CN107525852A - 一种基于超声法的混凝土碳化深度测试方法 - Google Patents

一种基于超声法的混凝土碳化深度测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于超声法的混凝土碳化深度测试方法，包括下述步骤：步骤1，成型混凝土试件，拆模养护后进行碳化；步骤2，对试件进行超声测试，获取试件的声速值；步骤3，采用指示剂法，测得试件的碳化深度；步骤4，对获得的声速值和碳化深度值进行拟合分析，得出声速值与碳化深度之间的关系，然后通过测试试件的声速值来获得对应混凝土的碳化深度。该混凝土碳化深度测试方法基于超声法建立混凝土碳化深度测试曲线，可以在不破坏试件的条件下，只需测试超声波声速，即可检测出混凝土的碳化深度，测试过程保证了试样完整性，避免劈裂试件所引入的损伤，同时保证了测试结果的准确性，但测试方法更简洁。

Description

一种基于超声法的混凝土碳化深度测试方法
技术领域
本发明涉及一种混凝土碳化深度测试方法，具体涉及一种基于超声法的混凝土碳化深度测试方法，属于建筑材料检测领域。
背景技术
混凝土作为一种经济的建筑材料已经广泛的应用于建筑领域。混凝土在制备后会在内部发生水泥的水化反应，在水泥水化结束后，会在水泥石内部形成一定的孔隙。这些孔隙成为了CO2进入混凝土内部进行碳化的通道，碳化反应过程如公式(1)～(4)所示。混凝土经过碳化后，水化产物Ca(OH)2(摩尔体积：33.2cm3/mol)逐渐转变为CaCO3(摩尔体积：36.9cm3/mol)，使其填充于孔隙中，摩尔体积增加了大约11％，进而使混凝土内部逐渐变得更加密实。水泥石中不仅CH碳化，而且C-S-H(C-S-H占水泥石的60％以上)也会碳化。前者主要形成方解石，后者主要形成雯石和球霰石。但雯石和球霰石不稳定，会转化为方解石。CaCO3晶体有三种形式：方解石、雯石和球霰石，三种晶型的密度不同。所以碳化后的体积变化在10-20％范围变化。
Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O (1)
(3CaO·2SiO2·3H2O)+3CO2→(3CaCO3·2SiO2·3H2O) (2)
(2CaO·SiO2)+2CO2+nH2O→(SiO2·nH2O)+2CaCO3 (3)
(3CaO·SiO2)+3CO2+nH2O→(SiO2·nH2O)+3CaCO3 (4)
现有混凝土碳化深度的测试方法有酚酞指示剂法、彩虹指示剂法、红外光谱分析、热重分析、X射线分析、XCT法、γ射线分析。其中XCT法是非破损检测方法，但是测试方法较为复杂，且成本昂贵。其他方法均为破损法，是根据混凝土碳化后生成物的性质来间接评定碳化深度，破损法会造成混凝土损伤，影响测试结果。
超声法作为非破损测试方法的主要方法，对于新建工程的质量控制与既有结构的长期使用状态评估具有较重要的作用。超声法是依据超声波传播速度与混凝土弹性性质的关系，反映混凝土内部的质量。目前主要用于混凝土内部的裂缝检测与强度检测等。将其应用于测试混凝土的碳化深度，既可以使混凝土在测试过程中避免非必需的破损，又可以使测试过程简单快捷。但目前未见将超声波检测技术用于测试碳化深度的相关报道。
发明内容
发明目的：针对现有的非破损混凝土碳化深度测试方法复杂且成本昂贵的问题，本发明提供一种基于超声法的混凝土碳化深度测试方法，该方法能够方便快捷的测试超声波在碳化混凝土中的传播速度，根据相应的换算公式，换算为混凝土的碳化深度，以评定混凝土的碳化程度。
技术方案：本发明所述的一种基于超声法的混凝土碳化深度测试方法，包括下述步骤：
步骤1，成型混凝土试件，拆模养护后进行碳化；
步骤2，对试件进行超声测试，获取试件的声速值；
步骤3，采用指示剂法测得试件的碳化深度；
步骤4，对获得的声速值和碳化深度值进行拟合分析，得出声速值与碳化深度之间的关系，然后通过测试试件的声速值来获得对应混凝土的碳化深度。
上述步骤1中，成型后的试件在一定的温度和湿度环境下养护后脱模，优选在温度为20℃、相对湿度为70％的环境下养护24h后脱模，脱模后放入养护室继续养护；较优的，养护室的条件为室温20±3℃，相对湿度为90％，继续养护的时间为28d。
