專利名稱：：一種基于多重內(nèi)反射紅外光譜的混凝土滲透性的檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種混凝土滲透性的檢測方法，尤其是涉及一種基于多重內(nèi)反射紅外光譜(MIR-FTIR)技術(shù)的混凝土滲透性的檢測方法。
背景技術(shù)：
：近幾年來，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性問題已引起廣泛的高度重視，并開展了大量相關(guān)的研究。對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性的研究和設(shè)計(jì)，長期以來都相當(dāng)程度地建立在對(duì)混凝土密實(shí)性或滲透性的評(píng)價(jià)?；炷敛牧系臐B透性已成為評(píng)價(jià)其質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)?；炷恋臐B透性是指氣體、液體、離子或化學(xué)分子在壓力、化學(xué)勢、電場或濃度場的作用下，在混凝土中的定向滲透、擴(kuò)散、遷移的難易程度。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性與混凝土滲透性關(guān)系密切。譬如混凝土碳化是由于C02氣體滲入混凝土層并與其中的Ca(OH)2或水化硅酸藥等水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)所致；混凝土的化學(xué)侵蝕是由于水及侵蝕性離子滲入混凝土，并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)造成的；鋼筋的銹蝕是由于氯離子的滲透，對(duì)鈍化膜的侵蝕破壞所致；而混凝土的凍融破壞是由于滲入混凝土的自由水在低溫下結(jié)冰凍漲引起的。Feldman在第八屆國際水泥化學(xué)會(huì)議上指出"對(duì)耐久性的若干研究表明，滲透性是影響混凝土耐久性的最重要的一個(gè)因素"。一般來說，滲透性能低的混凝土必然具有強(qiáng)的抵抗環(huán)境中侵蝕性介質(zhì)侵入和腐蝕的能力，因此混凝土的抗?jié)B性可成為鋼筋混凝土耐久性一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)?；炷恋臐B透性包括透水性、透氣性、透分子或透離子性等，目前已發(fā)展了多種有關(guān)混凝土滲透性測試方法。由于混凝土中水的滲透可能導(dǎo)致多種形式的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞，目前國內(nèi)外對(duì)混凝土抗水滲透性研究的最多。樂美龍等人開發(fā)了兩種滲透系數(shù)測試裝置。我國水工、港工采用快速抗?jié)B試驗(yàn)法，如SD105-82《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》采用一次加壓法，恒壓24h后劈開試件，測試平均滲水高度，并以此計(jì)算滲透系數(shù)。Khatri等人對(duì)比了水滲透量和滲透高度兩種測試混凝土滲透性能的方法，認(rèn)為對(duì)于滲透性較高的混凝土，流量法較合適，而對(duì)于抗?jié)B性較高的混凝土，采用滲透高度法較合適。然而，以水為滲透介質(zhì)時(shí)，由于水泥的繼續(xù)水化、物質(zhì)的遷移、毛細(xì)管結(jié)構(gòu)的改變等使?jié)B透過程難以達(dá)到穩(wěn)態(tài)，因此水的滲透系數(shù)難以準(zhǔn)確測量。