CSTM-水泥基材料氯离子扩散系数检验方法编制说明

水泥基材料氯离子扩散系数检验方法编制说明（征求意见稿）1、工作简要过程，来源、主要参加单位和工作组成员等：1）工作的简要过程2018年年初，标准制定小组开始进行调研以及样品的收集工作。2018年6月开始试验验证工作，于2019年6月形成标准草稿，并于2019年7月申请立项。2019年11月8日在四川乐山召开了《水泥基材料氯离子扩散系数检验方法》标准审查会。参加会议的有标委会委员、大专院校、及生产和使用单位的28位专家和代表，对标准进行了认真的审定工作后一致决定该标准审查通过，予以立项。会后根据审查专家的意见和建议对标准报批稿和编制说明进行了修改，于2020年11月形成了标准征求意见稿和标准征求意见稿编制说明。2）项目来源：在2019年11月8日中国建材集团有限公司标准委员会水泥技术委员会工作会议上，《水泥基材料氯离子扩散系数检验方法》标准通过了中国材料与试验用团体标准委员会（CSTM）建筑材料领域委员会水泥技术委员会的立项审查，批准由华南理工大学、华润水泥技术研发有限公司与中国建筑材料科学研究总院有限公司等单位承担该标准的制定工作。3)主要参加单位和工作组成员主要参加单位：华南理工大学、华润水泥技术研发有限公司、中国建筑材料科学研究总院有限公司、武汉理工大学、济南大学。工作组成员：成员姓名所在单位专业方向电话邮箱余其俊(组长)华南理工大学材料oncyuq@张同生材料stszhang@郭奕群材料syqguo@韦江雄材料xwei@刘向阳华润水泥技术研发有限公司材料zdfrl@126.com刁桂芝中国建筑材料科学研究总院有限公司材料iaoguizhi@126.com张洪滔水htcbma@163.com饶美娟武汉理工大学材料aomeijuanding@163.com杜鹏济南大学材料se_dup@卢晓磊材料se_luxl@2、标准化对象简要情况及制修订标准的原则1）标准化对象简要情况（1）产品标准本标准主要针对应用于对氯离子扩散系数有要求的场合或服役于海洋环境的水泥基材料。海洋环境中水泥混凝土结构服役寿命主要受水泥基材料的抗氯离子侵蚀性能影响，而其根本决定性因素为水泥基材料的抗氯离子侵蚀能力，通常由氯离子扩散系数表征。现有离子扩散系数测试标准包括针对混凝土的GB/T50082《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》与针对水泥的JC/T1086《水泥氯离子扩散系数检验方法》，其中由于粗骨料及远高于实际应用的水灰比（0.5）的影响，同时测试过程的试件表面处理方式容易导致测试结果不稳定，因此上述方法难以准确反映水泥基材料的抗氯离子侵蚀能力。（2）方法标准本标准涉及主要仪器设备水泥基材料氯离子扩散系数测定装置，由测试电极、直流稳压电源、电压和电流数据采集与处理系统组成。测试电极应为紫铜材料制成，表面需经抛光处理。直流稳压电源需在0-10V范围内连续、自动可调。电压和电流数据采集应分别精确到±0.1V与±1mA。2）制修订标准的原则（1）制修订标准的依据或理由；本标准中试验方法的确定，除了参考国内外有关文献外，编制单位还进行了大量试验验证，并在对验证试验数据的综合分析基础上最后确定的。氯离子扩散系数能够快速地对水泥基材料在海洋环境下的抗侵蚀性能进行量化评价，广泛应用于科学研究与工程实际。表征氯离子扩散系数的方法主要包括快速氯离子迁移法与饱盐电导率法。由于低强度等级水泥基材料毛细吸水作用显著，易导致氯离子扩散系数测试结果偏高，而电迁移测试时需对试样两端长时间施加高电压，导致阳极与阴极溶液的离子浓度时刻变化，难以满足Nernst-Plank方程的成立前提（粒子浓度保持不变的稀电解质溶液）。