CN104155203B - 一种混凝土中氢氧化钙含量的测定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于土木工程材料试验方法技术领域，涉及一种混凝土中氢氧化钙含量的测定方法,先将混凝土试样沿深度分层磨粉得到混凝土粉末，并将混凝土粉末盛放于密封袋中，密封袋的表面注明混凝土试样的磨取深度；再将密封袋中的混凝土粉末分为两份，第一份测量碳化前的混凝土粉末中碳酸钙的含量；第二份完全碳化后测量得到完全碳化后的混凝土粉末中碳酸钙的含量；最后根据碳化前后的混凝土粉末中碳酸钙的含量对比计算得出混凝土粉末中氢氧化钙的含量，完成氢氧化钙的测定；其测定方法简单，原理科学可靠，操作方便，成本低，精确度高，环境友好。
Description
技术领域：
本发明属于土木工程材料试验方法技术领域，涉及一种精确测定水泥基材料(混凝土、砂浆等)中Ca(OH)2含量的方法，特别是一种混凝土中氢氧化钙含量的测定方法。
背景技术：
硅酸盐水泥是多矿物、多组分的物质，它与水拌合后，就立即发生化学反应，根据目前的研究，硅酸盐水泥加水后，铝酸三钙立即发生反应，硅酸三钙和铁硫酸四钙也很快水化，而硅酸二钙则水化较慢。如果忽略一些次要的和少量的成分，则硅酸盐水泥与水作用后，生成的主要水化产物有：水化硅酸钙和水化铁酸钙凝胶、氢氧化钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙晶体，在充分水化的水泥石中，C-S-H凝胶约占70％，氢氧化钙约占20％，钙矾石和单硫型水化硫铝酸钙约占7％，测量水泥石中的氢氧化钙能对胶凝材料水化程度进行评价。
目前，关于氢氧化钙测定方法已经有专利涉及，中国专利201320005214.9公开了一种水泥基材料中氢氧化钙含量的测定装置，该测定装置由冷却系统、煮沸系统和滴定系统组成，使用煮沸然后滴定直接获得试样中Ca(OH)2的含量，但是使用仪器复杂，步骤稍显繁琐，精确度较低，对于实验条件的要求较高，该方法的效率比较低。Ca(OH)2含量在一定湿度条件下，在二氧化碳气体作用下，可反应生成碳酸钙。这一过程被称为混凝土的碳化。混凝土的碳化即中性化，主要是指空气中的二氧化碳气体通过混凝土中未完全充水的毛细孔扩散到混凝土内部，并且与混凝土中的孔溶液中溶解的氢氧化钙进行反应，生成碳酸盐及其他物质。同时，混凝土中的水化硅酸钙以及未水化的硅酸三钙、硅酸二钙也要消耗一定得二氧化碳气体，生成碳酸盐。混凝土碳化中主要的碳化反应如下(括号内为25℃时的自由焓)：
Ca(OH)2+H2O+CO2＝CaCO3+2H2O(△G0 298＝－74.75kJ/mol)
3CaO·2SiO2·3H2O+3H2CO3＝3CaCO3+2SiO2+6H2O(△G0 298＝－74.7kJ/mol)
3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O+3H2CO3＝3CaCO3+2Al(OH)3+3CaSO4+32H2O(△G0 298＝－48.8kJ/mol)
3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O+3H2CO3＝3CaCO3+2Al(OH)3+CaSO4+12H2O(△G0 298＝－63.4kJ/mol)
