CN108254294A - 水泥基材料裂缝吸水过程可视化和吸水率测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水泥基材料裂缝吸水过程可视化和吸水率测量装置及方法。该装置中包括空箱和相机，所述的空箱中放置有荧光灯以及用于存储荧光素溶液的托盘；托盘中放置有若干支撑件，且各支撑件的顶面高度相等以形成一个水平的支撑平面，水泥基材料试块的底面水平放置于该支撑平面上；所述支撑平面的高度低于托盘的最高储水高度；所述相机的拍摄区域覆盖所述支撑平面上方的水泥基材料试块放置区域；所述荧光灯的光照范围覆盖所述水泥基材料试块在相机中的成像区域。该简易装置解决了难以识别微观裂缝及可视化微观裂缝吸水过程的不足，提高了识别装置的经济性，而且无需称重样本就可准确计算出水泥基材料的吸水率，有利于推广使用本发明装置。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种水泥基材料微观裂缝吸水过程的可视化和吸水率测量装置，属于测量仪器技术领域。
背景技术
水泥基材料是世界上最主要的建筑材料。但是由于其抗拉强度较低，在现实环境中往往容易开裂。即便目前出现了高强度水泥基材料(如高强混凝土)，但是水泥基材料中出现微观裂缝还是难以避免，因此出现了“没有水泥基材料是不开裂”的说法。这些微观裂缝的宽度很小，大约在10微米以下。这些微观裂缝不会对水泥基结构的强度造成损伤，但是在结构受到损伤情况下，比如地震等恶劣荷载下，它们却会发展成较大、较长的宏观裂缝(毫米级别)，最终破坏结构的安全性，造成巨大的安全隐患。同时，微观裂缝已经被学者们证实能加快水泥基材料的渗透性(Wu et al.,2015,Cement and Concrete Research,68卷，35-48页)从而让水泥基材料更容易被外界的有害气体或液体侵入而造成材料耐久性和安全性的下降。比如，水分顺着微观裂缝渗入到材料内部，会影响水泥基材料中未水化水泥的水化和水化产物的体积变化，多余的自由水分还会接触到钢筋表面从而造成钢筋锈蚀和锈蚀裂缝。水分的入侵已成为影响水泥基材料耐久性的最大因素。如果水泥基材料中含有微观裂缝能被提早识别出来，将非常有利于设计师和工程师改进水泥配合比、养护条件等情况，从而改进水泥基材料的抗裂缝性能。
虽然水分渗入具有微观裂缝的水泥基材料的过程虽然很重要，但是却很难可视化和量化。这主要是因为微观裂缝的宽度很小，肉眼在正常光照下无法识别它们。论文(Kanematsu et al.,2009,Nuclear Instruments and Methods in Physics ResearchSection A:Accelerators,Spectrometers,Detectors and Associated Equipment,605卷，154-158页)公布了一种利用中子射线照相法用于拍摄水分浸入水泥基材料中微观裂缝的过程。虽然该方法具备高测量精度，但是中子射线照相仪却十分复杂和昂贵，数据分析相对复杂，同时整个观测过程需要严格的安全设施的保障。
本发明巧妙利用荧光素在荧光灯的照射下显示强烈的荧光效果，将荧光素事先融入水中再让水泥基材料接触水溶液，在荧光灯照射下，水溶液渗入水泥基材料的裂缝中就会被显亮出来，用普通的单反照相机即可记录下水分渗入的过程，从而有效识别出微观裂缝的渗水过程。相比于中子射线照相法，本发明测量精度上虽有所下降，但已足够识别微观裂缝、浸润线、浸润面积，而且本发明还可以准确测量水泥基材料的吸水率。
发明内容
本发明的目的是解决可视化水泥基材料微观裂缝吸水过程困难的问题，并提供一种水泥基材料微观裂缝吸水过程的可视化和吸水率测量装置。
本发明所采用的具体技术方案如下：
水泥基材料微观裂缝吸水过程的可视化和吸水率测量装置，该装置中包括空箱和相机，所述的空箱中放置有荧光灯以及用于存储荧光素溶液的托盘；托盘中放置有若干支撑件，且各支撑件的顶面高度相等以形成一个水平的支撑平面，水泥基材料试块的底面水平放置于该支撑平面上；所述支撑平面的高度低于托盘的最高储水高度；所述相机的拍摄区域覆盖所述支撑平面上方的水泥基材料试块放置区域；所述荧光灯的光照范围覆盖所述水泥基材料试块在相机中的成像区域。
