蔡老虎
南京生物醫(yī)藥谷建設(shè)發(fā)展有限公司(210000)
混凝土材料是當(dāng)代偉大的發(fā)明之一,有著抗壓強度高、耐久性好等顯著優(yōu)點。然而,隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展,大氣污染問題愈發(fā)嚴(yán)重,工業(yè)生產(chǎn)排放出大量的CO2、SO2、H2S等大氣污染物。這些酸性氣體在大氣中被轉(zhuǎn)化為物硝酸和硫酸等二次污染物[1],二次污染物通過降水等形式形成酸雨(pH值低于 5.6)。
越來越多的學(xué)者通過室內(nèi)加速試驗進(jìn)行酸雨環(huán)境下混凝土耐久性研究,酸性化深度是衡量混凝土耐久性的一項重要指標(biāo)[2]。檢測混凝土酸性化深度常用的方法是一維檢測方法,即檢測混凝土試塊各個面的酸性化或中性化深度,再取平均值[3]。牛建剛則提出了混凝土二維中性化深度的測量方法,可采用交點法或直角三角形法進(jìn)行檢測[4]。
傳統(tǒng)檢測方法屬于半破損性檢測方法,會對混凝土產(chǎn)生損傷且對后續(xù)檢測的擾動較大,檢測面的選取也不能全面反映混凝土試件酸性化深度變化情況,具有一定的隨機性[5]。為此,文章介紹了一種酸性化三維(3D)測試模具,是一種用于混凝土酸性化深度三維(3D)測試的模具,可以準(zhǔn)確測量混凝土酸性化深度,科學(xué)反應(yīng)侵蝕離子在混凝土內(nèi)部侵蝕深度,適用的測量范圍大,采樣次數(shù)不受限制,利于對混凝土酸性化過程進(jìn)行長期研究[6]。
本試驗使用的基準(zhǔn)混凝土配合比見表1。水泥選用盤固水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5水泥;粉煤灰采用南京悅力電廠的I級粉煤灰;細(xì)骨料采用河砂,細(xì)度模數(shù)為2.6,Ⅱ區(qū)中砂;粗骨料采用5~20 mm連續(xù)級配石灰石質(zhì)碎石。
室內(nèi)加速試驗用模擬酸液的配置:使用蒸餾水、硫酸配置pH為2的模擬酸性水侵蝕溶液,并根據(jù)酸性水模擬液侵蝕過程中pH變化調(diào)整溶液所需硫酸、硝酸用量。
表1 混凝土配合比
酸雨環(huán)境下,混凝土酸性化深度是反映混凝土耐久性的重要指標(biāo)。目前常用的混凝土酸性化檢測方法有劈裂法、鉆孔法及牛建剛提出的混凝土二維中性化深度測量方法。
混凝土酸性化是指周圍環(huán)境中的酸性氣體或液體與混凝土的堿性物質(zhì)發(fā)生了化學(xué)反應(yīng),從而致使混凝土結(jié)構(gòu)酸化的過程。當(dāng)侵蝕深度超過混凝土保護層厚度,酸性侵蝕離子會破壞鋼筋的保護膜,使得鋼筋發(fā)生銹蝕。鋼筋一旦發(fā)生銹蝕,會對混凝土結(jié)構(gòu)的安全服役產(chǎn)生不良的影響,鋼筋的韌性、強度都會下降,混凝土結(jié)構(gòu)的承載力也會相應(yīng)降低。
酸性化深度檢測則是混凝土酸性化研究的關(guān)鍵所在,準(zhǔn)確合理的檢測數(shù)據(jù)是研究的基礎(chǔ)。當(dāng)前,常規(guī)的檢測方法具有隨機性、不連續(xù)、不準(zhǔn)確等特點。為此,我們提出了混凝土酸性化深度三維(3D)測試方法,利用相應(yīng)的檢測模具,提高檢測數(shù)據(jù)的科學(xué)性、合理性、連續(xù)性。
劈裂法和鉆孔法是常用的檢測混凝土酸性化深度的方法。將標(biāo)準(zhǔn)混凝土試塊浸泡于模擬酸液中,達(dá)到相應(yīng)齡期后,將試塊劈開,在相應(yīng)區(qū)域均勻噴酚酞,無色區(qū)域即為混凝土酸性化區(qū),使用游標(biāo)卡尺測定酸性化區(qū)的深度,取平均值即為混凝土試塊酸性化深度。
鉆孔法檢測屬于半破損性檢測方法,使用適當(dāng)?shù)墓ぞ咴谙鄳?yīng)侵蝕齡期的混凝土試塊表面鉆取相應(yīng)孔洞,然后使用酚酞對孔洞內(nèi)進(jìn)行均勻噴涂,無色區(qū)域即為混凝土的酸性化區(qū)。使用碳化(酸性化)深度測定儀或游標(biāo)卡尺檢測酸性化區(qū)深度,取平均值即為混凝土試塊的酸性化深度。
上述檢測方法屬于一維、二維的檢測方法,存在如下特點:1)檢測點、檢測區(qū)域的選取具有隨機性,不能全面反映混凝土侵蝕區(qū)域的酸性化情況;2)破損法檢測方法使得試驗研究過程中檢測數(shù)據(jù)不具有連續(xù)性、代表性、同一性;3)進(jìn)行長齡期研究需要很多的檢測試塊,試驗的工作量大;4)破損面粗糙、不平整導(dǎo)致試劑變色界限不易確定。
