混凝土酸性化深度三維（3D）測試方法

蔡老虎

南京生物醫藥谷建設發展有限公司（210000）

0 前言

混凝土材料是當代偉大的發明之一，有著抗壓強度高、耐久性好等顯著優點。然而，隨著現代工業的飛速發展，大氣污染問題愈發嚴重，工業生產排放出大量的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）。

越來越多的學者通過室內加速試驗進行酸雨環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[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行檢測[4]。

傳統檢測方法屬于半破損性檢測方法，會對混凝土產生損傷且對后續檢測的擾動較大，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，可以準確測量混凝土酸性化深度，科學反應侵蝕離子在混凝土內部侵蝕深度，適用的測量范圍大，采樣次數不受限制，利于對混凝土酸性化過程進行長期研究[6]。

1 試驗用原材料

本試驗使用的基準混凝土配合比見表1。水泥選用盤固水泥廠生產的P.O42.5水泥；粉煤灰采用南京悅力電廠的I級粉煤灰；細骨料采用河砂，細度模數為2.6，Ⅱ區中砂；粗骨料采用5~20 mm連續級配石灰石質碎石。

室內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，并根據酸性水模擬液侵蝕過程中pH變化調整溶液所需硫酸、硝酸用量。

表1 混凝土配合比

2 混凝土酸性化深度三維（3D）測試方法

酸雨環境下，混凝土酸性化深度是反映混凝土耐久性的重要指標。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。

2.1 混凝土酸性化腐蝕機理

混凝土酸性化是指周圍環境中的酸性氣體或液體與混凝土的堿性物質發生了化學反應，從而致使混凝土結構酸化的過程。當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，使得鋼筋發生銹蝕。鋼筋一旦發生銹蝕，會對混凝土結構的安全服役產生不良的影響，鋼筋的韌性、強度都會下降，混凝土結構的承載力也會相應降低。

酸性化深度檢測則是混凝土酸性化研究的關鍵所在，準確合理的檢測數據是研究的基礎。當前，常規的檢測方法具有隨機性、不連續、不準確等特點。為此，我們提出了混凝土酸性化深度三維（3D）測試方法，利用相應的檢測模具，提高檢測數據的科學性、合理性、連續性。

2.2 用劈裂法和鉆孔法檢測混凝土酸性化深度

劈裂法和鉆孔法是常用的檢測混凝土酸性化深度的方法。將標準混凝土試塊浸泡于模擬酸液中，達到相應齡期后，將試塊劈開，在相應區域均勻噴酚酞，無色區域即為混凝土酸性化區，使用游標卡尺測定酸性化區的深度，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，使用適當的工具在相應侵蝕齡期的混凝土試塊表面鉆取相應孔洞，然后使用酚酞對孔洞內進行均勻噴涂，無色區域即為混凝土的酸性化區。使用碳化（酸性化）深度測定儀或游標卡尺檢測酸性化區深度，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、檢測區域的選取具有隨機性，不能全面反映混凝土侵蝕區域的酸性化情況；2）破損法檢測方法使得試驗研究過程中檢測數據不具有連續性、代表性、同一性；3）進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、不平整導致試劑變色界限不易確定。

2.3 混凝土酸性化深度三維（3D）測試方法

準確地進行混凝土酸性化深度檢測是混凝土酸性化研究的關鍵技術。隨著酸性離子腐蝕的進行，酸性離子的滲入會導致混凝土pH值降低。pH值的降低會對混凝土及鋼筋產生不良的影響，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行酸性化區域的判定。

酸性水環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構主要為堿性物質，酸性侵蝕離子與混凝土中的水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等物質發生化學反應，致使其溶解、溶出。混凝土內部結構遭到破壞，被腐蝕區域開始酸化，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行密封處理。將試塊放置于腐蝕溶液中進行加速腐蝕，相應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，根據設計尺寸，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。測完后進行干燥處理，對球形表面作封蠟處理，便可繼續進行酸性腐蝕試驗。

酸性離子對混凝土結構的侵蝕實質上是一種立體三維、持續的過程，常規的檢測方法只能進行二維、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使用。在相應的腐蝕齡期，腐蝕離子在球形弧面上形成腐蝕區，可根據科研檢測需求對試塊進行三維和連續的檢測。

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行混凝土酸性化深度進行對比檢測，如圖4所示。檢測結果顯示，不同齡期的混凝土酸性化深度數據缺乏連續性，檢測數據出現了上下波動的情況，甚至出現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，檢測數據缺乏同一性和連續性，采樣次數也受到成型試塊數量的限制。

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境下的混凝土進行持續、不間斷地檢測、監測。相關數據顯示，在強酸（pH為2）環境下，混凝土的酸性化腐蝕速率較快，其腐蝕系數也高于pH為4的酸性環境。擬合曲線也顯示，酸性化腐蝕是一個連續的過程。

圖4 不同p H值混凝土酸性化深度曲線（常規方法）

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關系（3D法）

3 結語

利用混凝土酸性化深度三維（3D）測試方法可對酸性水環境下的混凝土進行持續、不間斷地檢測、監測，有效避免了傳統測試方法的弊端，具有測量區域立體性、測量值準確性高等特點，科學反應侵蝕離子在混凝土內部侵蝕深度，適用的測量范圍大，采樣次數不受限制，利于對混凝土酸性化過程進行長期研究。