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建筑材料现场评估的进展
Adrian E. Long，PAMuhammed Basheer，Lulu Basheer
摘要
结构中混凝土的恶化是全世界的主要问题。 这促使人们研究预测现有结构和新结构的使用寿命的方法。 目前的预测方法仍然是非常基础的，在它们可以被放心使用之前，需要关于这些结构中混凝土性能的更可靠的信息。 本文从贝尔法斯特女王大学研究过去三十年取得的进展的角度讨论了一系列确定混凝土强度和运输性能的试验方法。 最初的重点是现场强度测试，这导致了拉力测试和LIMPET的开发。 然而，当耐久性变得显而易见时，实践工程师更关心耐久性问题，渗透特性的测量成为重中之重。 这导致了AUTOCLAM的发展，它被发现在实验室和现场之间在空气和水的渗透性和耐久性之间给出非常有用的相关性。 随后，与氯化物进入混凝土相关的问题得到了认可，并且相应地开发了PERMIT，其允许确定“覆盖物”的扩散特性。 使用这些方法的组合可以为混凝土开发基于耐久性的简单标准，并估计现有结构的剩余寿命。
就新建筑而言，上述方法可用于开发与耐久性相关的设计标准，并且在未来，连续监测技术可能被证明是有用的。 在后者的背景下，目前正在开发化学光纤传感器来检测混凝土中的pH值变化。 然而，他们的长期可靠性尚未得到证实。
介绍
在欧洲，据估计，基础设施/建筑环境的价值约占大多数国家国民财富的50％。 因此，欧洲建筑环境的退化程度和速度具有巨大的经济和技术重要性。 当记住欧洲建筑行业约50％的支出用于维修，维修和修复时，显然即使是边际储蓄也可能导致大量资金用于新开发项目。 在大多数国家，一个具体领域占成本的比例越来越大，这就是混凝土结构过早恶化。 现在已经认识到，与预期相比，这种缺乏耐用性需要作为紧急事项加以解决。
本文简要描述了钢筋混凝土劣化的机制，并提出了一个关于运输和强度性能与耐久性有关的整体模型的细节。 理解这些机制对于开发有效的测试方法以及随后选择最合适的原位测试是非常宝贵的。 然后介绍一些确定强度，运输特性和腐蚀程度的方法，特别强调贝尔法斯特女王大学的研究经验。 然后提出一些建议，说明如何使用所描述的测试范围来评估现有结构的剩余寿命，并协助生产基于耐久性的混凝土设计标准。
在连续监测的背景下，将讨论最近在评估可检测混凝土pH值变化的光纤化学传感器方面取得的进展。
混凝土劣化的整体模型
老化机理和速率受环境，糊状物微观结构和混凝土断裂强度的控制。 环境因素如季节性温度变化，周期性冻融，降雨和相对湿度变化以及与混凝土接触的大气/水中的有害化学物浓度是导致退化的主要原因。 然而，导致过早老化的最重要参数是水分进入混凝土[1] [2]。 因此混凝土在其使用寿命期间对大环境的渗透性可用作其耐久性的量度。
作为混凝土恶化整体模型的出发点，Mehta [2]考虑了钢筋混凝土不连续微裂纹。 在这个模型中，环境因素对所涉及的各种劣化机制的影响导致微裂纹扩展直至它们连续。 实质上，渗透性影响水分和腐蚀性离子进入混凝土的主要方法，并随后增加渗透
财产负责增加损害的速度。 此后，裂纹增长（取决于断裂强度）会加速侵蚀性物质渗入混凝土，恶化的螺旋继续向下。 所有这些因素的相互依赖性以及渗透性/输运性质和强度的重要性可以在图1所示的组合图中更清楚地看到。该整体模型的全部细节在参考文献[1]中给出。
混凝土制造
毛孔的修改
强度性能
钢筋腐蚀
盐溶液侵入
水饱和度
ygen usion
Ox差异
碳化
oride ress
盐袭击
冰霜攻击
渗透性/运输性能
图1.劣化原因 - 物理性质相互作用模型（改编自参考文献10）
硫酸盐攻击
ASR凝胶扩展
碱性攻击
Chl Ing
硫酸盐吸收
水饱和度
碱性侵入
开裂
强度测量
拉断测试