Kollek等在1999年提出混凝土中02滲透系數(shù)的Cembureau測試方法，在國際上獲得廣泛接受，并于同年由RIEM組織作為測量標(biāo)準(zhǔn)予以推薦。該方法的原理為給試樣施加穩(wěn)定的氣壓，記錄在此壓力下通過混凝土試樣的氣體流量，再轉(zhuǎn)換成滲透系數(shù)，以此來評(píng)價(jià)混凝土的02滲透性能。由于透過混凝土的氣體流量極小，該方法采用皂膜流量計(jì)。為滿足試樣周邊的密封要求，還必須采用輪胎式的結(jié)構(gòu)。該方法雖然測試精度較高，但測試程序十分繁瑣，不易實(shí)施。此外，國內(nèi)外還有不少工作是應(yīng)用電學(xué)或電化學(xué)法對(duì)混凝土滲透性的快速評(píng)價(jià)，其中ASTMC1202法是一種快速測量混凝土中氯離子滲透性最常用的方法。該方法是通過給受檢混凝土兩端施加60V直流電壓，測量6h通過的電量來評(píng)價(jià)混凝土抗?jié)B性能。該方法的主要缺點(diǎn)是，通電過程溶液會(huì)溫升，可加速氯離子的擴(kuò)散，使實(shí)測電量偏大；另外，銅網(wǎng)在電解質(zhì)溶液(NaCl、NaOH)中通電電解時(shí)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的銹蝕，從而影響銅網(wǎng)的導(dǎo)電?？傊?，目前各種測量混凝土滲透性的方法都存在不同程度的缺憾,發(fā)展新的測試方法顯得十分必要。傅立葉變換紅外(FTIR)光譜被廣泛地應(yīng)用于物質(zhì)化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)的測定。傅立葉紅外衰減全反射(FTIR-ATR)技術(shù)是指一束光進(jìn)入具有高折射指數(shù)的晶體，在晶體與樣品(有低折射指數(shù))的界面入射角大于臨界角，所有光束幾乎完全由此界面上反射(全反射)。光束末稍穿入反射表面并反射回來。若與晶體接觸的樣品表面對(duì)光束有選擇性吸收，則穿入反射表面的光束在某些波長的能量因被吸收而減弱，所得的反射譜也具有吸收譜的特點(diǎn)。通常一次反射能量的變化相當(dāng)小，所得的吸收譜帶很弱。若增加全反射的次數(shù)，則可使吸收帶增強(qiáng)，這就是多重內(nèi)反射。圖1為多重內(nèi)反射傅立葉變換紅外光譜的原理示意圖。由于入射光能被部分衰減的程度與樣品的吸收特性、穿透深度以及多次內(nèi)反射中與樣品的接觸次數(shù)有關(guān)，因此光譜強(qiáng)度取決于穿透深度dp、反射次數(shù)和樣品與MIR晶體緊密結(jié)合情況以及樣品本身的吸收大小。根據(jù)麥克斯韋理論，全反射光束穿透樣品的厚度遵循下列公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>，式中2:光束在內(nèi)反射晶體中的波長；n1:內(nèi)反射晶體的折射率；n2:樣品的折射率；dp:光透入樣品的垂直深度，即穿透深度；e:入射角?？芍?，光輻射的穿透深度與(l)光束在反射晶體內(nèi)的波長義、(2)內(nèi)反射晶體的折射率(晶體材料)與樣品的折射率之比m/tl2(MIR晶體一般采用鍺、硅、硒化鋅等折射率高的晶體)和(3)入射角S有關(guān)。穿透深度與義成正比，不同波長的光透入樣品層的深度不同，波長越大，穿透深度越大，在入射角大于臨界角的情況下，入射角越接近臨界角，穿透深度越大，穿透深度一般為幾百納米至幾微米之間。