準(zhǔn)確地進(jìn)行混凝土酸性化深度檢測是混凝土酸性化研究的關(guān)鍵技術(shù)。隨著酸性離子腐蝕的進(jìn)行,酸性離子的滲入會導(dǎo)致混凝土pH值降低。pH值的降低會對混凝土及鋼筋產(chǎn)生不良的影響,此過程即為混凝土酸性化過程。酚酞在酸性及中和的溶液為無色,使用酚酞可以較好地進(jìn)行酸性化區(qū)域的判定。
酸性水環(huán)境下侵蝕溶液對混凝土的腐蝕是一個立體的過程,因此,有必要設(shè)計一個混凝土酸性化深度三維(3D)測試的模具。利用球面立體化的特點,我們設(shè)計了一種用于混凝土酸性化深度三維(3D)測試的模具,如圖1和圖2所示。
圖1 酸性化深度測試模具剖視圖
圖2 酸性化深度測試模具俯視圖
隨著時間的推移,腐蝕離子通過混凝土孔隙逐步向上侵蝕?;炷两Y(jié)構(gòu)主要為堿性物質(zhì),酸性侵蝕離子與混凝土中的水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),致使其溶解、溶出?;炷羶?nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞,被腐蝕區(qū)域開始酸化,pH值慢慢下降。我們利用混凝土酸性化深度三維(3D)測試的模具成型了特殊試塊,先在模具的內(nèi)壁涂刷潤滑液以形成一層潤滑膜,然后灌注水泥基材料,振搗抹平后,將密封蓋固定,一天后脫膜成型。養(yǎng)護28 d后,試塊除了接觸酸性侵蝕溶液的一個底面外,其余面均用加熱石蠟進(jìn)行密封處理。將試塊放置于腐蝕溶液中進(jìn)行加速腐蝕,相應(yīng)齡期后對試塊的球缺形封蠟表面作去蠟處理,并作清潔、干燥處理,隨即在試塊球形內(nèi)弧面噴酚酞形成變色弧面,然后選取4~8個測量點,用卡尺分別測出弦長,根據(jù)設(shè)計尺寸,算出測點的酸性化深度,取均值即為該齡期混凝土的酸性化深度。測完后進(jìn)行干燥處理,對球形表面作封蠟處理,便可繼續(xù)進(jìn)行酸性腐蝕試驗。
酸性離子對混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕實質(zhì)上是一種立體三維、持續(xù)的過程,常規(guī)的檢測方法只能進(jìn)行二維、間斷地檢測。利用混凝土酸性化深度三維(3D)測試的模具成型的特殊試塊,其球形內(nèi)弧面有效提供了酸性離子的三維侵蝕空間,其侵蝕弧面模擬了一個立體侵蝕的過程,且同一個試塊可以連續(xù)使用。在相應(yīng)的腐蝕齡期,腐蝕離子在球形弧面上形成腐蝕區(qū),可根據(jù)科研檢測需求對試塊進(jìn)行三維和連續(xù)的檢測。
圖3 酸性化深度測試模具剖視圖尺寸(mm)
我們選取了科研檢測中常用的劈裂法進(jìn)行混凝土酸性化深度進(jìn)行對比檢測,如圖4所示。檢測結(jié)果顯示,不同齡期的混凝土酸性化深度數(shù)據(jù)缺乏連續(xù)性,檢測數(shù)據(jù)出現(xiàn)了上下波動的情況,甚至出現(xiàn)了長腐蝕齡期的酸性化深度低于短齡期的情況。分析原因為,由于劈裂法屬于破損性檢測方法,同一個試塊只能檢測一次,鑒于試驗過程成型的混凝土試塊或多或少存在一定的差異性,混凝土的酸性化腐蝕速率也不盡相同。因此,不同齡期檢測的試塊都是不同的試塊,檢測數(shù)據(jù)缺乏同一性和連續(xù)性,采樣次數(shù)也受到成型試塊數(shù)量的限制。
如圖4、圖5所示,我們利用混凝土酸性化深度三維(3D)測試方法對酸性水環(huán)境下的混凝土進(jìn)行持續(xù)、不間斷地檢測、監(jiān)測。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示,在強酸(pH為2)環(huán)境下,混凝土的酸性化腐蝕速率較快,其腐蝕系數(shù)也高于pH為4的酸性環(huán)境。擬合曲線也顯示,酸性化腐蝕是一個連續(xù)的過程。
圖4 不同p H值混凝土酸性化深度曲線(常規(guī)方法)
圖5 不同p H值混凝土酸性化深度曲線(3D法)
圖6 pH值與酸性化速度系數(shù)關(guān)系(3D法)
利用混凝土酸性化深度三維(3D)測試方法可對酸性水環(huán)境下的混凝土進(jìn)行持續(xù)、不間斷地檢測、監(jiān)測,有效避免了傳統(tǒng)測試方法的弊端,具有測量區(qū)域立體性、測量值準(zhǔn)確性高等特點,科學(xué)反應(yīng)侵蝕離子在混凝土內(nèi)部侵蝕深度,適用的測量范圍大,采樣次數(shù)不受限制,利于對混凝土酸性化過程進(jìn)行長期研究。