CN104483334A - 一种可视化表征水泥基材料水分空间分布和含量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可视化表征水泥基材料水分空间分布和含量的方法：取一成型好并养护一定龄期的水泥基材料，干燥得到试样；用石蜡密封试样除浸水面外的所有端面和侧面；将试样放入平底容器中，浸水面用小垫块支撑；将平底容器置于X-CT成像装置台上，往平底容器中注入高出试样浸水面一定距离的水进行毛细吸水实验，同时开启X-CT成像装置，对水分侵入试样进行X-CT成像；对X-CT图像进行灰度分析，得到试样毛细吸水深度的变化；利用毛细吸水深度和时间，得到毛细吸水深度系数；利用毛细吸水深度系数和试样孔隙率，得到试样毛细吸水质量的变化。本发明方法不仅能够定量表征水分侵入深度的演变，还能够准确预测毛细吸水质量的变化。

Description

一种可视化表征水泥基材料水分空间分布和含量的方法

技术领域

本发明涉及水泥基材料耐久性研究与应用领域，具体涉及一种水泥基材料毛细吸水后水分空间分布和含量的可视化表征。

背景技术

水分不仅为侵蚀离子(硫酸根离子、氯离子等)进入或钙离子溶出水泥基复合材料内部提供便利的传输载体，而且在温、湿度交变条件下作为主要介质引起材料的收缩或冻融损伤破坏。因此，充分了解水分的传输行为有助于合理分析耐久性破坏规律。

水分在混凝土中的迁移主要有三种方式：渗透、毛细吸水以及气相扩散等。渗透主要是指饱和水在压力作用下的传输行为，然而在许多情况下水泥基复合材料处于不完全饱和状态，因此毛细管抽吸作用力下的传输行为将起到主要作用。通常采用测重得到混凝土材料的吸水率来反应非饱和材料的吸水过程，但是该方法只是简单反应吸水量与时间之间的关系，不能反应水分在材料中的运动形式和空间分布。Phillipson MC等利用测试混凝土材料的电学参数(电阻、电容以及介电常数)来表征材料内部的相对含水量，但该方法的测试精度易受到水泥基复合材料中孔溶液离子种类和含量的影响。

发明内容

针对现有定量分析水分侵入水泥基材料内部困难的问题，本发明提供一种定量可视化表征水泥基材料中水分空间分布和含量的方法。

本发明采用以下技术方案：

一种可视化表征水泥基材料水分空间分布和含量的方法，包括如下步骤：

步骤一、取一成型好并养护一定龄期的水泥基材料，干燥得到试样；

步骤二、用石蜡密封步骤一得到的试样除浸水面外的所有端面和侧面，以避免水分从侧面侵入试样内部；随后将试样放入平底容器中，浸水面用小垫块支撑；

步骤三、将步骤二所述平底容器置于X-CT成像装置台上，往平底容器中注入高出试样浸水面一定距离的水进行毛细吸水实验，同时开启X-CT成像装置，对水分侵入试样进行X-CT成像；

步骤四、根据步骤三获得的X-CT图像进行灰度分析，得到试样毛细吸水深度的变化；根据公式1-4b，利用毛细吸水深度和吸水时间，得到毛细吸水深度系数，再根据公式1-11，利用毛细吸水深度系数和试样孔隙率，得到毛细吸水质量系数，之后根据公式1-10a，利用毛细吸水质量系数和吸水时间，得到毛细吸水质量的变化；其中，

公式1-4b为：y＝A_·t^1/2，y为毛细吸水深度，A为毛细吸水深度系数，t为吸水时间；

公式1-11为：B＝ρφA，B为毛细吸水质量系数，ρ为水的密度，为试样孔隙率，A为毛细吸水深度系数；

公式1-10a为：i＝B_·t^1/2,i为试样单位横截面面积上的累计吸水质量，B为毛细吸水质量系数，t为吸水时间。

步骤一所述试样制备步骤为：用硅酸盐水泥制备出水泥浆体，样品成型24h后拆模并放入湿度95％，温度20℃的标准养护室中养护1年，然后将试件切为10mm×10mm×40mm的棱柱体，并放入105℃烘箱中烘干至恒重，得到所述试样。