然后将试件放入碳化箱中碳化，对试件进行碳化时，各个试件之间的距离最好不小于50mm。碳化试验开始后宜对箱内的CO2浓度、温度及湿度进行定期测定，根据测得数据随时调节这些参数，使其满足碳化箱环境要求，即碳化箱内温度20±2℃，相对湿度70％，CO2浓度为20±2％。最好可在碳化试验开始前2天每隔2h测定一次箱内的CO2浓度、温度及湿度，以后每隔4h测定一次。
上述步骤2中，超声测试包括下述步骤：标示超声测点并测量超声测距后，测试超声波通过试件的时间，并计算试件的声速值。标示超声测点时，应保证各超声测点均匀分布在测试面上。
超声测试时，可添加耦合剂，耦合剂优选为凡士林或糊精的一种。
优选的，试件的声速值为不同测点的平均声速值，该值可根据下式确定：
式中：v为试件的声速值，li为第i个测点的超声测距，i＝1，2，…n，n≥3；ti-t0为第i个测点超声波通过试件的时间，其中，ti为第i个测点混凝土中声时读数，t0为声时初读数。上述参数中，v的单位为km/s，最好可精确至0.01km/s；li的单位为mm，可精确至1mm；ti、t0的单位为us，可精确至0.1us。
进一步的，测试第i个测点的超声测距值li时，取该测点至少3点的平均值。
上述步骤3中，采用指示剂法测试碳化深度的方法为：将试件破型，在劈开断面上喷上指示剂，选取至少10个点测试碳化深度，将各测点碳化深度的平均值作为该试件的碳化深度。其中，试件破型可采用干锯法、压力试验机上的劈裂法或其他方法从试件一端开始破型。指示剂可选用酚酞指示剂、彩虹指示剂或其他指示剂，酚酞指示剂优选浓度为1％的酚酞酒精溶液(酒精溶液含20％的蒸馏水)。
测试各点的碳化深度时，当测点处的碳化分界线上刚好有粗骨料颗粒时，可取该颗粒两侧处碳化深度的算数平均值作为该点的碳化深度值。
测试碳化深度时，碳化深度测量最好精确至0.5mm。
发明原理：混凝土在水泥水化结束后，会形成大量的孔隙，CO2通过孔隙进入混凝土内部进行碳化，随着混凝土碳化程度的提高，混凝土内部逐渐变得越密实；超声波在混凝土中的传播速度与混凝土内部的质量有着密切的关系，内部越密实，传播速度越快；通过大量的试验数据，可以得出超声波声速与碳化深度之间的关系，继而可以通过测试超声波声速来推断混凝土的碳化深度，以评定混凝土的碳化程度。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)本发明的混凝土碳化深度测试方法基于超声法建立混凝土碳化深度测试曲线，可以在不破坏试件的条件下，只需测试超声波声速，即可检测出混凝土后的碳化深度，测试过程保证了式样的完整性，同时保证了劈裂试件所引入的损伤；而且，本发明测得的碳化深度与酚酞法测得的碳化深度误差较小，保证了测试结果的准确性，但测试方法更简洁；(2)本发明的方法应用广泛，除可以测试混凝土的碳化深度外，还可以运用于测试混凝土的实时抗压强度等特性。
附图说明
图1为C20的混凝土超声波声速与碳化深度之间的关系；
图2为C30的混凝土超声波声速与碳化深度之间的关系；
图3为C30的混凝土(添加矿物掺和料)超声波声速与碳化深度之间的关系；
图4为C30的混凝土(添加矿物掺和料与外加剂)超声波声速与碳化深度之间的关系；
图5为C50的混凝土超声波声速与碳化深度之间的关系。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明的一种基于超声法的混凝土碳化深度测试方法，建立基于超声法的混凝土碳化深度测试曲线，可以在不破坏试件的条件下，只需测试超声波声速，经过相应换算，检测出混凝土后的碳化深度。
具体而言，本发明的一种基于超声法的混凝土碳化深度测试方法是根据碳化后混凝土内部的摩尔体积变化来间接评定碳化深度，通过测试超声波在混凝土中的传播速度，进而评定混凝土碳化后的密实度，从而评定碳化深度。该方法能够方便快捷的测试超声波在碳化混凝土中的传播速度，根据相应的换算公式，换算为混凝土的碳化深度，以评定混凝土的碳化程度；在非破损方法中，本方法方便快捷，且成本低。
