CN102590242B - X射线扫描无损检测水泥基材料三维碳化深度的演化方法 - Google Patents

Abstract

X射线计算机断层扫描无损检测水泥基材料三维碳化深度演化方法，是一种新型的水泥基材料碳化深度的检测方法，主要原理是基于X射线源收集旋转物体的射线衰减信息来重构图像，并根据灰度值的差异区分出水泥基材料的已碳化区域和未碳化区域，克服了传统酚酞酒精溶液的pH法的许多缺点。可以在不破坏试件的条件下，检测出水泥基材料的三维碳化深度随时间推移的演化过程。同时，该方法还可以得出碳化过程中的裂纹的空间分布，裂纹体积，裂纹闭合面积，孔隙率和孔尺度分布演化规律，以及孔的拓扑性能，如连通性，曲折度等。

Description

X射线扫描无损检测水泥基材料三维碳化深度的演化方法

技术领域

本发明结合X射线计算机断层扫描技术，提出一种新的无损检测方法，可以在不破坏试件的条件下，检测出水泥基材料内部的三维碳化深度随时间推移的演化过程。该方法基于X射线计算机断层扫描的灰度值差异，可以明显区分出水泥基材料的已碳化区域和未碳化区域，同时，该方法还可以得出碳化过程所产生的裂纹的空间分布，裂纹体积，裂纹闭合面积，孔隙率和孔尺度分布演化规律，以及孔的拓扑性能，如连通性，曲折度等，该发明属于水泥和混凝土基础研究领域。

背景技术

多年来，水泥基材料碳化深度的测试方法非常单一，最常用的方法是酚酞酒精溶液法，即将水泥基材料的试件碳化到一定龄期后，在测试面处劈开试件，将劈裂所得的试件部分刮去断面上残余的粉末，随即喷上(或滴上)浓度为1％的酚酞酒精溶液(酒精溶液含20％的蒸馏水)。约经30s后，按原先标划的每10mm一个测量点用钢板尺测出各点的碳化深度，最后取平均值即为碳化深度。该方法简单方便，但也存在很多问题。首先，酚酞酒精溶液由粉红色变为无色的pH值为9.0，而碳化过渡区处的pH值为10.5-12，因此，该方法不能检测出碳化过渡区。同时，该方法不能得出碳化速率大小，以及水泥基材料中氢氧化钙消耗的比例。最后，该方法得出的碳化信息都是2维平面信息，不能得出空间3维的碳化信息。

水泥基材料碳化反应是一个复杂的物理化学反应过程，该过程涉及到二氧化碳气体在水泥基多孔材料中的传输，二氧化碳气体溶解在孔溶液中形成碳酸，水泥基材料中的碱性物质溶解在孔溶液中，孔溶液内溶解的碳酸和碱性物质发生化学反应生成碳酸钙，碳酸钙的沉淀，随着碱性物质的降低，孔溶液的pH下降等等。

为了准确研究水泥基材料的碳化反应，建立准确的碳化反应的损伤模型和寿命预测模型，必须要发展一种新型的检测手段，既能检测出水泥基材料碳化深度的三维信息，又能在不破坏试件的前提下检测不同碳化时间的原位演化过程。目前尚未见国内外公开报道。因此，开发X射线计算机断层扫描无损检测水泥基材料三维碳化深度演化的检测方法的具有很大的实用价值，该发明填补了这一区域的空白。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种X射线扫描无损检测水泥基材料三维碳化深度的演化方法，该方法可以原位监测水泥基材料三维碳化深度的演化。

技术方案：本发明的X射线扫描无损检测水泥基材料三维碳化深度的演化方法包括：

步骤1：根据设计好的配合比成型圆柱体或长方体形状的净浆、砂浆、混凝土或钢筋混凝土待测试件，成型3天后脱模，在温度20±3℃，湿度90％以上的标准养护室中养护28天；

步骤2：将养护到期的试件放在烘箱中干燥48小时，净浆或砂浆试件的干燥温度为50℃，混凝土和钢筋混凝土试件的干燥温度为60℃；

步骤3：经烘干处理后的圆柱体试件，用加热的石蜡密封住试件的上下平面，留下侧面进行碳化，经烘干处理后的长方体试件，除留下一个或相对的两个侧面外，其余表面用加热的石蜡予以密封；

步骤4：将上述试件放入碳化箱的铁架上，各试件的间距应不少于50毫米，开启碳化箱的温度控制器和相对湿度控制器，温度控制在20±5℃，湿度控制在70±5％，将碳化箱盖严密封，7天后取出试件，进行第一轮X射线计算机断层扫描，记作碳化0天的信息；

步骤5：将上述试件再放回碳化箱中，开启温度控制器和相对湿度控制器，通入二氧化碳气体，进行加速碳化反应，并分别在碳化3天，7天，14天和28天后取出试件，进行第二轮、第三轮、第四轮和第五轮的X射线计算机断层扫描，分别记作加速碳化3天，7天，14天和28天内的信息；

步骤6：利用软件VG Studio MAX 2.0或2.1对上述断层扫描信息进行分析，得出三维碳化深度，孔隙率，孔尺度分布，三维裂纹空间分布的演化过程。

X射线计算机断层扫描仪的电压和电流分别为195kV和0.41mA，探测器类型为Y.XRD 0820，探测器单元数为1024，像素数为1024×1024；采用VG Stuodio MAX 2.0或VGStuodio MAX 2.1分析软件进行数据处理。