步骤三所述平底容器中注入的水高出试样浸水面2mm。

步骤三在水分侵入试样0min，30min，60min，150min，270min后进行X-CT成像。

本发明的有益效果：

采用X-CT成像技术对材料内部水分在毛细管作用下传输行为进行原位、连续、可视化追踪。

(1)X-CT技术是无损观察水泥基复合材料内部水分传输行为的一个重要工具，它根据毛细吸水之后材料灰度值的变化进而准确监测水分的动态侵入过程，并具有较高分辨率。

(2)本发明方法不仅能够定量表征水分侵入深度的演变，还能够准确预测毛细吸水质量的变化。

附图说明

图1为毛细吸水实验示意图。

图2为典型的毛细吸水2D CT图像。

图3为毛细吸水2D CT图像中灰度值的变化。

图4为毛细吸水过程中未掺加和掺加磨细矿渣浆体同一位置随时间变化的2D CT图。

图5为磨细矿渣掺量对毛细吸水侵入深度的影响。

图6为2D CT图像中孔相灰值。

图7为毛细吸水过程中孔相的灰度变化。

图8为掺加磨细矿渣浆体的实测吸水曲线及拟合曲线。

图9为掺加磨细矿渣浆体的孔径分布微分曲线。

图10为掺加磨细矿渣浆体的孔径分布曲线。

图11为掺加磨细矿渣浆体单位面积累计吸水量的实验与预测结果。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做更进一步地解释。下列实施例仅用于说明本发明，但并不用来限定本发明的实施范围。

实施例1CT成像实验

步骤1：首先利用普通硅酸盐水泥制备出水泥浆体，样品成型24h后拆模并放入湿度95％，温度20℃的标准养护室中养护1年，然后将试件切为10mm×10mm×40mm的棱柱体，并放入105℃烘箱中烘干至恒重，得到所述试样。

步骤2：接着用石蜡密封试样除浸水面外的所有端面和侧面，以避免水分从侧面侵入试样内部，随后将试样放入一个平底塑料容器中，浸水面用小垫块支撑。

步骤3：将装试样的平底塑料容器置于X-CT成像装置台上，往平底塑料容器中注入水，使液面高出试样浸水面2mm，进行毛细吸水实验，如图1所示，同时开启X-CT成像装置，分别在水分侵入试样0min，30min，60min，150min，270min后，进行X-CT成像，可视化追踪水分在水泥基复合材料内部的分布和侵入深度。整个实验过程中都保持试样位置固定不变。

根据ASTM C 1585-04标准进行毛细吸水试验。当石蜡密封试样之后，在吸水实验开始之前首先记录试样的初始质量，然后进行一维毛细吸水实验，在毛细吸水120min之前每隔10min称量一次样品质量，毛细吸水120min之后每隔30min称量一次样品质量直至实验结束。

实施例2典型的毛细吸水CT图像

以水灰比为0.35水泥净浆吸水20min后为例，典型的毛细吸水实验CT成像如图2所示，根据吸水的位置可以把样品分为两个区域：湿润区和干燥区，底部湿润区的亮度要比上部干燥区大。此外，水泥浆体左侧明亮区域的高度要比右侧高，这是由于水泥基复合材料为非均质材料，其毛细孔的大小和体积分布不均匀，造成水分在材料内部的侵入速度有所差异。