本发明中荧光素溶液是指在水中掺入荧光素所形成的溶液。在水中混合入微量荧光素后，利用荧光素在荧光灯的照射下显亮的原理，对水泥基材料微观裂缝吸水过程进行可视化。
本发明中的支撑平面可以是一个有实体的平面，即支撑件上方与水泥基材料试块接触的部分为平面状，但其也可以是由多个位于同一水平面上的支撑点所构成的支撑面，只要能够实现将水泥基材料试块的底面水平支撑于液面上方即可。
本发明中的最高储水高度是指由托盘的底面以及侧壁所围成的储水空间所能够存储的最高液面高度。支撑平面的高度低于托盘的最高储水高度是为了保证荧光素溶液能够接触到水泥基材料试块的底面，使荧光素通过毛细吸水作用进入试块中的裂缝。
本发明中，相机的设置位置应满足：相机的拍摄区域覆盖所述支撑平面上方的水泥基材料试块放置区域，这是为了能够使水泥基材料试块中被荧光素浸染的过程能够实时得到记录，用于后续的微观裂缝、浸润线和浸润面积识别。而荧光灯的设置位置应满足：荧光灯的光照范围覆盖所述水泥基材料试块在相机中的成像区域，是为了使被相机拍摄的图像中，试块上的荧光素能够显亮，以便于后续识别。
作为优选，所述的空箱呈长方体，其一个侧面完全敞开不封闭，其余5个面均是封闭不透光。这类的空箱可以是铁盒、纸盒或木盒。该方式能够将相机放置于箱体外部，以便于操作。当然，空箱也可以采用其他的形状，相机也可以放置于箱体内部。
作为优选，整个测量装置优选放置于黑暗房间中。此时，能够尽可能的减少外部可见光干扰，以便清晰识别图像中的荧光标记。
作为优选，所述的相机的焦点位于所述水泥基材料试块朝向相机一侧的表面正中心，以便清晰成像。
作为优选，所述的托盘中存储有荧光素溶液，且荧光素溶液的液面刚好与所述支撑平面上的水泥基材料试块的底面接触。控制在该液面高度能够防止因液面过高导致直接浸没部分试块，否则会影响裂缝识别和吸水率测量的准确性。
作为优选，所述的支撑件为截面为矩形的塑料棒。塑料棒平行排列，有利于在其上面稳定支撑水泥基材料试块。
作为优选，所述的水泥基材料试块的一个侧面正对所述的相机。此时，水泥基材料试块在相机中仅有1个完整侧面可见，以便计算器浸润面积。
作为优选，所述的水泥基材料是硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥或水泥砂浆，这些材料均可以利用该装置进行试验。
作为优选，所述的荧光灯为能够使荧光粉发出可见光的紫外荧光灯，其功率范围在8～30W，闪烁频率为20～50Hz。
作为优选，所述的托盘的侧壁采用透明材料制成，以防止侧壁阻挡试块在相机中的成像。托盘的形状可以为圆形或方形，且具备1厘米左右的深度。托盘面积应足够大，防止试块吸水后液面降低过多，导致吸水过程中断。当然如果在试验过程中及时补充荧光素溶液亦可。
作为优选，相机为具备高像素的单镜头反光相机，像素在16MP以上，具有可调焦距、曝光度、感光度和调节光圈。单反照相机的拍照参数设置需要根据单反照相机与水泥基材料式样的距离、空箱内的荧光灯的亮度和位置综合而定。在只有荧光的暗室中，单反照相机设置小光圈以增大景深，并用较低的快门速度增大曝光。
本发明的另一目的在于解决现有技术中水泥基材料的吸水率测量困难的问题，并提供一种利用上述装置的水泥基材料的吸水率测量方法，其步骤如下：
S1：将整个装置置于黑暗房间中，开启荧光灯，将含有微观裂缝的水泥基材料试块放置于若干支撑件顶面形成的支撑平面上，且水泥基材料试块的一个侧面正对所述的相机，然后将相机设置成聚焦于水泥基材料试块的表面正中心；
S2：在托盘中倒入荧光素溶液，以水泥基材料试块的下底面恰好接触荧光素溶液时作为初始时刻，从初始时刻开始控制相机连续拍摄水泥基材料试块表面的微观裂缝吸水过程图像；
S3：在相机连续拍摄的图像中识别由荧光素高亮凸显出来的微观裂缝、浸润线和浸润面积，得到第i张图像的浸润面积Ai以及吸水时间ti，ti取第i张图像的拍摄时间距离初始时刻的时间差；