拉拔试验基于这样一个概念，即一层表面混凝土的“拉伸强度”可能与混凝土的抗压强度有关。 有两种可以使用的基本方法。 首先，使用环氧树脂将金属圆片直接粘合到混凝土表面，混凝土的应力体积接近圆盘表面。 或者，在要避免混凝土表面碳化或表皮碳化的情况下，采用部分取芯至适当的深度。 这两种方法如图2所示。然后，贝尔法斯特女王大学开发的“LIMPET”用于测量拉力以“拉开”光盘，标称拉伸强度基于盘直径（通常50毫米）。 为了将该抗拉强度转化为立方体抗压强度，通常需要经验相关曲线。 还应该指出的是，拉拔试验可以很好地指示抗拉强度或断裂强度，这是与劣化速率有关的最重要因素之一。
直径50毫米。 钢盘
环氧树脂胶粘剂
部分核心
典型的失效面
图2.显示完成Pull-off测试的程序示意图
原位评估拉拔试验
使用Pull-off测试，已经发现测试内变异性足够低，以允许检测从一个位置到另一个位置的强度的自然变化（例如，底部与列的顶部）。 此外，成熟度的影响会自动包含在有关部分安全因素的实地变异性[3]中。
测量渗透/传输特性
描述侵蚀性物质通过混凝土运动的主要运输过程可分为吸收性，渗透性和扩散性。
吸收测试
在正常情况下，毛细管上升的幅度与时间的平方根成线性关系，比例常数称为吸附性。 理想情况下，这是应在吸收测试中测量的属性[4]。 然而，存在阻碍这一点的实际限制，例如难以实现水的单向渗透以及在没有实际拆开混凝土样品的情况下确定水渗透深度的问题。 由于这些困难，混凝土的吸收特性通常是间接测量的。
初始表面吸收测试（ISAT）
初始表面吸收定义为从试验开始时起，在规定的时间间隔内，施加水头的恒定水流量和每单位面积的混凝土表面温度[5]。 这个测试的第一个版本[6]被进一步发展成为商业测试，并被纳入英国标准[7]。 通过监测毛细管中水的移动，可以以ml / m 2 / s为单位计算初始表面吸收值。
确保水密封的实际困难可能是测试的最大限制之一，但另一个限制是测得的性能受到混凝土水分条件的很大影响[8]。 因此，ISAT的主要应用是作为预制混凝土单元的质量控制测试，可以在“干燥”时进行测试。
AUTOCLAM吸着性测试
当首次报道#39;Cla#39;试验时[9]，在八十年代早期，它已经开发出来以克服与ISAT相关的一些问题，例如实现水密密封和准确测量流速。 起初，它只是一种透水性测试，但随后进行了修改，并生成了“通用蛤蜊”，可测量水和透气性。 在九十年代初期，Basheer [10]完成了进一步的开发工作，不仅规范了所有的测试，而且使整个过程完全自动化。 Clam的这种版本“AUTOCLAM”现在由微处理器控制，并具有完整的数据采集和传输功能，可通过计算机分析结果。 “AUTOCLAM”已在市场上销售了大约八年，现在可以进行三种类型的测试：吸水率和空气/水渗透率。
所有三个“AUTOCLAM”测试的第一步都是将钢质底座环固定在混凝土表面上（图3（a）），以便实现空气和水密封。 基环通常具有50mm的内径。 然后将实际的“AUTOCLAM”测试装置夹紧在基环上（图3（b））。 对于吸附性测试，使用0.02巴（2千帕）的施加压力，因为这对应于约200毫米的水头，与ISAT中使用的相同。
钢环环氧胶
图3a。 通过粘接将钢圈固定在试样表面上
测量
排气阀
吸
活塞
液压缸
水
显示压力
安装螺钉
压力传感器
基地环
测试压力
吸水性测试：0.02巴水渗透性测试：0.5巴
测试时间
两个测试15分钟
向下推动活塞以保持压力恒定，并监测活塞的行程以确定流入混凝土的流量
图3b。 水流量测试的操作方法
测量
测试区域内的空气压力增加到1.5巴，并且每分钟监测压力衰减，总共持续15分钟
排气阀
吸
活塞
显示压力
启动阀
圆筒
安装螺钉
压力传感器
基地环
图3c。 透气性试验的操作方法
图3. Autoclam测试的示意图[10]
如果吸收的累积体积与时间的平方根作图，则实现线性关系，并将此关系的梯度报告为吸附性指数，单位为msup3;/分钟。 所有这些测试的全部细节在[10]中给出。