为了精确表征水分在浆体中侵入深度，在2D CT图像上随机取三条直线自下至上测试灰度的变化，结果如图3所示。从图中看出CT图像中灰度呈现波浪形变化，波谷表示孔相，波峰可能是铁相。主要是因为水泥浆体为多相复合材料，并且每一种相的灰度值都不同。但是总体变化趋势是一致的，都是先下降(灰度值从420降至290)，后趋于稳定。由于仅仅只有试样底部与水接触，试样吸水之后其密度变大，则吸水之后CT成像的灰度值要比干燥处大。通过图3可以确定水分侵入深度为6.18mm，0-6.188mm为湿润区，大于6.18mm则为干燥区。因此可以通过毛细吸水后样品的灰度值变化来分辨水分在水泥基复合材料内部的侵入情况。

实施例3磨细矿渣掺量的影响

图4为原位观察在不同时间内水分侵入磨细矿渣掺量0％和10％水泥浆体的CT图。随着毛细吸水时间的增加，在毛细管吸附力的作用下水分从试样的底部不断向顶部攀升，在60min之前水分能在短时间内迅速侵入至试样内部，当吸水时间从60min增加至270min毛细吸水速率相比之前有所降低。由此可见水泥浆体的毛细吸水过程为早期迅速、后期缓慢。此外，从图像可以观察到水分的前锋并不是保持在某一固定位置，早期水分在浆体的左右两端侵入深度较深，吸水时间增长至150min后水分的前锋位于浆体的中部。

采用图2灰度法统计对2D CT图像进行灰度统计，毛细吸水深度随吸水时间的变化如图5所示，从图中可见毛细吸水曲线变化趋势与CT图像观察的结果一致，是一个早期迅速增长后趋于平缓直至稳定的演变过程。而且掺加10％磨细矿渣浆体的毛细吸水深度一直都要低于纯水泥浆体。在磨细矿渣掺量为10％浆体的2D CT图像中选取2个代表性的孔相，研究在水分侵入过程中其灰度的变化，如图6所示。图中孔相I和孔相II距离接触水面的高度分别为7.0mm和14.6mm。根据图5水分侵入深度结果，在30min时水分前锋已达到孔相I所在位置，水分开始侵入孔相内提高该区域的密度，所以孔相I灰度值提高了1.9％。随着吸水时间的增加，水分侵入深度增加的同时，孔相I处侵入大量的水分，从30min到60min其灰度值提高了7.0％。随后水分前锋不断向更深处推进，由于孔相I处水分基本处于饱和状态，时间从60min增加至270min其灰度值仅提高了2.1％。对于孔相II，在150min之前水分前锋还未到孔相II位置，该孔的相对湿度为零，因此它的灰度值没有变化一直保持在35.6。当吸水时间从150增加至270min时，水分前锋开始侵入孔相II内，同样其灰度也迅速增加了7.4％。由此可见，水泥基复合材料孔相的毛细吸水过程也是早期迅速增加，后期处于平缓直至吸水饱和后达到稳定。

利用式(1-4b)对水分侵入深度的实验结果进行拟合，拟合结果如图8所示。水泥基复合材料毛细吸水过程中水分侵入深度与时间平方根之间呈线性关系，由于线性拟合得到的斜率大小则为水泥基复合材料的毛细吸水深度系数，因此从图中可以得到磨细矿渣掺量0％和10％浆体的毛细吸水深度系数分别为1.46mm/h^1/2和1.14mm/h^1/2。图9为采用压汞法得到掺量0％和10％磨细矿渣浆体的孔径分布曲线。掺加10％磨细矿渣后使最可几孔径向左偏移，由此可见掺加磨细矿渣参与“二次水化反应”降低浆体的孔径，得到磨细矿渣掺量0％和10％浆体平均孔径(d)分别为26.8nm和16.9nm。根据式(1-4c)可知浆体的毛细吸水深度系数与毛细孔半径平方根成正比，将测试得到的毛细孔平均孔径代入式(1-4c)中，计算出掺量0％和10％浆体的毛细吸水深度系数比值为1.26，与实验结果1.28基本一致。因此，水泥基复合材料在一维方向的毛细吸水过程可以用渗透深度与吸水时间平方根的线性方程来表示。

