CN105136615A - 一种连续追踪水泥基材料水分传输的方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用X-CT联合离子增强技术连续追踪水泥基材料水分传输的方法，是研究水分传输的新型、无损方法，它以X射线计算机断层扫描技术联合离子增强技术获取被检测物体二维及三维图像，并根据图像的灰度差异确定水分传输高度。与传统方法相比，图像的对比度较高，能准确地判别水分的传输高度，且能实现原位、连续观察，是目前研究水泥基材料水分传输的有力工具。
Description
技术领域
本发明涉及水泥基材料耐久性研究领域，具体涉及水泥基材料中水分传输问题，是研究有害离子侵蚀、冻融破坏、碳化等耐久性问题的基础。
背景技术
水泥是一种重要的建筑材料和战略产品，被认为是人类文明史最重要的人造材料之一。目前全球的水泥年产量达到36亿吨，而中国在2011年至2013年消耗的水泥总量为64亿吨，超过了美国整个20世纪的消耗量，这一事实令比尔盖茨极为震惊。整个社会的建设与发展离开水泥是难以想象的。在人们的传统观念中，水泥基材料是一种耐久性优良的建筑材料，人们较少地关注其耐久性问题。然而，近年来大量的工程在未达到其设计寿命时就已呈现出严重的耐久性问题，如硫酸盐侵蚀破坏、氯离子侵蚀造成的钢筋锈蚀、冻融、碳化等。在发达国家，对既有结构进行维修、维护花费的代价占据整个土木工程资源的40％，而仅有60％的资源用于新建筑。对于水泥基材料的破坏，水分起到了一个至关重要的作用，它几乎参与了所有的劣化过程，是大多数物理劣化过程的直接参与者，同时是化学侵蚀破坏的间接参与者，是其它有害离子侵入的媒介。研究水分在水泥基材料中的传输是评价其性能、预测寿命和进行耐久性设计的基础。
目前研究水泥基材料水分传输的方法主要有重量法、表面吸水、渗透等，但存在过程繁琐、耗时长、难以确定水分的传输高度等不足之处。作为一种射线成像技术，X-CT相比于传统方法具有较多的优势，它可以无损地获取被检样品内部结构，且能实现原位、连续观察，但利用X-CT研究水泥基材料水分传输一直未见报道。主要原因是水泥基材料的空隙率较低、孔径较小、孔结构复杂，水分的迁入并不能引起图像灰度的显著变化，导致难以确定水分的传输距离。
发明内容
技术问题：本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种利用X-CT联合离子增加技术实现原位连续可视化追踪水泥基材料水分传输的方法，为研究水泥基材料的劣化、耐久性奠定理论基础。
技术方案：本发明的X-CT联合离子增强技术连续追踪水泥基材料水分传输的方法，是将X射线计算机断层扫描技术与离子增强技术联合使用，具体包括以下步骤：
步骤1：切取待测样品，并在≤105℃干燥箱中干燥至恒重；
步骤2：用环氧树脂或石蜡密封材料将干燥后试样的所有侧面和一个端面密封，只留一个端面与水接触；
步骤3：将密封后的试样固定于带支点的平底容器中，并置于计算机断层扫描系统样品台上，向平底容器内注入水溶液，当液面与试样端面接触后开始计时，并按照预设的时间间隔对试样进行X射线计算机断层扫描；
步骤4：利用专业分析软件VGstudio对获得的扫描信息进行分析，获取试样的二维或三维图像，根据图像的灰度值变化确定水分传输高度。
所述的离子增强技术是指在水中加入Cs+、Br-、I-的大原子序数离子，其质量百分比浓度为0.5％～5％。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下特点：
(1)采用本发明，将X-CT与离子增强技术联合使用，可以显著增强图像的对比度，能准确地确定水分传输高度。
(2)采用本发明可以实现无损、原位、连续、可视化监测水分在水泥基材料中的传输过程。
附图说明
图1：样品放置示意图.1-试样，2-密封层，3-塑料盘，4-液面，5-支撑。
图2：离子增强前后的图像对比度.(a)未增强，(b)增强后.
图3：原位连续监测硬化水泥浆体水分传输过程.
图4：水分传输高度与时间的关系.
图5：纵向裂缝试样的放置示意图.1-试样，2-密封层，3-塑料盘，4-裂缝，5-液面，6-支撑.
图6：水分在纵向裂缝砂浆中的传输过程。
图7：横向裂缝试样的放置示意图.1-试样，2-密封层，3-塑料盘，4-裂缝，5-液面，6-支撑.