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種操作簡便、操作靈敏高、數(shù)據(jù)直觀可靠、可連續(xù)動(dòng)態(tài)測量各種物種在混凝土中的傳輸特性，對(duì)于混凝土材料滲透性的評(píng)價(jià)具有十分重要的實(shí)際意義的基于多重內(nèi)反射紅外光譜的混凝土滲透性的檢測方法。本發(fā)明從分子水平研究混凝土界面反應(yīng)，提出將多重內(nèi)反射傅立葉變換紅外光譜(MIR-FT1R)技術(shù)應(yīng)用于混凝土滲透性檢測，設(shè)計(jì)了合理的實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)了混凝土滲透性的原位、無損、多物種的動(dòng)態(tài)檢測，評(píng)價(jià)混凝土的滲透性，從分子水平研究混凝土界面反應(yīng)。本發(fā)明的具體步驟如下1)混凝土試片的制備將混凝十試片在室溫下濕養(yǎng)護(hù)，按要求的厚度切片，打磨，干燥；2)MIR-FTIR測試用傅立葉變換紅外光譜儀進(jìn)行測量，采集干燥混凝土試樣/全內(nèi)反射晶片界面的紅外譜圖作為背景，向電解池注滿待測溶液后，采集不同滲透時(shí)間的紅外譜圖，直到譜峰強(qiáng)度不再增長。所述的電解池可采用有機(jī)玻璃電解池、玻璃電解池或各種高分子聚合物電解池。混凝土試樣的尺寸可采用長50mmx寬10mmx厚(110)mm的混凝土試樣。全內(nèi)反射晶片采用KRS-5，鍺或硅。電解池敞開的-面用粘結(jié)劑連接在混凝土試片表面，電解池側(cè)面設(shè)有圓孔，圓孔用于測試溶液或氣體的進(jìn)出。全內(nèi)反射晶片采用紅外全內(nèi)反射晶片，全內(nèi)反射晶片的尺寸可采用50mmX10mmX3mm。用傅立葉變換紅外光譜儀進(jìn)行測量的光以2070°入射，全反射次數(shù)為530次。穿透深度dp可根據(jù)不同樣品、光入射角、紅外全內(nèi)反射晶片材料等參數(shù)確定，約為501000nm。由于本發(fā)明從分子水平研究混凝土界面反應(yīng)，提出將多重內(nèi)反射傅立葉變換紅外光譜(MIR-FTIR)技術(shù)應(yīng)用于混凝土滲透性檢測，設(shè)計(jì)了合理的實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)了混凝土滲透性的原位、無損、多物種的動(dòng)態(tài)檢測，評(píng)價(jià)混凝土的滲透性，從分子水平研究混凝土界面反應(yīng)。因此本發(fā)明提供了一種操作簡便、操作靈敏高、數(shù)據(jù)直觀可靠、可連續(xù)動(dòng)態(tài)測量各種物種在混凝土中的傳輸特性，對(duì)于混凝土材料滲透性的評(píng)價(jià)具有十分重要的實(shí)際意義的基于多重內(nèi)反射紅外光譜的混凝土滲透性的檢測方法。圖l為本發(fā)明實(shí)施例的多重全反射應(yīng)用原理示意圖。在圖1中，各代號(hào)為全反射晶片l，光束2，樣品3和4，2e為反射光夾角，《為樣品厚度。圖2為本發(fā)明實(shí)施例的MIR-FTIR測量混凝土試樣滲透性裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例的水滲透過不同厚度(水泥與砂比例為1:2)混凝土，紅外譜峰強(qiáng)度隨時(shí)間的變化曲線。在圖3中，橫坐標(biāo)為波數(shù)Wavenumbers(cm")，縱坐標(biāo)為紅外譜峰強(qiáng)度Absorbance;(a)水泥厚度為2mm，從下至上，時(shí)間為2，10，20，30，40，50，60s;(b)水泥厚度為3mm，從下至上，時(shí)間為2，10，20，30，40，70s;(c)水泥厚度為5mm，從下至上，時(shí)間為2，13，24，35，46，60，105，305s。