CSTM-水泥基材料氯離子擴(kuò)散系數(shù)檢驗(yàn)方法編制說明

水泥基材料氯離子擴(kuò)散系數(shù)檢驗(yàn)方法編制說明（征求意見稿）1、工作簡要過程，來源、主要參加單位和工作組成員等：1）工作的簡要過程2018年年初，標(biāo)準(zhǔn)制定小組開始進(jìn)行調(diào)研以及樣品的收集工作。2018年6月開始試驗(yàn)驗(yàn)證工作，于2019年6月形成標(biāo)準(zhǔn)草稿，并于2019年7月申請立項。2019年11月8日在四川樂山召開了《水泥基材料氯離子擴(kuò)散系數(shù)檢驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)審查會。參加會議的有標(biāo)委會委員、大專院校、及生產(chǎn)和使用單位的28位專家和代表，對標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了認(rèn)真的審定工作后一致決定該標(biāo)準(zhǔn)審查通過，予以立項。會后根據(jù)審查專家的意見和建議對標(biāo)準(zhǔn)報批稿和編制說明進(jìn)行了修改，于2020年11月形成了標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿和標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿編制說明。2）項目來源：在2019年11月8日中國建材集團(tuán)有限公司標(biāo)準(zhǔn)委員會水泥技術(shù)委員會工作會議上，《水泥基材料氯離子擴(kuò)散系數(shù)檢驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)通過了中國材料與試驗(yàn)用團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)委員會（CSTM）建筑材料領(lǐng)域委員會水泥技術(shù)委員會的立項審查，批準(zhǔn)由華南理工大學(xué)、華潤水泥技術(shù)研發(fā)有限公司與中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公司等單位承擔(dān)該標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。3)主要參加單位和工作組成員主要參加單位：華南理工大學(xué)、華潤水泥技術(shù)研發(fā)有限公司、中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公司、武漢理工大學(xué)、濟(jì)南大學(xué)。工作組成員：成員姓名所在單位專業(yè)方向電話郵箱余其俊(組長)華南理工大學(xué)材料oncyuq@張同生材料stszhang@郭奕群材料syqguo@韋江雄材料xwei@劉向陽華潤水泥技術(shù)研發(fā)有限公司材料zdfrl@126.com刁桂芝中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公司材料iaoguizhi@126.com張洪滔水htcbma@163.com饒美娟武漢理工大學(xué)材料aomeijuanding@163.com杜鵬濟(jì)南大學(xué)材料se_dup@盧曉磊材料se_luxl@2、標(biāo)準(zhǔn)化對象簡要情況及制修訂標(biāo)準(zhǔn)的原則1）標(biāo)準(zhǔn)化對象簡要情況（1）產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)本標(biāo)準(zhǔn)主要針對應(yīng)用于對氯離子擴(kuò)散系數(shù)有要求的場合或服役于海洋環(huán)境的水泥基材料。海洋環(huán)境中水泥混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命主要受水泥基材料的抗氯離子侵蝕性能影響，而其根本決定性因素為水泥基材料的抗氯離子侵蝕能力，通常由氯離子擴(kuò)散系數(shù)表征。現(xiàn)有離子擴(kuò)散系數(shù)測試標(biāo)準(zhǔn)包括針對混凝土的GB/T50082《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》與針對水泥的JC/T1086《水泥氯離子擴(kuò)散系數(shù)檢驗(yàn)方法》，其中由于粗骨料及遠(yuǎn)高于實(shí)際應(yīng)用的水灰比（0.5）的影響，同時測試過程的試件表面處理方式容易導(dǎo)致測試結(jié)果不穩(wěn)定，因此上述方法難以準(zhǔn)確反映水泥基材料的抗氯離子侵蝕能力。