从热力学角度，自由焓越小，化学反应越易进行；当自由焓为正值时，化学反应则逆向进行。上述碳化反应说明，Ca(OH)2与C-S-H(水化硅酸钙)是最容易发生碳化反应的，其他水化产物也参与碳化反应，反应的产物均包含CaCO3，测量CaCO3是评价碳化程度的方法之一。郭斌等【郭斌,闵盘荣,王国宾.水化硅酸钙的碳化作用.硅酸盐学报，1984，12(3)：287-295.】通过试验表明，Ca(OH)2和C-S-H凝胶都会受到碳化作用，但是初期Ca(OH)2的碳化较快；C-S-H的结晶度对碳化速度有很大影响，水化产物的结晶度愈差，比表面积愈大，在相同条件下，碳化就越严重，C-S-H凝胶的比表面积为78.77m2/g，而结晶好的托贝莫来石为14.3m2/g，完全碳化的时间，前者为4小时，后者为1152小时【孙抱真、苏而达.水化硅酸钙的结晶度与碳化速度.硅酸盐学报，1984，12(3)：281-286.】。所以快速碳化主要完成的是Ca(OH)2的碳化。
为了提高混凝土工程的耐久性，延长建筑的使用寿命，促进环境保护和可持续发展战略的实现，经国家主管部门批准，中国建筑科学研究院先后主编制(修)订了国家标准《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T50082-2009)耐久性配套标准，制订了《混凝土碳化试验箱》(JG/T247-2009)混凝土耐久性配套标准，同时中国专利提出了多种混凝土碳化试验箱，例如抽拉式混凝土碳化试验箱(201020677534)、具有自动除湿功能的混凝土碳化试验箱(201120205970)、一种混凝土碳化试验箱(201220177530)、一种智能型混凝土碳化试验箱(01244866)和液晶显示控制混凝土碳化试验箱(201020677443)等，这些方法和装置在实验室十分普遍，为混凝土碳化提供了条件，但是一般试验对象是混凝土和砂浆，所以碳化过程慢，试验周期长。中国专利混凝土粉末打磨机(200810015905.0)提出了对混凝土和砂浆试件分层打磨的方法，可以低于1毫米的单位沿混凝土或砂浆表面打磨收集粉末。经用粒度分析仪分析，以1毫米的单位打磨的粉末，其平均粒径为10微米，保证了粉末在标准试验条件下，可在一天内完成碳化。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，解决目前测量混凝土中Ca(OH)2含量的方法中存在的问题，提出一种新的混凝土Ca(OH)2含量的检测方法，其方法简单，试验器材常用，试验过程简便，测量结果准确性高。
为了实现上述目的，本发明根据混凝土碳化机理对混凝土粉末进行完全碳化，测量混凝土粉末碳化前后的碳酸钙含量，通过对碳酸钙含量前后差值的数据处理及结果分析，得到混凝土中Ca(OH)2含量沿深度变化的趋势，其具体测定过程为：
(1)、采用现有的混凝土粉末打磨机将混凝土试样按1mm厚度沿深度分层磨粉得到混凝土粉末，将混凝土粉末盛放于密封袋中，防止与空气中的气体发生反应造成试验误差，密封袋的表面注明混凝土试样的磨取深度；
(2)、将密封袋中的混凝土粉末分为两份，第一份使用精密混凝土碳化测量仪测量得到碳化前的混凝土粉末中碳酸钙的含量；第二份使用转动式混凝土粉末碳化用容器将粉末完全碳化，再使用精密混凝土碳化测量仪测量得到完全碳化后的混凝土粉末中碳酸钙的含量；
(3)、根据碳化前后的混凝土粉末中碳酸钙的含量对比计算得出混凝土粉末中氢氧化钙的含量，完成氢氧化钙的测定。