实施例1
一种基于超声法的混凝土碳化深度测试方法，包括以下步骤：
步骤1，试件成型及碳化：按照既定配合比成型C20的混凝土试件，拆模后养护后进行碳化28d；
步骤2，超声测试：标示超声测点并测量超声测距后，测试超声波通过试件的时间，并计算试件的声速值；
步骤3，酚酞指示测试：将试件破型，在劈开断面上喷上酚酞指示剂，取10点平均值为该试件的碳化深度；
步骤4，通过对步骤(2)得出的超声波声速值与步骤(3)得出的碳化深度值进行拟合分析，建立两者之间的关系，如图1，得出了v与d之间的关系：
d＝24.033v2-219.83v+507.11
此公式的回归系数R2＝0.7894。
获知v与d之间的关系后，通过测试试件的声速值v即可获得对应混凝土的碳化深度d。
以上回归公式相关系数与图1说明了本实施例的有效性，也表明了基于超声法的混凝土碳化深度测试方法的可行性。
实施例2
一种基于超声法的混凝土碳化深度测试方法，包括以下步骤：
步骤1，试件成型及碳化：按照既定配合比成型C30的混凝土试件，拆模后养护后进行碳化28d；
步骤2，超声测试：标示超声测点并测量超声测距后，测试超声波通过试件的时间，并计算试件的声速值；
步骤3，酚酞指示测试：将试件破型，在劈开断面上喷上酚酞指示剂，取10点平均值为该试件的碳化深度；
步骤4，通过对步骤(2)得出的超声波声速值与步骤(3)得出的碳化深度值进行拟合分析，建立两者之间的关系，如图2，得出了v与d之间的关系：
d＝-10.603v2+83.808v-156.34
此公式的回归系数R2＝0.9911。
获知v与d之间的关系后，通过测试试件的声速值v即可获得对应混凝土的碳化深度d。
以上回归公式相关系数与图2说明了本实施例的有效性，也表明了基于超声法的混凝土碳化深度测试方法的可行性。
实施例3
一种基于超声法的混凝土碳化深度测试方法，包括以下步骤：
步骤1，试件成型及碳化：按照既定配合比成型C30的掺加矿物掺和料的混凝土试件，拆模后养护后进行碳化28d；
步骤2，超声测试：标示超声测点并测量超声测距后，测试超声波通过试件的时间，并计算试件的声速值；
步骤3，酚酞指示测试：将试件破型，在劈开断面上喷上酚酞指示剂，取10点平均值为该试件的碳化深度；
步骤4，通过对步骤(2)得出的超声波声速值与步骤(3)得出的碳化深度值进行拟合分析，建立两者之间的关系，如图3，得出了v与d之间的关系：
d＝44.659v2-421.41v+1009.9
此公式的回归系数R2＝0.9546。
获知v与d之间的关系后，通过测试试件的声速值v即可获得对应混凝土的碳化深度d。
以上回归公式相关系数与图3说明了本实施例的有效性，也表明了基于超声法的混凝土碳化深度测试方法的可行性。
实施例4
一种基于超声法的混凝土碳化深度测试方法，包括以下步骤：
步骤1，试件成型及碳化：按照既定配合比成型C30的掺加矿物掺和料与外加剂的混凝土试件，拆模后养护后进行碳化28d；
步骤2，超声测试：标示超声测点并测量超声测距后，测试超声波通过试件的时间，并计算试件的声速值；
步骤3，酚酞指示测试：将试件破型，在劈开断面上喷上酚酞指示剂，取10点平均值为该试件的碳化深度；
步骤4，通过对步骤(2)得出的超声波声速值与步骤(3)得出的碳化深度值进行拟合分析，建立两者之间的关系，如图4，得出了v与d之间的关系：
d＝20.022v2-185.25v+442.9
此公式的回归系数R2＝0.8743。
获知v与d之间的关系后，通过测试试件的声速值v即可获得对应混凝土的碳化深度d。
以上回归公式相关系数与图4说明了本实施例的有效性，也表明了基于超声法的混凝土碳化深度测试方法的可行性。
实施例5
一种基于超声法的混凝土碳化深度测试方法，包括以下步骤：
步骤1，试件成型及碳化：按照既定配合比成型C50的混凝土试件，拆模后养护后进行碳化28d；
步骤2，超声测试：标示超声测点并测量超声测距后，测试超声波通过试件的时间，并计算试件的声速值；
步骤3，酚酞指示测试：将试件破型，在劈开断面上喷上酚酞指示剂，取10点平均值为该试件的碳化深度；
