贴合，两端切面与试件装载槽6两端开口平行；采用针筒吸取环氧树脂均匀涂抹在测试试件7侧面与试件装载槽6的内接触面，确保试样侧面密封；s3：将装载有测试试件7的试件装载槽6的两端开口，分别与阳极端溶液装载槽4和阴极端溶液装载槽5固定并连通；s4：将阳极板2和阴极板3分别通过导线与直流电源1的正、负极连接，并将阳极板2和阴极板3分别固定在阳极端溶液装载槽4和阴极端溶液装载槽5内；s5：向阳极端溶液装载槽4内注入800ml的0.3mol/l的naoh水溶液，向阴极端溶液装载槽5内注入800ml的0.5mol/lna2so4-0.3mol/lnaoh溶液，并完全没过阳极板2、阴极板3和测试试件7；s6：设定工作电压30±0.2v，接通直流电源1开关，通电后连续测定阳极端溶液装载槽4内硫酸根离子的浓度，通电168h后切断电源；获得硫酸根离子浓度曲线，根据曲线拟合得到硫酸根离子扩散渗透的初始时间t0；试验过程开展在室温条件下(20℃)进行，试验结束后关闭电源，取出试样。s7：计算硫酸根离子扩散系数：根据nernst–einstein方程以及得到其中d为测试试件厚度，r为气体常数，t为温度，f为法拉第常数，e为电场强度，z为电荷数，t0为硫酸根离子扩散渗透的初始时间。砂浆m1试件制备采用450g水泥，1350g砂，0.5水灰比。表1为混凝土试块的配合比，表2给出了各试块通过上述方法测定的硫酸根离子扩散系数。表1测定砂浆和混凝土的硫酸根离子扩散系数，砂浆m1试件的硫酸根离子扩散渗透初始时间t0为420min(如图2所示)，计算得到的硫酸根离子扩散系数如下：其中d＝0.008m，r＝8.314j/mol·k，t＝295k，f＝96485c/mol，e＝150v/m，z＝2，t0＝420min，计算得到d＝2.69×10-11m2/s。混凝土c1试件的硫酸根离子扩散渗透初始时间t0为1250min(如图3所示)，计算得到的硫酸根离子扩散系数如下：其中d＝0.02m，r＝8.314j/mol·k，t＝295k，f＝96485c/mol，e＝150v/m，z＝2，t0＝1250min，计算得到d＝2.26×10-11m2/s。表2编号t0(min)28天硫酸根离子扩散系数(10-11m2/s)m14202.69c112502.26c213472.09c314691.92c413982.02由于缺少同类硫酸根离子扩散系数评价方法，不能直接对比硫酸根离子扩散系数测试数据或计算结果准确性，只能通过混凝土孔结构性能间接评测硫酸根离子扩散系数测试准确度。本发明实施例采用普通混凝土、掺粉煤灰、矿渣和硅灰混凝土，测定28天硫酸根离子扩散系数。混凝土矿物掺合料，如粉煤灰、矿渣和硅灰均有利于混凝土结构细化，降低孔隙率，从而减少硫酸根离子扩散。混凝土孔结构表征方法采用压汞法和氮吸附法表征。以往测试混凝土扩散特性，氯离子扩散系数计算表征较多，很多文献中有孔结构性能与氯离子扩散系数一致性的研究结果。混凝土孔结构性能或密实度与离子扩散具有直接关系，孔越少越小，结构越密实，离子越难以渗透扩散(氯离子、钙离子和硫酸根离子具有相同规律)，扩散系数越小，因而能够直接判断孔结构性能与扩散系数的影响关系。离子扩散系数与混凝土孔结构具有一定关系，混凝土中掺入粉煤灰、矿渣和硅灰等掺合料有助于混凝土孔结构的细化，减少离子渗透扩散。根据表2可知，混凝土硫酸根离子扩散系数：掺矿渣混凝土c3<掺硅灰混凝土c4<掺粉煤灰混凝土c2<普通混凝土c1<砂浆m1，表明掺合料有助于抑制混凝土中硫酸根离子扩散渗透，降低扩散系数，测试结果与混凝土性能表征一致，具有规律性和准确性。本发明提供了一种砂浆和混凝土中硫酸根离子扩散系数测定装置及方法的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本
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的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。当前第1页12