（2）方法標(biāo)準(zhǔn)本標(biāo)準(zhǔn)涉及主要儀器設(shè)備水泥基材料氯離子擴(kuò)散系數(shù)測定裝置，由測試電極、直流穩(wěn)壓電源、電壓和電流數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)組成。測試電極應(yīng)為紫銅材料制成，表面需經(jīng)拋光處理。直流穩(wěn)壓電源需在0-10V范圍內(nèi)連續(xù)、自動可調(diào)。電壓和電流數(shù)據(jù)采集應(yīng)分別精確到±0.1V與±1mA。2）制修訂標(biāo)準(zhǔn)的原則（1）制修訂標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)或理由；本標(biāo)準(zhǔn)中試驗(yàn)方法的確定，除了參考國內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)外，編制單位還進(jìn)行了大量試驗(yàn)驗(yàn)證，并在對驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合分析基礎(chǔ)上最后確定的。氯離子擴(kuò)散系數(shù)能夠快速地對水泥基材料在海洋環(huán)境下的抗侵蝕性能進(jìn)行量化評價，廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究與工程實(shí)際。表征氯離子擴(kuò)散系數(shù)的方法主要包括快速氯離子遷移法與飽鹽電導(dǎo)率法。由于低強(qiáng)度等級水泥基材料毛細(xì)吸水作用顯著，易導(dǎo)致氯離子擴(kuò)散系數(shù)測試結(jié)果偏高，而電遷移測試時需對試樣兩端長時間施加高電壓，導(dǎo)致陽極與陰極溶液的離子濃度時刻變化，難以滿足Nernst-Plank方程的成立前提（粒子濃度保持不變的稀電解質(zhì)溶液）。而飽鹽電導(dǎo)率法（Nel法）在電遷移過程中無需使用電極電解質(zhì)溶液，且兩端電壓不超過10V，此外通電時間短（不超過15分鐘），因此可忽略電極反應(yīng)與電解質(zhì)濃度波動對測試結(jié)果的影響，可用于測定各強(qiáng)度等級水泥基材料的離子擴(kuò)散系數(shù)，尤其是高性能水泥基材料。采用飽鹽電導(dǎo)率法（Nel法）確定氯離子擴(kuò)散系數(shù)的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中，水泥基材料水灰比恒定為0.5，進(jìn)行改性硅酸鹽水泥或其他特種水泥測試時容易出現(xiàn)成型困難的情況，而電遷移測試前的試件表面處理方式也易導(dǎo)致外加電流的雜亂分布，進(jìn)而使測試結(jié)果波動性增大。準(zhǔn)確、穩(wěn)定地進(jìn)行氯離子擴(kuò)散系數(shù)評價是海洋工程用高抗蝕水泥基材料的設(shè)計與優(yōu)化的重要依據(jù)，制訂水泥基材料氯離子擴(kuò)散系數(shù)檢驗(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)也是高抗蝕水泥基材料生產(chǎn)與工程應(yīng)用的必然需求。（2）制修訂標(biāo)準(zhǔn)的原則。既要具有可靠性和科學(xué)性，保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確表征水泥基材料的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，又應(yīng)盡量簡化試驗(yàn)操作過程。3、采用國際標(biāo)準(zhǔn)和國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的項目，應(yīng)當(dāng)詳細(xì)地說明采用該標(biāo)準(zhǔn)的目的、意義，采用標(biāo)準(zhǔn)程度及理由，我國標(biāo)準(zhǔn)同被采用標(biāo)準(zhǔn)、和/或與國際、國外同類標(biāo)準(zhǔn)的主要差異及其原因，或與測試的國外樣品的有關(guān)數(shù)據(jù)對比情況等。1）成型用水灰比的確定現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)通常是在0.5水灰比條件下進(jìn)行硅酸鹽水泥的性能測試，因?yàn)榉勖夯?、?