圖4為本發(fā)明實(shí)施例的水滲透過不同砂率的混凝土片紅外譜峰強(qiáng)度隨時(shí)間變化曲線。在圖4中，橫坐標(biāo)為波數(shù)Wavenumbers(cm")，縱坐標(biāo)為紅外譜峰強(qiáng)度Absorbance;(a)C:S=l:2，時(shí)間從下至上為2，10，20，30，50，60s;(b)C:S=l:l，從下至上為0，35，50，65，85，145，265,145min;(c)C:S=l:0.5，從下至上為0，20，30，75，105，165'265，570min。圖5為本發(fā)明實(shí)施例的MFP溶液滲透過混凝十.(C:S:H20=1:1:0.3)紅外譜峰強(qiáng)度隨時(shí)間變化曲線。在圖5中，橫坐標(biāo)為波數(shù)^^^皿!1^1"3(:(^1)，縱坐標(biāo)為紅外譜峰強(qiáng)度Absorbance;從下至上為2，15，30，55，95，120，160，200，240s。具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說明。(1)試片厚度對(duì)混凝土滲透性的影響圖3為多重內(nèi)反射紅外光譜檢測到在不同厚度2mm(a)，3mm(b)，5mm(c)(水泥與砂比例為1:2)混凝土試片中水滲透的動(dòng)態(tài)過程。表1列出了水的最大吸光率和達(dá)最大吸光率所需的時(shí)間。圖中寬譜峰31003650cm"是H-O-H伸縮振動(dòng)峰，而16251645cm"則是H-0鍵的彎曲振動(dòng)峰?？梢钥闯觯诨炷猎嚻械膫鬏斶^程是很快速的，對(duì)于厚度2mm混凝土試片2秒內(nèi)即可在界面檢測到明顯的水峰信號(hào)，隨后水峰信號(hào)隨時(shí)間不斷增強(qiáng)，60秒后即趨于飽和。而當(dāng)混凝土厚度增大，通過水通過混凝土層傳輸?shù)竭_(dá)界面的時(shí)間顯著增長。測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混凝土厚度從2mm增大到3mm時(shí)，同樣時(shí)間內(nèi)水傳輸?shù)牧拷档土思s10倍。實(shí)驗(yàn)表明，混凝土層的厚度是阻滯水傳輸?shù)囊粋€(gè)最主要的因素。還可以考察混凝土密實(shí)度，混凝土中水泥/砂比，濕度，溫度等因素對(duì)水傳輸行為和速度的影響。同時(shí)還說明，利用原位多重內(nèi)反射紅外光譜檢測混凝土層中水傳輸具有極高的靈敏度，原則上可檢測到界面單分子的水層，而且可進(jìn)一步進(jìn)行定量分析，這是目前其它測試技術(shù)所不能比擬的。(2)試片密實(shí)度對(duì)混凝土滲透性的影響圖4為多重內(nèi)反射紅外光譜檢測到在水泥與砂比例分別為(水灰比為30%)C:S=l:2(a)，C:S=l:1(b),C:S=l:0.5(c)的混凝土試片中水滲透的動(dòng)態(tài)過程。表1列出了最大吸光率和達(dá)最大吸光率所需時(shí)間。表1水透過不同含砂率的混凝土達(dá)到的最大吸光率值及所需時(shí)間<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>從圖表中可以明顯看出，隨著含砂量的降低，達(dá)到最大吸光率所需時(shí)間逐漸加長，最大吸光率值逐漸減小。實(shí)驗(yàn)表明，水的傳輸速度和傳輸量均隨混凝土的水泥/砂比的增加而顯著降低，當(dāng)混凝土的砂灰比從2:1提高到1:2時(shí)，對(duì)水的滲透性可降低約3500倍?；炷恋乃?