本发明所述转动式混凝土粉末碳化用容器的主体结构包括把手、容器、孔槽、卡件支腿和支架；盛放混凝土试样的容器内壁为弧形，便于混凝土试样的取出，容器的两端对称式分别制有把手，其中一个把手与支架平行，另一个把手与支架垂直，使支架在放入和取出过程中，混凝土试样不会洒出；箱式无盖结构的支架底面的四个角上分别制有一个卡件支腿，支架前后两侧面的上端分别均匀制有五个孔槽，容器通过把手和孔槽固定安装在支架上；支架的数量根据不同数量的混凝土粉末试样确定，每个支架固定五个容器，两个支架通过卡件支腿连接，通过增减支架的数量，确定容器的数量；试验完成后，取出支架，通过转动容器倒出混凝土试样；支架左右两侧面的高度低于前后两侧面的高度，使支架组合后，仍有通道使气体流入对混凝土试样进行碳化。
本发明计算氢氧化钙含量的具体过程为：称取打磨后获得的1g混凝土粉末，其中Ca(OH)2的质量为A克，分子量为74，通过精密混凝土碳化测量仪测得混凝土本身含有的CaCO3为B克，分子量为100，1g混凝土粉末中的Ca(OH)2完全碳化后新增的CaCO3质量为C克，根据反应式Ca(OH)2+H2O+CO2＝CaCO3+2H2O，完全碳化后得到的CaCO3质量C＝100A/74，完全碳化后的混凝土粉末质量由1g增加为(1+26A/74)g，其中CaCO3的质量为B+C＝B+100A/74，CaCO3的含量为(B+100A/74)/(1+26A/74)；再取完全碳化后的混凝土粉末1g通过精密混凝土碳化测量仪进行CaCO3含量检测，测得的CaCO3质量为D克，使粉末内部组成均匀，CaCO3含量检测数据与理论计算的数据一致，即
D＝(B+100A/74)/(1+26A/74)由此得出：
A＝74(D-B)/(100-26D)，即混凝土粉末中的Ca(OH)2的含量由混凝土碳化前后的CaCO3质量变化推导得出。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：一是通过对混凝土或砂浆粉末碳化前后碳酸钙含量的测定，对混凝土中Ca(OH)2含量进行定量分析，试验过程所用方法和装置普遍，试剂常见，取材方便，推广性很强；二是绘制Ca(OH)2占混凝土粉末的质量分数沿距离混凝土表面的浓度分布曲线，若取得不同时间的Ca(OH)2占混凝土粉末的质量分数沿距离混凝土表面的浓度分布曲线，则可了解混凝土中水泥的水化发展状况，对混凝土耐久性有直观的掌握；三是通过绘制Ca(OH)2含量-深度曲线，直观地反映不同深度混凝土水化状况，也能比较形同配合比混凝土在不同养护条件下，水化程度的差异；四是提出了重量相同条件下，根据CaCO3的质量，计算Ca(OH)2的质量与CaCO3的质量转换关系；五是使用一种新型的可转动式混凝土粉末碳化用容器，使混凝土粉末碳化方便、高效；其测定方法简单，原理科学可靠，操作方便，成本低，精确度高，环境友好。
附图说明：
图1为本发明涉及的混凝土内CaCO3和Ca(OH)2含量沿深度变化趋势理论曲线图。
图2为本发明使用的可转动式混凝土粉末碳化用容器的主体结构原理示意图。
图3为本发明所述容器结构原理示意图。
图4为本发明所述支架结构原理示意图。
图5为本发明所述支架组合使用结构原理示意图。
图6为本发明实施例涉及的混凝土内CaCO3和Ca(OH)2含量沿深度变化趋势曲线图。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图多本发明作进一步说明。
本实施例根据混凝土碳化机理，对混凝土粉末进行完全碳化，测量混凝土粉末碳化前后的碳酸钙含量，通过对碳酸钙含量前后差值的数据处理及结果分析，得到混凝土中Ca(OH)2含量沿深度变化的趋势，其具体测量过程为：
(1)、采用现有的混凝土粉末打磨机将混凝土试样按1mm厚度沿深度分层磨粉得到混凝土粉末，将混凝土粉末盛放于密封袋中，防止与空气中的气体发生反应造成试验误差，密封袋的表面注明混凝土试样的磨取深度；
