研究探索：酚酞试液浓度对混凝土快速碳化深度检测结果的影响研究

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本文选自《商品混凝土》杂志2024年第1期

酚酞试液浓度对混凝土快速碳化深度检测结果的影响研究

韩世界，艾洪祥，陈旭，岳彩虹，李宁

［摘 要］混凝土碳化深度检测试验中，常用酚酞酒精溶液对混凝土断面通过显色反应进行碳化深度检测。现行标准中常使用的酚酞酒精溶液浓度为 1%～2%。为了验证高浓度酚酞酒精溶液对混凝土碳化深度值检测的影响，本文对快速碳化后的试件断面使用 1%～7% 的酚酞酒精溶液进行了碳化深度检测。针对测试数据的标准偏差与平均值，采用统计学中的 F 检验与 t 检验方法对 7 组平行试验数据进行了对比分析。分析发现 7 组试验结果之间精密度与准确度无明显差异，即使用 1%～7% 浓度的酚酞酒精溶液对混凝土碳化深度检测值没有影响。该结果拓宽了酚酞酒精溶液在碳化深度检测试验中的浓度范围，为以后使用酚酞指示剂法测试混凝土碳化深度提供可靠的数据支撑。

［关键词］碳化深度；酚酞酒精溶液浓度；统计学；对比分析

0 引言

由于CO与Ca(OH)/C-S-H凝胶的反应，即碳化作用^[1]，使硬化水泥的碱度不断降低，从而改变了水泥的理化性质（物相组成、孔隙度等）^[2-7]。更重要的是，在高碱度环境下（pH>12.0），钢筋表面的FeFe保护膜随着pH值的降低而开始腐蚀^[8-10]。Mi等^[11]研究表明，钢筋锈蚀发生在pH为9.0～11.5之间的半碳化区。

硬化水泥浆体发生碳化是由于相变导致pH值降低。Weerdt等^[12]通过热力学计算模拟了不同CO浓度下普通硅酸盐水泥的相变。当暴露于CO中时，波特兰石被确定为碳酸化的初始阶段，随后是水化产物的脱钙，这一阶段对应于硅酸盐体系的pH值约为13。碳化过程中，单碳酸盐和硅质石榴石与CO反应，并以C-S-H进一步脱钙结束。最终，碳酸盐相以方解石、霰石或沸石的形式稳定下来，同时pH值降低到10甚至更低。

监测混凝土碳化的pH变化是了解其内部结构情况的关键^[11,13,14]。目前混凝土碳化深度检测最常用的方法是酚酞指示剂法，即通过酚酞遇碱变红的原理来确定混凝土里面物质的碳化情况^[15]。国内相关标准对在混凝土碳化深度检测中所使用的酚酞溶液浓度给出了1%～2%的要求，目前国内学者针对此浓度对混凝土碳化深度检测结果的影响已经开展了相关研究^[16]，但是对于达到饱和临界点的高浓度酚酞溶液对混凝土碳化深度检测结果的影响研究较少。

为了明确高浓度酚酞试液对混凝土碳化深度检测数据的影响，本文使用更高浓度（3%～7%）的酚酞试液对混凝土试件进行碳化深度检测，为了验证数据的统一性以及精密度，使用统计学中F检验与t检验对各浓度酚酞试液所测得的碳化深度数据进行了验证。

1 原材料及测试方法

1.1 原材料

（1）水泥：新疆吉木萨尔水泥厂生产的天宇华鑫PO42.5普通硅酸盐水泥，其物理化学性能分别如表1和表2所示，符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》标准规定。

（2）粉煤灰：乌鲁木齐红雁池二电厂生产的F类II级粉煤灰，主要技术指标如表3所示，符合GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》标准规定。

（3）矿粉：宝新盛源建材有限公司生产的S75级矿粉，主要技术指标如表4所示，符合GB/T 18046—2017《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》标准规定。

（4）砂：新疆和砼源建材有限公司生产的河砂，为Ⅱ区粗砂，细度模数3.1。

（5）石：新疆和砼源建材有限公司生产的卵石，为5～20mm连续级配，压碎指标6.5%。

结合上述原材料特点，参照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》，设计适用于乌鲁木齐区域预拌厂常用C30混凝土配合比，如表5所示。

1.2 测试方法

（1）试件制作与养护

使用表5中配合比成型尺寸为100mm×100mm× 400mm的试件7组，使用振动台振捣密实后放入室温(20±5)℃，湿度不小于50%的室内静置24h，拆模后放入标准养护室内进行养护，养护室温度为(20±2)℃，湿度不小于90%。试件养护至26天从标准养护室取出试件，并在60℃的烘箱内烘干48h。烘干的试件，除应留下一个或相对的两个侧面外，其余表面应采用加热的石蜡予以密封。然后应在暴露侧面上沿长度方向用铅笔以10mm间距画出平行线，作为预定碳化深度的测量点。

（2）快速碳化试验

将加工处理后的试件统一放入快速碳化试验箱内进行碳化，箱内二氧化碳浓度保持在(20±3)%，相对湿度控制在(70±5)%，温度控制在(20±2)℃范围内对箱内试件进行快速碳化试验。当碳化龄期达到14天时，取出试件，破型后对同一试件使用1%～7%的酚酞溶液测定碳化深度。

2 试验结果与分析

2.1 原始数据统计

按照规范对混凝土劈裂后使用1%～7%浓度的酚酞溶液对试件进行碳化深度检测，每一种酚酞浓度采集碳化深度数据140组，7组试件共采集碳化深度数据980组如图1所示。对采集的原始数据分别计算得到每个测区的混凝土碳化深度值，得到7组平行试验数据的平均值、标准差，结果如表6所示。