而饱盐电导率法（Nel法）在电迁移过程中无需使用电极电解质溶液，且两端电压不超过10V，此外通电时间短（不超过15分钟），因此可忽略电极反应与电解质浓度波动对测试结果的影响，可用于测定各强度等级水泥基材料的离子扩散系数，尤其是高性能水泥基材料。采用饱盐电导率法（Nel法）确定氯离子扩散系数的现行标准中，水泥基材料水灰比恒定为0.5，进行改性硅酸盐水泥或其他特种水泥测试时容易出现成型困难的情况，而电迁移测试前的试件表面处理方式也易导致外加电流的杂乱分布，进而使测试结果波动性增大。准确、稳定地进行氯离子扩散系数评价是海洋工程用高抗蚀水泥基材料的设计与优化的重要依据，制订水泥基材料氯离子扩散系数检验方法的标准也是高抗蚀水泥基材料生产与工程应用的必然需求。（2）制修订标准的原则。既要具有可靠性和科学性，保证实验数据能准确表征水泥基材料的氯离子扩散系数，又应尽量简化试验操作过程。3、采用国际标准和国外先进标准的项目，应当详细地说明采用该标准的目的、意义，采用标准程度及理由，我国标准同被采用标准、和/或与国际、国外同类标准的主要差异及其原因，或与测试的国外样品的有关数据对比情况等。1）成型用水灰比的确定现有标准通常是在0.5水灰比条件下进行硅酸盐水泥的性能测试，因为粉煤灰、粒化高炉矿渣等辅助性胶凝材料具有一定减水作用，而铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥等特种水泥需水量小，固定水灰比为0.5容易导致新拌水泥基材料泌水。然而使用高比表面积胶凝材料时，固定水灰比为0.5又极易出现流动度低以至难以成型的情况。考虑到常规施工技术对水泥基材料工作性能的要求，可以以0.5水灰比的硅酸盐水泥砂浆流动度为参照，通过步进方法确定试件成型用水灰比。水泥基材料搅拌完成后，立即进行砂浆流动度测试，测试过程应符合GB/T2419中相关规定。当砂浆流动度小于200mm或大于220mm时，应该按照0.01的整数倍调整水与胶凝材料的质量比，直至砂浆流动度在200至220mm范围内。2）仪器设备水泥基材料氯离子扩散系数测定装置，由测试电极、直流稳压电源、电压和电流数据采集与处理系统组成。测试电极应为紫铜材料制成，表面需经抛光处理。直流稳压电源需在0-10V范围内连续、自动可调。电压和电流数据采集应分别精确到±0.1V与±1mA。3）试件表面处理方式试件表面与电极直接接触，试件表面状态与导电面积密切相关，进而直接影响测试结果。当表面存在富余溶液时，电流仍能通过不与电极接触的试体区域进行传导，而富余溶液存在位置的随机性也将大大提高测试结果的离散性。采用干布擦拭试体表面两次，将吸水纸覆盖于试体表面，并将钢尺近乎水平置于吸水纸上，并沿试体边长方向慢慢向另一端移动，吸水纸上无肉眼可见水渍即视为表面处理完成。若存在水渍，即重复干布擦拭与吸水纸检验步骤，直至吸水纸上无肉眼可见水渍。4）电迁移试验试验时开启氯离子扩散系数测定装置，并立即将待测砂浆试体放在测试电极中间进行检测，此过程中保持电极与试体侧面(100mm×100mm)接触。在整个检测过程中测定装置将0~10V电压范围内，以每1min测试电压增大1V频率检测不同电压下通过试体的电流值，测试点不少于5个，且不同测试点处电压与电流间应具有良好的线性关系。每块试体检测宜在15min内完成。5）结果计算与处理电迁移试验结束后，通过数据采集系统的电压与电流值，根据Nernst-Einstein方程计算水泥基材料的氯离子扩散系数。Di=式中：Di——氯离子扩散系数，即单位时间单位面积上氯离子通过数量，单位为平方米每秒(m2/s)；R——气体常数，取8.314焦耳每摩尔开(J/mol∙K)；T——绝对温度，单位为开(K)；σi——粒子偏电导率，单位为西门子每米ZiF——Faraday常数，取96500库每摩尔(c/mol)；Ci——粒子浓度，即所用盐溶液氯离子浓度，单位为摩尔每升（mol/L计算结果精确至1×10-14m2/s，且保留至整数位。