(2)、将混凝土粉末分为两份，第一份使用精密混凝土碳化测量仪测量得到混凝土粉末中碳酸钙的含量；第二份使用可转动式混凝土粉末碳化用容器将粉末完全碳化，再使用精密混凝土碳化测量仪测量得到完全碳化后的混凝土粉末中碳酸钙的含量；
(3)、根据碳化前后的混凝土粉末中碳酸钙的含量计算得出混凝土粉末中氢氧化钙的含量，完成氢氧化钙的测定。
本实施例所述可转动式混凝土粉末碳化用容器的主体结构包括把手1、容器2、孔槽3、卡件支腿4和支架5；容器2用于盛放混凝土试样，容器2的内壁为弧形，便于混凝土试样的取出，容器2的两端对称式分别制有一个把手1，其中一个把手1与支架5平行，另一个把手1与支架5垂直，使支架5在放入和取出过程中，混凝土试样不会洒出；箱式无盖结构的支架5底面的四个角上分别制有一个卡件支腿4，支架5前后两侧面的上端分别均匀制有五个孔槽3，容器2通过把手1和孔槽3固定安装在支架上；支架5的数量根据不同数量的混凝土粉末试样确定，每个支架固定五个容器2，两个支架5通过卡件支腿4连接，通过增减支架5的数量，确定容器2的数量；试验完成后，取出支架5，通过转动容器2倒出混凝土2试样；支架5左右两侧面的高度低于前后两侧面的高度，使支架5组合后，仍有通道使气体流入对混凝土试样进行碳化。
本实施例计算氢氧化钙含量的具体过程为：称取打磨后获得的1g混凝土粉末，其中Ca(OH)2的质量为A克，分子量为74，通过精密混凝土碳化测量仪测得混凝土本身含有的CaCO3为B克，分子量为100，1g混凝土粉末中的Ca(OH)2完全碳化后新增的CaCO3质量为C克，根据反应式Ca(OH)2+H2O+CO2＝CaCO3+2H2O，完全碳化后得到的CaCO3质量C＝100A/74，完全碳化后的混凝土粉末质量由1g增加为(1+26A/74)g，其中CaCO3的质量为B+C＝B+100A/74，CaCO3的含量为(B+100A/74)/(1+26A/74)；再取完全碳化后的混凝土粉末1g通过精密混凝土碳化测量仪进行CaCO3含量检测，测得的CaCO3质量为D克，设粉末内部组成均匀，则CaCO3含量检测数据与理论计算的数据应一致，即
D＝(B+100A/74)/(1+26A/74)由此得出：
A＝74(D-B)/(100-26D)，即混凝土粉末中的Ca(OH)2的含量由混凝土碳化前后的CaCO3质量变化推导得出。
本实施例使用的精密混凝土碳化测量仪为专利2012206837675公开的精密混凝土碳化测量装置。
实施例：
本实施例制备混凝土的原材料中粗骨料为5～20mm的碎石，河砂得细度模数为2.8，水泥为PO.42.5普通硅酸盐水泥，混凝土配合比如表1所示：
表1：河砂混凝土配合比(kg/m3)
试样粉末采用加速碳化，加速碳化试验根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GB/T50082-2009)中的标准方法进行；先将混凝土表层磨取的试样粉末取5份，每份2g，放入转动式混凝土粉末碳化用容器内进行完全碳化，每24h取出一份进行碳酸钙含量检测，最终得到5份碳酸钙含量数据，如表2所示：
表2：混凝土粉末碳化程度与时间的关系
