混凝土酸性化深度三维（3D）测试方法

蔡老虎

南京生物医药谷建设发展有限公司（210000）

0 前言

混凝土材料是当代伟大的发明之一，有着抗压强度高、耐久性好等显著优点。然而，随着现代工业的飞速发展，大气污染问题愈发严重，工业生产排放出大量的CO2、SO2、H2S等大气污染物。这些酸性气体在大气中被转化为物硝酸和硫酸等二次污染物[1]，二次污染物通过降水等形式形成酸雨（pH值低于 5.6）。

越来越多的学者通过室内加速试验进行酸雨环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项重要指标[2]。检测混凝土酸性化深度常用的方法是一维检测方法，即检测混凝土试块各个面的酸性化或中性化深度，再取平均值[3]。牛建刚则提出了混凝土二维中性化深度的测量方法，可采用交点法或直角三角形法进行检测[4]。

传统检测方法属于半破损性检测方法，会对混凝土产生损伤且对后续检测的扰动较大，检测面的选取也不能全面反映混凝土试件酸性化深度变化情况，具有一定的随机性[5]。为此，文章介绍了一种酸性化三维（3D）测试模具，是一种用于混凝土酸性化深度三维（3D）测试的模具，可以准确测量混凝土酸性化深度，科学反应侵蚀离子在混凝土内部侵蚀深度，适用的测量范围大，采样次数不受限制，利于对混凝土酸性化过程进行长期研究[6]。

1 试验用原材料

本试验使用的基准混凝土配合比见表1。水泥选用盘固水泥厂生产的P.O42.5水泥；粉煤灰采用南京悦力电厂的I级粉煤灰；细骨料采用河砂，细度模数为2.6，Ⅱ区中砂；粗骨料采用5~20 mm连续级配石灰石质碎石。

室内加速试验用模拟酸液的配置：使用蒸馏水、硫酸配置pH为2的模拟酸性水侵蚀溶液，并根据酸性水模拟液侵蚀过程中pH变化调整溶液所需硫酸、硝酸用量。

表1 混凝土配合比

2 混凝土酸性化深度三维（3D）测试方法

酸雨环境下，混凝土酸性化深度是反映混凝土耐久性的重要指标。目前常用的混凝土酸性化检测方法有劈裂法、钻孔法及牛建刚提出的混凝土二维中性化深度测量方法。

2.1 混凝土酸性化腐蚀机理

混凝土酸性化是指周围环境中的酸性气体或液体与混凝土的碱性物质发生了化学反应，从而致使混凝土结构酸化的过程。当侵蚀深度超过混凝土保护层厚度，酸性侵蚀离子会破坏钢筋的保护膜，使得钢筋发生锈蚀。钢筋一旦发生锈蚀，会对混凝土结构的安全服役产生不良的影响，钢筋的韧性、强度都会下降，混凝土结构的承载力也会相应降低。

酸性化深度检测则是混凝土酸性化研究的关键所在，准确合理的检测数据是研究的基础。当前，常规的检测方法具有随机性、不连续、不准确等特点。为此，我们提出了混凝土酸性化深度三维（3D）测试方法，利用相应的检测模具，提高检测数据的科学性、合理性、连续性。

2.2 用劈裂法和钻孔法检测混凝土酸性化深度

劈裂法和钻孔法是常用的检测混凝土酸性化深度的方法。将标准混凝土试块浸泡于模拟酸液中，达到相应龄期后，将试块劈开，在相应区域均匀喷酚酞，无色区域即为混凝土酸性化区，使用游标卡尺测定酸性化区的深度，取平均值即为混凝土试块酸性化深度。

钻孔法检测属于半破损性检测方法，使用适当的工具在相应侵蚀龄期的混凝土试块表面钻取相应孔洞，然后使用酚酞对孔洞内进行均匀喷涂，无色区域即为混凝土的酸性化区。使用碳化（酸性化）深度测定仪或游标卡尺检测酸性化区深度，取平均值即为混凝土试块的酸性化深度。

上述检测方法属于一维、二维的检测方法，存在如下特点：1）检测点、检测区域的选取具有随机性，不能全面反映混凝土侵蚀区域的酸性化情况；2）破损法检测方法使得试验研究过程中检测数据不具有连续性、代表性、同一性；3）进行长龄期研究需要很多的检测试块，试验的工作量大；4）破损面粗糙、不平整导致试剂变色界限不易确定。