每块试体的氯离子扩散系数，是检测数据中与平均值偏差在5%以内数据进行平均作为检测结果;以三块平行试体中相对偏差在15%以内的检测结果平均值，作为该水泥样品氯离子扩散系数最终检测结果。若三块试体中有两组试体检测结果与平均值偏差大15%，则需重新进行检测。4、标准主要内容（包括牌号、成分、性能指标、型号、各种参数、公式、试验方法、检验规则等）确定的论据（包括试验、验证、统计数据等），修订标准时，应列有新旧标准的对比分析。本标准不涉及采用国际标准和国外标准。5、主要试验（或验证）结果的分析、综述报告、技术经济论证，预期的经济效果等。1）验证试验样品概况我们对硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥进行充分调研的基础上，选择了市场上具有代表性的相关产品进行了验证，样品总数共15个。样品来自于8个单位，包括水泥生产厂家和科研院所，涵盖了国内规模最大和技术最先进的制造企业及一般企业和科研院所最新获得的研究成果，所收集样品具有代表性，由标准编制单位华南理工大学与华润水泥技术研发有限公司进行了对比试验，重复性和再现性良好。2）验证试验结果和分析标准编制组依据水泥砂浆流动度确定成型用水灰比，再分别采用JC/T1086与本标准草案对收集的水泥样品在不同龄期的氯离子进行了试验。验证试验目的：验证水泥基材料氯离子扩散系数测试结果的准确性与稳定性。表1为不同水泥样品的成型水灰比和砂浆流动度，表2为采用JC/T1086与本标准草案所得的水泥样品氯离子扩散系数及其相对偏差，图1为两种测试依据的结果精密度对比。试验结果表明，在规定的砂浆流动度范围（200mm-220mm）内，不同水泥样品的水灰比分布在0.39至0.57之间，其中60%样品的水灰比不小于0.50，而仅有13%样品的水灰比小于0.45。与依据JC/T1086所得的氯离子扩散系数及其相对偏差相比，采用本标准草案进行测试所得氯离子扩散系数基本一致，但相对偏差显著减小，说明测试结果的精密度提高（图1）。采用控制新拌水泥砂浆流动度成型水泥砂浆试样，再确保试样表面状态稳定性后进行饱盐电导率测试，是提升氯离子扩散系数测试结果稳定性的适宜手段。表1不同水泥样品的成型水灰比和砂浆流动度水泥编号ABCDEFGHIJKLMNO水灰比0.420.470.390.530.500.500.560.480.530.510.570.500.460.450.55流动度(mm)208212202215213210218207211213215209208214220表2采用JC/T1086与本标准草案所得的水泥样品氯离子扩散系数，10-14m2/s水泥编号氯离子扩散系数JC/T1086本标准草案平均值(10-14m2/s)相对标准偏差(%)平均值(10-14m2/s)相对标准偏差(%)A18312.31726.7B13210.41075.1C778.6433.1D6314.1565.2E8512.1673.9F1849.41523.4G2679.22543.4H1246.31212.6I1405.11312.0J1779.41653.5K27414.42865.6L8013.8464.4M767.6692.9N474.5383.8O6610.3514.1图1JC/T1086与本标准草案所得水泥基材料氯离子扩散系数的相对偏差6、与有关的现行的方针、政策、法律、法规和强制性标准的关系。无。7、对征求意见及重大分歧意见的处理经过和依据。无。8、标准水平建议，预期的社会经济效果。氯离子扩散系数是验证水泥基材料抗氯离子侵蚀性能的有效、直观的指标，也较容易测定。本