由表2可知，1d的时间内，混凝土加速碳化试验中的粉末可完全碳化；再将测得的CaCO3含量数据整理推算得到Ca(OH)2含量，绘制二者的深度-含量曲线，混凝土内CaCO3、Ca(OH)2含量沿深度变化趋势如图6所示，由图6可得到以下结论：(1)完全碳化前的CaCO3含量较低，沿混凝土打磨深度变化曲线基本平直无波动，说明混凝土中的Ca(OH)2无碳化，其CaCO3由混凝土中的各种原材料提供；(2)完全碳化后的CaCO3含量较高，表层含量为18％，之后含量沿混凝土打磨深度逐渐降低，在20mm位置处达到稳定，含量为11％，之后有一定的波动，波动较小；(3)通过公式推导得到的Ca(OH)2含量变化曲线与完全碳化后的CaCO3含量曲线相似，沿混凝土打磨深度逐渐降低，在20mm位置处达到稳定，含量为6％，之后有一定的波动，波动较小；(4)从表面至20mm深度处完全碳化后的CaCO3含量逐渐降低，这是由于边界效应作用，表面胶凝材料含量高，而骨料含量少；超过20mm深度，完全碳化后的CaCO3分布稳定。说明核心区域混凝土材料均匀。
Claims (2)
1.一种混凝土中氢氧化钙含量的测定方法，其特征在于根据混凝土碳化机理对混凝土粉末进行完全碳化，测量混凝土粉末碳化前后的碳酸钙含量，通过对碳酸钙含量前后差值的数据处理及结果分析，得到混凝土中Ca(OH)2含量沿深度变化的趋势，其具体测定过程为：
（1）、采用现有的混凝土粉末打磨机将混凝土试样按1mm厚度沿深度分层磨粉得到混凝土粉末，将混凝土粉末盛放于密封袋中，防止与空气中的气体发生反应造成试验误差，密封袋的表面注明混凝土试样的磨取深度；
（2）、将密封袋中的混凝土粉末分为两份，第一份使用精密混凝土碳化测量仪测量得到碳化前混凝土粉末中碳酸钙的含量；第二份使用转动式混凝土粉末碳化用容器将粉末完全碳化，再使用精密混凝土碳化测量仪测量得到完全碳化后的混凝土粉末中碳酸钙的含量；所述转动式混凝土粉末碳化用容器的主体结构包括把手、容器、孔槽、卡件支腿和支架；盛放混凝土试样的容器内壁为弧形，便于混凝土试样的取出，容器的两端对称式分别制有把手，其中一个把手与支架平行，另一个把手与支架垂直，使支架在放入和取出过程中，混凝土试样不会洒出；箱式无盖结构的支架底面的四个角上分别制有一个卡件支腿，支架前后两侧面的上端分别均匀制有五个孔槽，容器通过把手和孔槽固定安装在支架上；支架的数量根据不同数量的混凝土粉末试样确定，每个支架固定五个容器，两个支架通过卡件支腿连接，通过增减支架的数量，确定容器的数量；试验完成后，取出支架，通过转动容器倒出混凝土试样；支架左右两侧面的高度低于前后两侧面的高度，使支架组合后，仍有通道使气体流入对混凝土试样进行碳化；
（3）、根据碳化前后的混凝土粉末中碳酸钙的含量对比计算得出混凝土粉末中氢氧化钙的含量，完成氢氧化钙的测定。
2.根据权利要求1所述的混凝土中氢氧化钙含量的测定方法，其特征在于计算氢氧化钙含量的具体过程为：称取打磨后获得的1g混凝土粉末，其中Ca(OH)2的质量为A克，分子量为74，通过精密混凝土碳化测量仪测得混凝土本身含有的CaCO3质量为B克，分子量为100，1g混凝土粉末中的Ca(OH)2完全碳化后新增的CaCO3质量为C克，根据反应式Ca(OH)2+H2O+CO2=CaCO3+2H2O，完全碳化后得到的CaCO3质量C=100A/74，完全碳化后的混凝土粉末质量由1g增加为(1+26A/74)g，其中CaCO3的质量为B+C=B+100A/74，CaCO3的含量为( B+100A/74)/ (1+26A/74)；再取完全碳化后的混凝土粉末1g通过精密混凝土碳化测量仪进行CaCO3含量检测，测得的CaCO3质量为D克，使混凝土粉末内部组成均匀，CaCO3含量检测数据与理论计算的数据一致，即
D=(B+100A/74)/(1+26A/74)由此得出：
A=74(D-B)/(100-26D)，即混凝土粉末中的Ca(OH)2的含量由混凝土碳化前后的CaCO3质量变化推导得出。
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