所述的加速碳化反应，二氧化碳浓度为20±3％，相对湿度为70±5％，温度为20±5℃。

有益效果：

1)本发明可以无损检测出水泥基材料的碳化深度，可以保证测试试样的完整性，原位检测碳化反应导致的水泥基材料微结构的演变。同时，避免了劈裂试件所引入的损伤，保证了测试结果的准确性。

2)采用本发明不仅可以得出水泥基材料试件碳化反应的二维平面碳化深度，还可以得出碳化前沿的三维空间分布，以及得到已碳化区域和未碳化区域的体积比。

3)采用本发明同时还能够得出碳化过程中的裂纹的空间分布，裂纹体积，裂纹闭合面积，孔隙率和孔尺度分布演化规律，以及孔的拓扑性能，如连通性，曲折度等，为准确建立水泥基材料碳化反应传输模型，损伤劣化模型和寿命预测模型奠定了基础。

具体实施方式

本发明的X射线计算机断层扫描无损检测水泥基材料三维碳化深度方法，主要由X射线计算机断层扫描仪，水泥基材料(净浆，砂浆，混凝土，钢筋混凝土)，加速碳化箱，VG StudioMAX软件四部分组成；其中X射线计算机断层扫描仪的电压和电流分别为195kV和0.41mA，探测器类型为Y.XRD 0820，探测器单元数为1024，像素数为1024×1024。水泥基材料的试件形状任意，主要以长方体和圆柱体为主，尺寸不宜太大，因为尺寸越小，三维重构图像的分辨率越高。由于碳化反应速率较慢，为节省时间，宜采用加速碳化反应，二氧化碳浓度为20±3％，相对湿度为70±5％，温度为20±5℃。分析软件宜采用VG Stuodio MAX 2.0或VG Stuodio MAX 2.1进行数据处理。

举例说明：

本发明以圆柱体水泥净浆和砂浆试件为例，具体配合比如下表所示。

按上述配合比搅拌，并浇筑到内径为46mm，高度为76mm的圆柱体模具中，3天后脱模，在温度20±3℃，湿度90％以上的标准养护室中养护28天，放在50℃的真空干燥箱中干燥48小时后，用加热石蜡密封住上下平面，在温度为20±5℃，湿度为70±5％的加速碳化箱中(不通入二氧化碳气体)放置7天，进行第一轮X射线计算机断层扫描，记作碳化0天的信息，将上述试件再放回碳化箱中，二氧化碳浓度为20±3％，相对湿度为70±5％，温度为20±5℃，进行加速碳化反应，并分别在碳化3天，7天，14天和28天后取出试件，进行第二轮、第三轮、第四轮和第五轮的X射线计算机断层扫描，分别记作加速碳化3天，7天，14天和28天内的信息；其中，X射线计算机断层扫描仪的电压和电流分别为195kV和0.41mA，利用软件VG Studio MAX 2.0或2.1对上述断层扫描信息进行分析，得出三维碳化深度，孔隙率，孔尺度分布，三维裂纹空间分布的演化过程。

Claims (1)

1.一种X射线扫描无损检测水泥基材料三维碳化深度的演化方法，其特征在于该方法包括：

步骤1：根据设计好的配合比成型圆柱体或长方体形状的净浆、砂浆、混凝土或钢筋混凝土待测试件，成型3天后脱模，在温度20±3℃，湿度90%以上的标准养护室中养护28天；

步骤2：将养护到期的试件放在烘箱中干燥48小时，净浆或砂浆试件的干燥温度为50℃，混凝土和钢筋混凝土试件的干燥温度为60℃；

步骤3：经烘干处理后的圆柱体试件，用加热的石蜡密封住试件的上下平面，留下侧面进行碳化，经烘干处理后的长方体试件，除留下一个或相对的两个侧面外，其余表面用加热的石蜡予以密封；

步骤4：将上述试件放入碳化箱的铁架上，各试件的间距应不少于50毫米，开启碳化箱的温度控制器和相对湿度控制器，温度控制在20±5℃，湿度控制在70±5%，将碳化箱盖严密封，7天后取出试件，进行第一轮X射线计算机断层扫描，记作碳化0天的信息；

步骤5：将上述试件再放回碳化箱中，开启温度控制器和相对湿度控制器，通入二氧化碳气体，进行加速碳化反应，并分别在碳化3天，7天，14天和28天后取出试件，进行第二轮、第三轮、第四轮和第五轮的X射线计算机断层扫描，分别记作加速碳化3天，7天，14天和28天内的信息；

步骤6：利用软件VG Studio MAX2.0或2.1对上述断层扫描信息进行分析，得出三维碳化深度，孔隙率，孔尺度分布，三维裂纹空间分布的演化过程；

X射线计算机断层扫描仪的电压和电流分别为195kV和0.41mA，探测器类型为Y.XRD0820，探测器单元数为1024，像素数为1024×1024；采用VG Stuodio MAX2.0或VG Stuodio MAX2.1分析软件进行数据处理；

所述的加速碳化反应，二氧化碳浓度为20±3%，相对湿度为70±5%，温度为20±5℃。