图8：水分在横向裂缝砂浆中的传输过程
具体实施方式
下面给出的实施例拟对本发明作进一步说明，但不能理解为是对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员根据本发明的内容作出的进一步非实质性改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例1
试样：水泥净浆，水灰比为0.45，标准条件养护60天，切割出的试样尺寸为20mm×20mm×80mm，在60℃鼓风干燥箱中干燥至恒重，冷却至室温后将所有侧面和一个端面用环氧树脂密封，只留一个端面与水接触。样品的放置如图1所示。
设备与测试条件：所用设备为德国YXLON公司的PrecisionS型X-CT，探测器类型为Y.XRD1620，探测器单元数为1024，样品台旋转角度为360°，X射线管的电压和电流为别为195kV和0.34mA，每隔30分钟扫描一次。将分析纯的CsCl试剂加入到水中，配制质量百分比浓度为5％的水溶液。
结果分析：采用VGstudioMax2.0软件对扫描数据进行分析、图像重建。图2(a)是水泥净浆吸水后的图像，而图2(b)是采用Cs离子增强后的图像，明显看出，采用Cs离子增强后图像的对比度得到极大的提高，根据图像的灰度可以直接确定水分的传输高度。图3是原位连续监测硬化水泥浆体水分传输过程，将水分的传输高度与时间的平方根作图，如图4所示，直线的斜率即为吸水率，这是评价材料水分传输性能的重要参数，也是评价材料耐久性的重要指标。
实施例2
试样：水泥砂浆，水灰比为0.45，砂的体积量为40％，在成型时以插入钢片的形式预制宽度为0.2毫米的纵向裂缝，标准条件养护60天，试样尺寸为20mm×40mm×80mm，在60℃鼓风干燥箱中干燥至恒重，冷却至室温后将所有侧面和一个端面用环氧树脂密封，只留一个端面与水溶液接触。样品的放置如图5所示。
设备与测试条件：所用设备为德国YXLON公司的PrecisionS型X-CT，探测器类型为Y.XRD1620，探测器单元数为1024，样品台旋转角度为360°，X射线管的电压和电流为别为195kV和0.34mA。配制质量百分比浓度为5％的CsCl溶液代替水增强图像的对比度。
结果分析：采用VGstudioMax2.0软件对扫描数据进行分析、图像重建。图6是原位连续监测水分在纵向裂缝砂浆中的传输过程，可以才看出，当水分的传输方向与裂缝平行时，水分将沿着裂缝迅速上升，裂缝的存在加快了水分的传输，这为研究开裂水泥基材料的劣化、寿命预测提供重要的依据。
实施例3
试样：水泥砂浆，水灰比为0.45，砂的体积量为40％，在成型时以插入钢片的形式预制宽度为0.6毫米的横向裂缝，标准条件养护60天，试样尺寸为20mm×40mm×40mm，在60℃鼓风干燥箱中干燥至恒重，冷却至室温后将所有侧面和一个端面用环氧树脂密封，只留一个端面与水溶液接触。样品的放置如图7所示。
设备与测试条件：所用设备为德国YXLON公司的PrecisionS型X-CT，探测器类型为Y.XRD1620，探测器单元数为1024，样品台旋转角度为360°，X射线管的电压和电流为别为195kV和0.34mA。配制质量百分比浓度为5％的CsCl溶液代替水增强图像的对比度。
结果分析：采用VGstudioMax2.0软件对扫描数据进行分析、图像重建。图8是原位连续监测水分在横向裂缝砂浆中的传输过程，可以看出，当水分的传输方向与裂缝垂直时，水分将绕开裂缝沿着砂浆传输，这为研究开裂水泥基材料的劣化、寿命预测提供重要的依据。
Claims (2)
1.一种连续追踪水泥基材料水分传输的方法，其特征在于该方法将X射线计算机断层扫描技术与离子增强技术联合使用，具体包括以下步骤：
步骤1：切取待测样品，并在≤105℃干燥箱中干燥至恒重；
步骤2：用环氧树脂或石蜡密封材料将干燥后试样的所有侧面和一个端面密封，只留一个端面与水接触；
步骤3：将密封后的试样固定于带支点的平底容器中，并置于计算机断层扫描系统样品台上，向平底容器内注入水溶液，当液面与试样端面接触后开始计时，并按照预设的时间间隔对试样进行X射线计算机断层扫描；
步骤4：利用专业分析软件VGstudio对获得的扫描信息进行分析，获取试样的二维或三维图像，根据图像的灰度值变化确定水分传输高度。
2.根据权利要求1所述的连续追踪水泥基材料水分传输的方法，其特征在于所述的离子增强技术是指在水中加入Cs+、Br-、I-的大原子序数离子，其质量百分比浓度为0.5％～5％。
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