；郀t礦渣等輔助性膠凝材料具有一定減水作用，而鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥等特種水泥需水量小，固定水灰比為0.5容易導(dǎo)致新拌水泥基材料泌水。然而使用高比表面積膠凝材料時，固定水灰比為0.5又極易出現(xiàn)流動度低以至難以成型的情況。考慮到常規(guī)施工技術(shù)對水泥基材料工作性能的要求，可以以0.5水灰比的硅酸鹽水泥砂漿流動度為參照，通過步進(jìn)方法確定試件成型用水灰比。水泥基材料攪拌完成后，立即進(jìn)行砂漿流動度測試，測試過程應(yīng)符合GB/T2419中相關(guān)規(guī)定。當(dāng)砂漿流動度小于200mm或大于220mm時，應(yīng)該按照0.01的整數(shù)倍調(diào)整水與膠凝材料的質(zhì)量比，直至砂漿流動度在200至220mm范圍內(nèi)。2）儀器設(shè)備水泥基材料氯離子擴(kuò)散系數(shù)測定裝置，由測試電極、直流穩(wěn)壓電源、電壓和電流數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)組成。測試電極應(yīng)為紫銅材料制成，表面需經(jīng)拋光處理。直流穩(wěn)壓電源需在0-10V范圍內(nèi)連續(xù)、自動可調(diào)。電壓和電流數(shù)據(jù)采集應(yīng)分別精確到±0.1V與±1mA。3）試件表面處理方式試件表面與電極直接接觸，試件表面狀態(tài)與導(dǎo)電面積密切相關(guān)，進(jìn)而直接影響測試結(jié)果。當(dāng)表面存在富余溶液時，電流仍能通過不與電極接觸的試體區(qū)域進(jìn)行傳導(dǎo)，而富余溶液存在位置的隨機(jī)性也將大大提高測試結(jié)果的離散性。采用干布擦拭試體表面兩次，將吸水紙覆蓋于試體表面，并將鋼尺近乎水平置于吸水紙上，并沿試體邊長方向慢慢向另一端移動，吸水紙上無肉眼可見水漬即視為表面處理完成。若存在水漬，即重復(fù)干布擦拭與吸水紙檢驗(yàn)步驟，直至吸水紙上無肉眼可見水漬。4）電遷移試驗(yàn)試驗(yàn)時開啟氯離子擴(kuò)散系數(shù)測定裝置，并立即將待測砂漿試體放在測試電極中間進(jìn)行檢測，此過程中保持電極與試體側(cè)面(100mm×100mm)接觸。在整個檢測過程中測定裝置將0~10V電壓范圍內(nèi)，以每1min測試電壓增大1V頻率檢測不同電壓下通過試體的電流值，測試點(diǎn)不少于5個，且不同測試點(diǎn)處電壓與電流間應(yīng)具有良好的線性關(guān)系。每塊試體檢測宜在15min內(nèi)完成。5）結(jié)果計算與處理電遷移試驗(yàn)結(jié)束后，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電壓與電流值，根據(jù)Nernst-Einstein方程計算水泥基材料的氯離子擴(kuò)散系數(shù)。Di=式中：Di——氯離子擴(kuò)散系數(shù)，即單位時間單位面積上氯離子通過數(shù)量，單位為平方米每秒(m2/s)；R——?dú)怏w常數(shù)，取8.314焦耳每摩爾開(J/mol?K)；T——絕對溫度，單位為開(K)；σi——粒子偏電導(dǎo)率，單位為西門子每米ZiF——Faraday常數(shù)，取96500庫每摩爾(c/mol)；Ci——粒子濃度，即所用鹽溶液氯離子濃度，單位為摩爾每升（mol/L計算結(jié)果精確至1×10-14m2/s，且保留至整數(shù)位。每塊試體的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，是檢測數(shù)據(jù)中與平均值偏差在5%以內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均作為檢測結(jié)果;以三塊平行試體中相對偏差在15%以內(nèi)的檢測結(jié)果平均值，作為該水泥樣品氯離子擴(kuò)散系數(shù)最終檢測結(jié)果。若三塊試體中有兩組試體檢測結(jié)果與平均值偏差大15%，則需重新進(jìn)行檢測。4、標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容（包括牌號、成分、性能指標(biāo)、型號、各種參數(shù)、公式、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則等）確定的論據(jù)（包括試驗(yàn)、驗(yàn)證、統(tǒng)計數(shù)據(jù)等），修訂標(biāo)準(zhǔn)時，應(yīng)列有新舊標(biāo)準(zhǔn)的對比分析。