步骤4，通过对步骤(2)得出的超声波声速值与步骤(3)得出的碳化深度值进行拟合分析，建立两者之间的关系，如图5，得出了v与d之间的关系：
d＝-18.894v2+174.44v-394.43
此公式的回归系数R2＝0.8847。
获知v与d之间的关系后，通过测试试件的声速值v即可获得对应混凝土的碳化深度d。
以上回归公式相关系数与图5说明了本实施例的有效性，也表明了基于超声法的混凝土碳化深度测试方法的可行性。
由上述实施例可知，本发明的基于超声法的混凝土碳化深度测试方法应用广泛，可适用于各种类型的现代混凝土碳化深度的测试。

Claims (10)

1.一种基于超声法的混凝土碳化深度测试方法，其特征在于，包括下述步骤：
步骤1，成型混凝土试件，拆模养护后进行碳化；
步骤2，对试件进行超声测试，获取试件的声速值；
步骤3，采用指示剂法测得试件的碳化深度；
步骤4，对获得的声速值和碳化深度值进行拟合分析，得出声速值与碳化深度之间的关系，后续通过测试试件的声速值来获得对应混凝土的碳化深度。
2.根据权利要求1所述的基于超声法的混凝土碳化深度测试方法，其特征在于，步骤1中，成型后的试件在温度为20℃、相对湿度为70％的环境下养护24h后脱模，脱模后放入温度为20±3℃、相对湿度为90％的养护室中继续养护28d。
3.根据权利要求1所述的基于超声法的混凝土碳化深度测试方法，其特征在于，步骤1中，对所述试件进行碳化时，各个试件之间的距离不小于50mm；碳化试验开始后对箱内的温度、湿度及CO2浓度进行定期测定并及时调节，使碳化箱内环境满足下述要求：温度为20±2℃，相对湿度为70％，CO2浓度为20±2％。
4.根据权利要求3所述的基于超声法的混凝土碳化深度测试方法，其特征在于，所述碳化试验开始前2天每隔2h测定一次箱内的温度、湿度及CO2浓度，以后每隔4h测定一次。
5.根据权利要求1所述的基于超声法的混凝土碳化深度测试方法，其特征在于，步骤2中，所述超声测试包括下述步骤：标示超声测点并测量超声测距后，测试超声波通过试件的时间，并计算试件的声速值；其中，所述超声测点均匀分布在测试面上。
6.根据权利要求5所述的基于超声法的混凝土碳化深度测试方法，其特征在于，所述试件的声速值为不同测点的平均声速值，该值根据下式确定：
<mrow> <mi>v</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>n</mi> </mfrac> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <mfrac> <msub> <mi>l</mi> <mi>i</mi> </msub> <mrow> <msub> <mi>t</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>t</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>
式中：v为试件的声速值，li为第i个测点的超声测距，i＝1，2，…n，n≥3；ti-t0为第i个测点超声波通过试件的时间，其中，ti为第i个测点混凝土中声时读数，t0为声时初读数。
7.根据权利要求5或6所述的基于超声法的混凝土碳化深度测试方法，其特征在于，所述第i个测点的超声测距值li取该测点附近至少3点的平均值。
8.根据权利要求1所述的基于超声法的混凝土碳化深度测试方法，其特征在于，步骤3中，所述采用指示剂法测试碳化深度包括下述步骤：将试件破型，在劈开断面上喷上酚酞指示剂或彩虹指示剂，选取至少10个点测试碳化深度，将各测点碳化深度的平均值作为该试件的碳化深度。
9.根据权利要求8所述基于超声法的混凝土碳化深度测试方法，其特征在于，测试各点的碳化深度时，当测点处的碳化分界线上刚好有粗骨料颗粒时，取该颗粒两侧处碳化深度的算数平均值作为该点的碳化深度值。
10.根据权利要求8所述的基于超声法的混凝土碳化深度测试方法，其特征在于，所述试件破型是通过干锯法、压力试验机上的劈裂法从试件一端开始破型。
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