目前最常用的方法是采用测重法表征混凝土毛细吸水过程，根据式(1-4c)和式(1-10b)可知水泥基复合材料毛细吸水深度系数与质量系数之间的关系为：

B＝ρφA    (1-11)

由于水的密度ρ等于0.001g/mm³，为定值，因此可见毛细吸水质量系数不仅与水泥基复合材料的毛细吸水深度系数有关，而且还与孔隙率紧密相关。利用图10利用压汞仪测试的浆体孔隙率以及图8获得的毛细吸水深度系数可以预测毛细吸水过程中水泥基复合材料吸水重量的变化，如图11所示。根据式(1-11)计算得到掺量0％和10％浆体的毛细吸水质量系数分别为0.000235g/(mm²·h^1/2)和0.00016g/(mm²·h^1/2)，理论预测水泥基复合材料单位面积的毛细吸水重量变化与实验测试的结果基本吻合。所以，利用CT技术不仅能够观察水分动态侵入的全过程，还能够定量表征毛细吸水质量和深度的变化。

实施例4毛细吸水的理论模型

水泥基复合材料的毛细吸水过程是指在毛细管作用力下，水分在毛细孔内部迁移过程。一般情况，混凝土材料的毛细吸水模型是基于平行管孔隙多孔介质内的毛细吸收理论。根据Hagen-Poiseuille方程，在外部压力作用下单个圆柱形毛细管内水分迁移方程为：

$\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{\π}{r}^4}{8\mathrm{\η}}\·\frac{\mathrm{\ΔP}}{y}---(1-1)$

式中v表示毛细吸水体积，t为吸水时间，r为毛细孔半径，η为水的粘滞系数，y为毛细吸水深度(渗透深度)。

根据Laplace方程，毛细孔内吸附水分达到平衡时，由于存在表面张力会在气-液-固交界处形成一个接触角θ，并在液体表面产生一个压力差ΔP：

$\mathrm{\ΔP}=\frac{2\mathrm{\σ}\cos \mathrm{\θ}}{r}---(1-2)$

其中σ为表面张力。

又因为毛细管中吸水量与吸水高度之间的关系为：

dv＝πr²dy    (1-3)

联立方程(1-1,1-2和1-3)可得水泥基复合材料毛细吸水渗透深度y(mm)与吸水时间t(h)的关系：

$\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{r\σ}\cos \mathrm{\θ}}{4\mathrm{\ηy}}---(1-4a)$

$y=\sqrt{\frac{\mathrm{r\σ}\cos \mathrm{\θ}}{2\mathrm{\η}}t}=A\·t^{1/2}---(1-4b)$

$A=\sqrt{\frac{\mathrm{r\σ}\cos \mathrm{\θ}}{2\mathrm{\η}}}---(1-4c)$

式中A为毛细吸水深度系数(mm/h^1/2)。可以看出毛细吸水深度系数只与水泥基复合材料毛细孔径、表面张力、接触角以及粘滞系数密切相关，因此对于同一种材料的一维毛细吸水过程，其毛细吸水深度系数为常数。

则单个毛细孔的累计毛细吸水体积量可以用式(1-5)表示：

$v=\mathrm{\π}{r}^{2}y=\mathrm{\π}{r}^2\sqrt{\frac{\mathrm{r\σ}\cos \mathrm{\θ}}{2\mathrm{\η}}t}---(1-5)$

假定水泥基复合材料内部的毛细孔为多维随机平行分布的圆柱形孔，当一维方向含有n个毛细孔，则毛细吸水导致增加的体积V为：

$V=\mathrm{nv}=\mathrm{n\π}{r}^2\sqrt{\frac{\mathrm{r\σ}\cos \mathrm{\θ}}{2\mathrm{\η}}t}---(1-6)$