2.3 混凝土酸性化深度三维（3D）测试方法

准确地进行混凝土酸性化深度检测是混凝土酸性化研究的关键技术。随着酸性离子腐蚀的进行，酸性离子的渗入会导致混凝土pH值降低。pH值的降低会对混凝土及钢筋产生不良的影响，此过程即为混凝土酸性化过程。酚酞在酸性及中和的溶液为无色，使用酚酞可以较好地进行酸性化区域的判定。

酸性水环境下侵蚀溶液对混凝土的腐蚀是一个立体的过程，因此，有必要设计一个混凝土酸性化深度三维（3D）测试的模具。利用球面立体化的特点，我们设计了一种用于混凝土酸性化深度三维（3D）测试的模具，如图1和图2所示。

图1 酸性化深度测试模具剖视图

图2 酸性化深度测试模具俯视图

随着时间的推移，腐蚀离子通过混凝土孔隙逐步向上侵蚀。混凝土结构主要为碱性物质，酸性侵蚀离子与混凝土中的水化硅酸钙、水化铝酸钙等物质发生化学反应，致使其溶解、溶出。混凝土内部结构遭到破坏，被腐蚀区域开始酸化，pH值慢慢下降。我们利用混凝土酸性化深度三维（3D）测试的模具成型了特殊试块，先在模具的内壁涂刷润滑液以形成一层润滑膜，然后灌注水泥基材料，振捣抹平后，将密封盖固定，一天后脱膜成型。养护28 d后，试块除了接触酸性侵蚀溶液的一个底面外，其余面均用加热石蜡进行密封处理。将试块放置于腐蚀溶液中进行加速腐蚀，相应龄期后对试块的球缺形封蜡表面作去蜡处理，并作清洁、干燥处理，随即在试块球形内弧面喷酚酞形成变色弧面，然后选取4～8个测量点，用卡尺分别测出弦长，根据设计尺寸，算出测点的酸性化深度，取均值即为该龄期混凝土的酸性化深度。测完后进行干燥处理，对球形表面作封蜡处理，便可继续进行酸性腐蚀试验。

酸性离子对混凝土结构的侵蚀实质上是一种立体三维、持续的过程，常规的检测方法只能进行二维、间断地检测。利用混凝土酸性化深度三维（3D）测试的模具成型的特殊试块，其球形内弧面有效提供了酸性离子的三维侵蚀空间，其侵蚀弧面模拟了一个立体侵蚀的过程，且同一个试块可以连续使用。在相应的腐蚀龄期，腐蚀离子在球形弧面上形成腐蚀区，可根据科研检测需求对试块进行三维和连续的检测。

图3 酸性化深度测试模具剖视图尺寸（mm）

我们选取了科研检测中常用的劈裂法进行混凝土酸性化深度进行对比检测，如图4所示。检测结果显示，不同龄期的混凝土酸性化深度数据缺乏连续性，检测数据出现了上下波动的情况，甚至出现了长腐蚀龄期的酸性化深度低于短龄期的情况。分析原因为，由于劈裂法属于破损性检测方法，同一个试块只能检测一次，鉴于试验过程成型的混凝土试块或多或少存在一定的差异性，混凝土的酸性化腐蚀速率也不尽相同。因此，不同龄期检测的试块都是不同的试块，检测数据缺乏同一性和连续性，采样次数也受到成型试块数量的限制。

如图4、图5所示，我们利用混凝土酸性化深度三维（3D）测试方法对酸性水环境下的混凝土进行持续、不间断地检测、监测。相关数据显示，在强酸（pH为2）环境下，混凝土的酸性化腐蚀速率较快，其腐蚀系数也高于pH为4的酸性环境。拟合曲线也显示，酸性化腐蚀是一个连续的过程。

图4 不同p H值混凝土酸性化深度曲线（常规方法）

图5 不同p H值混凝土酸性化深度曲线（3D法）

图6 pH值与酸性化速度系数关系（3D法）

3 结语

利用混凝土酸性化深度三维（3D）测试方法可对酸性水环境下的混凝土进行持续、不间断地检测、监测，有效避免了传统测试方法的弊端，具有测量区域立体性、测量值准确性高等特点，科学反应侵蚀离子在混凝土内部侵蚀深度，适用的测量范围大，采样次数不受限制，利于对混凝土酸性化过程进行长期研究。