该测试的主要优点是相对简单易行，记录的结果具有相当高的准确性，实际仪器完全便携，可以在现场和实验室中轻松使用。 除了将更小的基环密封在混凝土表面之外，其缺点通常与ISAT相同。
渗透性测试
渗透性测试在压力梯度的作用下测量液体或气体向混凝土的转移。 它们可以是稳态或非稳态，取决于在混凝土孔隙系统内建立的流动状态。
“AUTOCLAM”水和透气性测试
为了测量混凝土的渗透性，除了使用的测试压力高得多以外，使用用于吸附性（原则上）的相同类型的测试。 对于#39;AUTOCLAM#39;透水性测试（图3（b）），水压保持在1.5 bar（150 kPa），水渗透指数的计算方法与吸着指数相同。
可以通过“AUTOCLAM”装置完成的第三个测试是透气性测试（图3（c））。 试验箱内的空气压力增加至略高于0.5巴（50千帕），然后启动阀关闭。 记录压力衰减到零，并且已经发现压力与时间的自然对数是线性的。 最佳拟合线性回归线的梯度被报告为具有单位Ln（压力单位）/分钟的透气性指数。
与渗透系数相反，空气和水的渗透性指数是来自该测试的报道性能，因为在任何测试期间没有达到稳态。 这两种测试都可以在现场和实验室中快速简单地进行，但透水性测试受混凝土湿度条件变化的影响较小，因此在现场使用具有优势。 最近开发了一种在10巴（1000kPa）的水压下运行的AUTOCLAM，并且该系统对湿度变化不太敏感。
渗透性/耐久性相关性的实验证据
Basheer [10]的综合系列测试可以观察到渗透性测试与耐久性测试的相关性。 从#39;AUTOCLAM#39;获得的高渗透率值（图4）显示与高水平的冻融破坏密切相关，反之亦然。
25
非常高
高中
低
20
蛤蜊WP指数（Cu.mx E-7 / | min）
15
10
5
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
混合数字
图4.基于冷冻和融化引起的变质程度的风险等级[10]
扩散测试
最近对离子扩散试验的兴趣增加，因为氯离子扩散通过混凝土的速率与钢筋的腐蚀密切相关。 氯离子扩散系数可以从几种类型的测试中确定，但在本文中，讨论将仅限于一种可以原位进行的测试技术。 其他测试需要提取核心。
#39;PERMIT#39;离子迁移测试
最近在贝尔法斯特女王大学开发的这项测试具有可以确定混凝土在现场的迁移系数的优点，并且与其他两项测试不同，不需要采用岩心。 安德鲁斯[11]给出了设备的全部细节，基本概念如图5所示。
基本上它由两个不同直径的圆柱体组成，同心地放置在混凝土表面上，然后密封它们以防止它们沿着混凝土表面流动。 内部电池含有0.55摩尔氯化钠溶液，外部电池含有蒸馏水。 内部电池容纳圆形不锈钢网格阳极，外部电池容纳环形低碳钢多孔板阴极。 为了进行测试，一旦将设备固定在样品表面并填充溶液，在阳极和阴极之间施加60v dc的电位差。 这迫使氯离子通过近表面区域的混凝土从阳极流向阴极。 大约6至10小时后，根据混凝土的质量，可以实现氯化物稳定迁移到外部电解槽中，其速率据报道为原位氯化物迁移指数，单位为mol /cmsup3;.s。 然而，使用单元格的几何形状和氯离子通过混凝土的流动路径，并应用能斯特 - 普朗克方程，可以将该指数转换为氯化物迁移系数，单位为msup2;/ s [11]。
负极
含有氯化物源溶液的内部电池
电源
循环肯定
电极 含有的外层细胞
中性解决方案
氯离子通过近表面混凝土在细胞间流动
图5.原位氯化物迁移测试部分（轴对称）[11]
测试验证：验证研究使用八种普通波特兰水泥混凝土混合物进行。 将原位迁移指数与一维氯化物迁移试验的迁移系数和正常扩散试验的有效扩散系数进行比较。
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