本標(biāo)準(zhǔn)不涉及采用國際標(biāo)準(zhǔn)和國外標(biāo)準(zhǔn)。5、主要試驗(yàn)（或驗(yàn)證）結(jié)果的分析、綜述報告、技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證，預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效果等。1）驗(yàn)證試驗(yàn)樣品概況我們對硅酸鹽水泥、復(fù)合硅酸鹽水泥進(jìn)行充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，選擇了市場上具有代表性的相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行了驗(yàn)證，樣品總數(shù)共15個。樣品來自于8個單位，包括水泥生產(chǎn)廠家和科研院所，涵蓋了國內(nèi)規(guī)模最大和技術(shù)最先進(jìn)的制造企業(yè)及一般企業(yè)和科研院所最新獲得的研究成果，所收集樣品具有代表性，由標(biāo)準(zhǔn)編制單位華南理工大學(xué)與華潤水泥技術(shù)研發(fā)有限公司進(jìn)行了對比試驗(yàn)，重復(fù)性和再現(xiàn)性良好。2）驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果和分析標(biāo)準(zhǔn)編制組依據(jù)水泥砂漿流動度確定成型用水灰比，再分別采用JC/T1086與本標(biāo)準(zhǔn)草案對收集的水泥樣品在不同齡期的氯離子進(jìn)行了試驗(yàn)。驗(yàn)證試驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證水泥基材料氯離子擴(kuò)散系數(shù)測試結(jié)果的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。表1為不同水泥樣品的成型水灰比和砂漿流動度，表2為采用JC/T1086與本標(biāo)準(zhǔn)草案所得的水泥樣品氯離子擴(kuò)散系數(shù)及其相對偏差，圖1為兩種測試依據(jù)的結(jié)果精密度對比。試驗(yàn)結(jié)果表明，在規(guī)定的砂漿流動度范圍（200mm-220mm）內(nèi)，不同水泥樣品的水灰比分布在0.39至0.57之間，其中60%樣品的水灰比不小于0.50，而僅有13%樣品的水灰比小于0.45。與依據(jù)JC/T1086所得的氯離子擴(kuò)散系數(shù)及其相對偏差相比，采用本標(biāo)準(zhǔn)草案進(jìn)行測試所得氯離子擴(kuò)散系數(shù)基本一致，但相對偏差顯著減小，說明測試結(jié)果的精密度提高（圖1）。采用控制新拌水泥砂漿流動度成型水泥砂漿試樣，再確保試樣表面狀態(tài)穩(wěn)定性后進(jìn)行飽鹽電導(dǎo)率測試，是提升氯離子擴(kuò)散系數(shù)測試結(jié)果穩(wěn)定性的適宜手段。表1不同水泥樣品的成型水灰比和砂漿流動度水泥編號ABCDEFGHIJKLMNO水灰比0.420.470.390.530.500.500.560.480.530.510.570.500.460.450.55流動度(mm)208212202215213210218207211213215209208214220表2采用JC/T1086與本標(biāo)準(zhǔn)草案所得的水泥樣品氯離子擴(kuò)散系數(shù)，10-14m2/s水泥編號氯離子擴(kuò)散系數(shù)JC/T1086本標(biāo)準(zhǔn)草案平均值(10-14m2/s)相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(%)平均值(10-14m2/s)相對標(biāo)準(zhǔn)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圖1JC/T1086與本標(biāo)準(zhǔn)草案所得水泥基材料氯離子擴(kuò)散系數(shù)的相對偏差6、與有關(guān)的現(xiàn)行的方針、政策、法律、法規(guī)和強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系。無。7、對征求意見及重大分歧意見的處理經(jīng)過和依據(jù)。無。8、標(biāo)準(zhǔn)水平建議，預(yù)期的社會經(jīng)濟(jì)效果。氯離子擴(kuò)散系數(shù)是驗(yàn)證水泥基材料抗氯離子侵蝕性能的有效、直觀的指標(biāo)，也較容易測定。本