砂比越高，混凝土層中水的滲透越困難，也就是混凝土的抗?jié)B透性能越強(qiáng)。但這種變化趨勢并不與砂灰比的數(shù)值呈線性關(guān)系。(3)單氟磷酸鈉在混凝土中滲透作用單氟磷酸鈉(Na2P03F，MFP)是一種無毒的無機(jī)遷移型緩蝕劑，是一種重要的鋼筋混凝土體系緩蝕劑。MFP的作用主要基于兩個(gè)方面1、滲透進(jìn)入混凝土孔隙，與孔隙液反應(yīng)生成難溶化合物，使混凝土更致密；2、通過與鋼筋表面作用實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋的保護(hù)。由此可見，MFP的緩蝕作用主要依賴于在混凝土中的傳輸行為和傳輸速度。然而，目前還難以對(duì)MFP在混凝土中的傳輸行為和傳輸速度進(jìn)行原位、動(dòng)態(tài)和分子水平的研究。圖5為應(yīng)用多重內(nèi)反射紅外光譜法檢測到的MFP在混凝土試片(C:S:H20=1:1:0.3，試片厚度0.3mm)中滲透過程，譜峰強(qiáng)度隨時(shí)間變化。圖中出現(xiàn)兩個(gè)特征譜峰，其中，較強(qiáng)寬譜峰1125cm"是P—0單鍵的伸縮振動(dòng)峰，較窄譜峰1039cm—1是？=0雙鍵的伸縮振動(dòng)峰。所以，譜峰強(qiáng)度隨時(shí)間的增長反映了單氟磷酸鈉在混凝土試片中的滲透過程的動(dòng)態(tài)行為。結(jié)果表明，單氟磷酸鈉在混凝土試片中的傳輸過程的速度較快，隨著時(shí)間的增長，單氟磷酸鈉濃度不斷增大，在界面發(fā)生累積，從而發(fā)揮顯著的緩蝕作用。但與同樣厚度，同種配比的混凝土試片中水的滲透相比，MFP達(dá)到最強(qiáng)譜峰所用的時(shí)間較長，這說明，MFP在混凝土層中的滲透速度比水在同樣條件下的滲透速度慢。綜上表明，基于多重內(nèi)反射紅外光譜的混凝土滲透性檢測新方法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土滲透性的原位、無損、多物種的動(dòng)態(tài)檢測，評(píng)價(jià)混凝土的滲透性，從分子水平研究混凝土界面反應(yīng)。該方法靈敏極高、數(shù)據(jù)科學(xué)、直觀可靠、操作簡便、可連續(xù)動(dòng)態(tài)測量各種物種在混凝土中的傳輸特性，對(duì)于混凝土材料滲透性的評(píng)價(jià)具有獨(dú)特的優(yōu)越性和重要的實(shí)用意義。1.MIR-FTIR檢測混凝土滲透性的測量裝置設(shè)計(jì)圖2為MIR-FTIR檢測混凝土試樣滲透性的裝置示意圖。該裝置設(shè)有紅外光源22、有機(jī)玻璃(玻璃或各種高分子聚合物)電解池23、全內(nèi)反射晶片(KRS-5，鍺或硅)24和檢測器25，混凝土試樣21的尺寸為50mmX10mmX不同的厚度；其中，電解池23的尺寸為長50mm,寬10mm，厚l10mm，敞開的一面用粘結(jié)劑連接在混凝土試片表面，電解池側(cè)面留有2個(gè)直徑03-3.0mm的圓孔，用于測試溶液或氣體的進(jìn)出。采用的紅外全反射晶體尺寸50mmX10mmX3mm。光以2070。入射，全反射次數(shù)為530次。穿透深度dp可根據(jù)不同樣品、光入射角、紅外全反射晶體材料等參數(shù)約為501000nm。2.混凝土試片的制備混凝土試片可按具休實(shí)驗(yàn)要求制作，采用3種不同質(zhì)量比制作，即水泥水砂為1:0.3:2;1:0.3:1和1:0.3:0.5;混凝土試片厚度分別為2mm,3mm,5mm，制成9種試片。制好的試片16d后脫掉模具，在室溫下濕養(yǎng)護(hù)1020d，用金鋼石鋸片按要求的厚度切片，用細(xì)砂紙打磨，測試前應(yīng)放置在干燥器中充分干燥，備用。