由于在实验过程中，往往更易测量毛细吸水的重量而不是体积，因此将式(1-6)中的混凝土毛细吸水体积换算成增加的重量W。

$W=\mathrm{\ρV}=\mathrm{n\ρ\π}{r}^2\sqrt{\frac{\mathrm{r\σ}\cos \mathrm{\θ}}{2\mathrm{\η}}t}---(1-7)$

式中ρ为水的密度。

多孔水泥基复合材料的孔隙率可以用下式表示：

$\mathrm{\φ}=\frac{V_p}{V}=\frac{\mathrm{n\π}{r}^2}{S}---(1-8)$

其中V_p为毛细孔体积，V表示试样体积，S为与水接触的面积。

将式(1-8)代入式(1-7)中可得：

$W=\mathrm{\φS\ρ}\sqrt{\frac{\mathrm{r\σ}\cos \mathrm{\θ}}{2\mathrm{\η}}t}---(1-9)$

则当吸水时间为t时，试样单位横截面面积上的累计吸水质量i(g/mm²)为：

$i=W/S=\mathrm{\φ\ρ}\sqrt{\frac{\mathrm{r\σ}\cos \mathrm{\θ}}{2\mathrm{\η}}t}=B\·t^{1/2}---(1-10a)$

$B=\mathrm{\φ\ρ}\sqrt{\frac{\mathrm{r\σ}\cos \mathrm{\θ}}{2\mathrm{\η}}}---(1-10b)$

式中B为毛细吸水质量系数g/(mm²·h^1/2)。由此可见不仅与毛细孔径大小、接触角、表面张力、粘滞系数以及水的密度有关，而且还跟水泥基复合材料的孔隙率有关。与毛细吸水深度系数A一样，当某一水泥基复合材料发生毛细吸水现象时，其毛细吸水质量系数B也是定值。

Claims (4)

1.一种可视化表征水泥基材料水分空间分布和含量的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、取一成型好并养护一定龄期的水泥基材料，干燥得到试样；

步骤二、用石蜡密封步骤一得到的试样除浸水面外的所有端面和侧面，以避免水分从侧面侵入试样内部；随后将试样放入平底容器中，浸水面用小垫块支撑；

步骤三、将步骤二所述平底容器置于X-CT成像装置台上，往平底容器中注入高出试样浸水面一定距离的水进行毛细吸水实验，同时开启X-CT成像装置，对水分侵入试样进行X-CT成像；

步骤四、根据步骤三获得的X-CT图像进行灰度分析，得到试样毛细吸水深度的变化；根据公式1-4b，利用毛细吸水深度和吸水时间，得到毛细吸水深度系数，再根据公式1-11，利用毛细吸水深度系数和试样孔隙率，得到毛细吸水质量系数，之后根据公式1-10a，利用毛细吸水质量系数和吸水时间，得到毛细吸水质量的变化；其中，

公式1-4b为：y＝A·t^1/2，y为毛细吸水深度，A为毛细吸水深度系数，t为吸水时间；

公式1-11为：B＝ρφA，B为毛细吸水质量系数，ρ为水的密度，为试样孔隙率，A为毛细吸水深度系数；

公式1-10a为：i＝B·t^1/2,i为试样单位横截面面积上的累计吸水质量，B为毛细吸水质量系数，t为吸水时间。

2.根据权利要求1所述的可视化表征水泥基材料水分空间分布和含量的方法，其特征在于，步骤一所述试样制备步骤为：用硅酸盐水泥制备出水泥浆体，样品成型24h后拆模并放入湿度95％，温度20℃的标准养护室中养护1年，然后将试件切为10mm×10mm×40mm的棱柱体，并放入105℃烘箱中烘干至恒重，得到所述试样。

3.根据权利要求1所述的可视化表征水泥基材料水分空间分布和含量的方法，其特征在于，步骤三所述平底容器中注入的水高出试样浸水面2mm。

4.根据权利要求1所述的可视化表征水泥基材料水分空间分布和含量的方法，其特征在于，步骤三在水分侵入试样0min，30min，60min，150min，270min后进行X-CT成像。