[发明专利]一种基于多重内反射红外光谱的混凝土渗透性的检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种混凝土渗透性的检测方法，尤其是涉及一种基于多重内反射红外光谱(MIR-FTIR)技术的混凝土渗透性的检测方法。

背景技术

近几年来，钢筋混凝土结构的耐久性和安全性问题已引起广泛的高度重视，并开展了大量相关的研究。对于钢筋混凝土结构的耐久性和安全性的研究和设计，长期以来都相当程度地建立在对混凝土密实性或渗透性的评价。混凝土材料的渗透性已成为评价其质量的一个重要参数。混凝土的渗透性是指气体、液体、离子或化学分子在压力、化学势、电场或浓度场的作用下，在混凝土中的定向渗透、扩散、迁移的难易程度。钢筋混凝土结构的耐久性与混凝土渗透性关系密切。譬如：混凝土碳化是由于CO₂气体渗入混凝土层并与其中的Ca(OH)₂或水化硅酸钙等水泥水化产物反应所致；混凝土的化学侵蚀是由于水及侵蚀性离子渗入混凝土，并发生化学反应造成的；钢筋的锈蚀是由于氯离子的渗透，对钝化膜的侵蚀破坏所致；而混凝土的冻融破坏是由于渗入混凝土的自由水在低温下结冰冻涨引起的。Feldman在第八届国际水泥化学会议上指出：“对耐久性的若干研究表明，渗透性是影响混凝土耐久性的最重要的一个因素”。一般来说，渗透性能低的混凝土必然具有强的抵抗环境中侵蚀性介质侵入和腐蚀的能力，因此混凝土的抗渗性可成为钢筋混凝土耐久性一个重要评价指标。

混凝土的渗透性包括透水性、透气性、透分子或透离子性等，目前已发展了多种有关混凝土渗透性测试方法。由于混凝土中水的渗透可能导致多种形式的钢筋混凝土结构的破坏，目前国内外对混凝土抗水渗透性研究的最多。乐美龙等人开发了两种渗透系数测试装置。我国水工、港工采用快速抗渗试验法，如SD 105-82《水工混凝土试验规程》采用一次加压法，恒压24h后劈开试件，测试平均渗水高度，并以此计算渗透系数。Khatri等人对比了水渗透量和渗透高度两种测试混凝土渗透性能的方法，认为对于渗透性较高的混凝土，流量法较合适，而对于抗渗性较高的混凝土，采用渗透高度法较合适。

然而，以水为渗透介质时，由于水泥的继续水化、物质的迁移、毛细管结构的改变等使渗透过程难以达到稳态，因此水的渗透系数难以准确测量。Kollek等在1999年提出混凝土中O₂渗透系数的Cembureau测试方法，在国际上获得广泛接受，并于同年由RIEM组织作为测量标准予以推荐。该方法的原理为：给试样施加稳定的气压，记录在此压力下通过混凝土试样的气体流量，再转换成渗透系数，以此来评价混凝土的O₂渗透性能。由于透过混凝土的气体流量极小，该方法采用皂膜流量计。为满足试样周边的密封要求，还必须采用轮胎式的结构。该方法虽然测试精度较高，但测试程序十分繁琐，不易实施。

此外，国内外还有不少工作是应用电学或电化学法对混凝土渗透性的快速评价，其中ASTM C 1202法是一种快速测量混凝土中氯离子渗透性最常用的方法。该方法是通过给受检混凝土两端施加60V直流电压，测量6h通过的电量来评价混凝土抗渗性能。该方法的主要缺点是，通电过程溶液会温升，可加速氯离子的扩散，使实测电量偏大；另外，铜网在电解质溶液(NaCl、NaOH)中通电电解时会发生严重的锈蚀，从而影响铜网的导电。总之，目前各种测量混凝土渗透性的方法都存在不同程度的缺憾，发展新的测试方法显得十分必要。

傅立叶变换红外(FTIR)光谱被广泛地应用于物质化学组成和结构的测定。傅立叶红外衰减全反射(FTIR-ATR)技术是指一束光进入具有高折射指数的晶体，在晶体与样品(有低折射指数)的界面入射角大于临界角，所有光束几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来。若与晶体接触的样品表面对光束有选择性吸收，则穿入反射表面的光束在某些波长的能量因被吸收而减弱，所得的反射谱也具有吸收谱的特点。通常一次反射能量的变化相当小，所得的吸收谱带很弱。若增加全反射的次数，则可使吸收带增强，这就是多重内反射。图1为多重内反射傅立叶变换红外光谱的原理示意图。

由于入射光能被部分衰减的程度与样品的吸收特性、穿透深度以及多次内反射中与样品的接触次数有关，因此光谱强度取决于穿透深度d_p、反射次数和样品与MIR晶体紧密结合情况以及样品本身的吸收大小。根据麦克斯韦理论，全反射光束穿透样品的厚度遵循下列公式：