从表6中可以看出，7种不同酚酞浓度试液所测得的碳化深度平均值波动较小，但标准偏差波动较大。以1%浓度的酚酞试液所测得的碳化深度数据为基准，其它浓度酚酞试液测得的碳化深度值减去基准组数据得到差值分布见图2。

2.2 异常数据处理

通过对表6和图2的分析可以发现，有部分碳化深度的测试数据明显有较大偏差，主要原因有可能是在检测过程中粗骨料分布不均匀或者系统误差引起检测数据的异常。由于本次试验为大样本数据，因此对于异常数据的判定和剔除采用拉依达准则（3）。具体的操作方法如下：

通过对7组碳化深度的检测数据进行计算，先得到算数平均值及剩余误差，然后根据贝塞尔公式计算出标准误差

利用各浓度酚酞试液所得出的标准误差，根据3准则对各测点的数据进行判别，若|x|＞3，则x为粗大误差，应予以舍弃；|x，则x为正常数据，应予以保留。在所有原始数据中筛选出21组异常数据剔除后重新进行统计计算，具体统计结果见表7。

从表7中可以看出，在使用拉依达准则对异常数据剔除以后，各浓度酚酞试液所测得数据标准偏差变得更小，说明数据差异较小，数据的离散程度低。为了对比各浓度酚酞试液所测得数据的精密度之间有无明显差异，后续将对7组数据进行F检验。

2.3 F 检验判定数据的精密度

一组数据的标准偏差能客观地反映出该组数据的精密度，不同组数据的精密度也不尽相同。为了分析各组数据与基准数据（1%浓度酚酞试液）精密度之间有无明显差异，也就是检验各组数据的随机误差是否一致，因此需要对各组数据进行F检验。F检验是为了比较各组数据样本的精密度有无明显差异。其中F值通过式(4)计算：

F=S/S（其中，S） (4)

以1%浓度酚酞试液的标准差为基准组，其余6组数据根据表7中各组别的标准偏差按式(4)进行计算得到各组别F值，如表8所示。

F检验中规定，F＜F（F标准值）表明两组数据没有显著差异；F表明两组数据存在显著差异。为了得到F，利用Excel的F概率分布的逆函数进行计算，函数格式为：FINV(P, df, df)，其中P为分布概率，取值为0.05，df为分子自由度（数据量－1），df为分母自由度（数据量－1）。通过计算得到6组F标准值，修约后得到如表9所示的F标准值。

对比表8和表9中的F值与F标准值发现，表3中的F值均小于表9中F标准值1.33，因此使用1%～7%浓度的酚酞试液所测得的碳化深度值较为接近，7组平行碳化深度试验数据之间不存在显著的差异性。

2.4 t 检验判定数据的准确度

t检验（t test）又称学生t检验（Student t-test）可以说是统计推断中非常常见的一种检验方法，是用t分布理论来推论差异发生的概率，从而比较两个平均数的差异是否显著。t检验的目的是检验每组数据平均值的准确度。t检验方法中规定，当t_{, (+n-2}则说明两组数据之间不存在显著差异，没有系统误差。本次t检验采用双总体检验，根据各组数据样本量按照式(5)计算t值：

以1%浓度酚酞试液所检测的碳化深度数据为基准对比组，根据式(5)计算得到各浓度酚酞试液所对应的t值，如表10所示。

根据表7中的平均值统计结果以及数据量，t的标准值可以利用TINV函数进行计算，函数格式为TINV(P, df)，其中P取值为0.05，df为自由度（数据量），利用该函数计算得到各组别t的标准值，如表11所示。

通过计算发现，各组别的t标准值均为1.98，对比表10的t值与表11中t标准值可知，t值均小于t标准值，即t_{, (+n-2}。说明2%～7%浓度酚酞试液所测得的碳化深度数据与1%浓度酚酞试液的结果平均值之间不存在显著差异性，各组测试结果之间不存在系统误差。

2.5 各组碳化深度平行数据分析

利用拉依达准则对原始数据中偏差较大的数据剔除后可以看出，1%～7%质量浓度所测得的碳化深度平均值在13.54～13.82之间，最大值与最小值差值为0.28，远小于碳化深度测试结果的精度（1mm）要求，根据表7显示的7组平行试验数据的平均值与标准偏差可以看出，平行试验的偏差较小，大多数测试结果具有一致性，说明采用1%～7%质量浓度酚酞试液测试的数据之间差异性较小。从图2中也可以看出，1%～7%质量浓度的酚酞溶液所检测的同一试件的碳化深度基本保持一致。也从侧面说明了酚酞的质量浓度对混凝土碳化深度的检测影响较小。

3 结论

通过对1%～7%浓度酚酞试液所测得的各组碳化深度结果对比分析，得到以下结论：

（1）通过F检验的结果说明了不同浓度酚酞试液所测得的平行试验数据的精密度之间不存在显著性差异，相互之间的测试结果较为接近；

（2）t检验结果表明，各组平行试验数据平均值之间不存在显著性差异，各组数据之间不存在系统误差；

（3）通过对比各浓度酚酞试液所测得的碳化深度数据发现，各组所测得的试验数据偏差较小，大多数的试验数据具有一致性，1%～7%浓度的酚酞试液所得到的碳化深度数据平均值接近，标准偏差差异性较小。结果表明，酚酞试液的浓度对检测混凝土碳化深度没有影响。

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供稿人：韩世界，艾洪祥等

编辑员：李海亮

审核人：孙继成，宁夏

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