3.MIR-FTIR測試可用各種商品化傅立葉變換紅外光譜儀進(jìn)行測量。應(yīng)用FTIR380智能型傅立葉變換紅外光譜儀(美國Nicolet公司)連用Model300continuouslyvariableATR(美國Spectra-Teeh公司)原位研究H20和MFP(單氟磷酸鈉)溶液在混凝土中的滲透量隨時(shí)間的變化。測試時(shí)，在向電解池注入溶液前，先采集干燥混凝土試樣/鍺晶片界面的紅外譜圖作為背景。向電解池注滿待測溶液后，采集不同滲透時(shí)間時(shí)的紅外譜圖，直到譜峰強(qiáng)度不再增長，此間試樣在樣品室內(nèi)位置保持不動(dòng)，測量參數(shù)及光路也完全不變。權(quán)利要求1.一種基于多重內(nèi)反射紅外光譜的混凝土滲透性的檢測方法，其特征在于具體步驟如下1)混凝土試片的制備將混凝土試片在室溫下濕養(yǎng)護(hù)，按要求的厚度切片，打磨，干燥；2)MIR-FTIR測試用傅立葉變換紅外光譜儀進(jìn)行測量，采集干燥混凝土試樣/全內(nèi)反射晶片界面的紅外譜圖作為背景，向電解池注滿待測溶液后，采集不同滲透時(shí)間的紅外譜圖，直到譜峰強(qiáng)度不再增長。2.如權(quán)利要求l所述的一種基于多重內(nèi)反射紅外光譜的混凝土滲透性的檢測方法，其特征在于所述的電解池為有機(jī)玻璃電解池、玻璃電解池或高分子聚合物電解池。3.如權(quán)利要求l所述的一種基于多重內(nèi)反射紅外光譜的混凝土滲透性的檢測方法，其特征在于混凝土試樣的尺寸為長50mmx寬10mmx厚(110)mm的混凝土試樣。4.如權(quán)利要求l所述的一種基于多重內(nèi)反射紅外光譜的混凝土滲透性的檢測方法，其特征在于全內(nèi)反射晶片為KRS-5晶片，鍺晶片或硅晶片。5.如權(quán)利要求l所述的一種基于多重內(nèi)反射紅外光譜的混凝土滲透性的檢測方法，其特征在于所述電解池的敞開一面用粘結(jié)劑連接在混凝土試片表面，電解池側(cè)面設(shè)有用于測試溶液或氣體的進(jìn)出圓孔。6.如權(quán)利要求1或4所述的一種基于多重內(nèi)反射紅外光譜的混凝土滲透性的檢測方法，其特征在于全內(nèi)反射晶片的尺寸為50mmX10mmX3mm。7.如權(quán)利要求l所述的一種基于多重內(nèi)反射紅外光譜的混凝土滲透性的檢測方法，其特征在于用傅立葉變換紅外光譜儀進(jìn)行測量的光以2070°入射，全反射次數(shù)為530次。全文摘要一種基于多重內(nèi)反射紅外光譜的混凝土滲透性的檢測方法，涉及一種混凝土滲透性的檢測方法，尤其是涉及一種基于多重內(nèi)反射紅外光譜技術(shù)的混凝土滲透性的檢測方法。提供一種操作簡便、操作靈敏高、數(shù)據(jù)直觀可靠、可連續(xù)動(dòng)態(tài)測量各種物種在混凝土中的傳輸特性，對(duì)于混凝土材料滲透性的評(píng)價(jià)具有十分重要的實(shí)際意義的基于多重內(nèi)反射紅外光譜的混凝土滲透性的檢測方法。混凝土試片的制備將混凝土試片在室溫下濕養(yǎng)護(hù)，按要求的厚度切片，打磨，干燥；MIR-FTIR測試用傅立葉變換紅外光譜儀進(jìn)行測量，采集干燥混凝土試樣/全內(nèi)反射晶片界面的紅外譜圖作為背景，向電解池注滿待測溶液后，采集不同滲透時(shí)間的紅外譜圖，直到譜峰強(qiáng)度不再增長。文檔編號(hào)G01N21/35GK101299016SQ200810071129公開日2008年11月5日申請(qǐng)日期2008年5月23日優(yōu)先權(quán)日2008年5月23日發(fā)明者林俊人,林昌健,巖趙申請(qǐng)人:廈門大學(xué)