S4：将若干组Ai和ti作为拟合数据，对水泥基材料试块的吸水时间t和浸润面积A按下式进行拟合：
A＝a+kt1/2
其中，a是拟合常数；k是吸水率相关系数；
S5：按照水泥基材料试块的浸润面积与试块吸水质量的换算系数N，计算水泥基材料的吸水率s：
s＝k×N。
本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
1.本发明可有效可视化水泥基材料的微观裂缝以及水渗入微观裂缝的过程；
2.本发明装置的构造简单实用，装置制作简易和经济实惠，有利于推广使用。
3.本发明还可以在无需测量水泥基材料样本的质量下，通过水溶液浸润的面积快速计算出水泥基材料的吸水率。
附图说明
图1为一种水泥基材料微观裂缝吸水过程的可视化和吸水率测量装置的整体结构示意图(正视图)；
图2为一种水泥基材料微观裂缝吸水过程的可视化和吸水率测量装置的整体结构示意图(侧视图)；
图3为水泥基材料开始吸水2个小时后的浸润线分布。a)是未加入荧光素的纯净自来水的浸润线分布情况；b)是加入了1％荧光素的水溶液浸润线分布情况；
图4为水泥基材料开始吸水前(a)和开始吸水9s后的10条微观裂缝吸水情况(b)；
图5为是本发明装置测量出的水溶液浸润面积与时间t1/2的变化曲线，及与常规方法测量出的水泥基材料试样质量与时间t1/2的变化曲线及吸水率。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步阐述和说明。
实施例1：水泥基材料微观裂缝吸水过程的可视化
如图1和2所示，分别展示了本发明的一个最佳实施例中一种水泥基材料微观裂缝吸水过程的可视化和吸水率测量装置的整体结构示意图(正视图)和(侧视图)。在该装置中，装置中包括空箱1和相机5，空箱1采用不透光的纸箱，该空纸箱的正面被切除成敞开透光，其余5个面均封闭不透光。透明的圆形托盘2具有1厘米深度，被放置于空箱1中，用于存储荧光素溶液7。托盘2中正中央放置两根平行塑料棒作为支撑件4，塑料棒截面呈矩形，厚度均为0.9厘米，略低于托盘的深度。为防止塑料棒移动，将它们用双面胶粘于托盘2上。在托盘2的前方、向上位置架设一盏荧光灯3，其功率为15W，闪烁频率为50Hz。在空箱1未封闭一面正前方架设单反照相机5。水泥基材料试块6中具有微观裂缝8，试块放置于两根平行塑料棒上，其下底面与水平面平行，一个侧面正对相机5。相机5的镜头中心高度与水泥基材料试块6的中心高度相同，试块的一个侧面能够刚好在相机5中被拍到。而该侧面能够被荧光灯3完全照射到。
该装置的使用方法是：将整个装置置于黑暗房间中，开启荧光灯3，将含有微观裂缝的水泥基材料试块6放置于两根塑料棒4上，并将单反照相机5设置成聚焦于水泥基材料试块6的表面正中心。该水泥基材料试块6由一块圆柱形试块对半切割而来。另外一半留作实施例2中使用。
等调试单反照相机5图像分辨率后达到较好的拍照效果后(本实施例中，曝光时间设置为3s，光圈值f＝8，感光度800)，再在托盘2中缓慢倒入事先配好的含有1％荧光素的荧光素溶液7，直到水面达到塑料棒4的表面。此时，水泥基材料试块6的下底面恰好接触荧光素溶液7，单反照相机5开始连续拍摄水泥基材料微观裂缝吸水过程的图像。
为了展示本发明装置的效果，本实施例对未加荧光素和加1％荧光素的吸水过程进行拍照对比。一个含有微观裂缝水泥基材料样本被切割成左右对称的两部分(图3a和图3b)，因此在分割面的裂缝情况是一样的。图3展示的是水泥基材料开始吸水2个小时后的浸润线分布。可以看出图3a中，没有掺入荧光素的自来水在水泥基材料中的吸水过程不能被高像素相机很好识别出来，被水浸润的部分颜色和未被浸润的水泥颜色区别度不大。这是因为纯净的自来水在自然光照射下是无色，这样就不能从水泥中(主要呈现灰色)中凸显出来。而图3b中显示的是水泥基材料中对含有1％荧光素的荧光素溶液的吸水效果，清晰地展示了水泥基材料吸水界面，即浸润线。这是因为水溶液中的荧光素在荧光照射下显亮出来。
为了更加清楚说明本发明装置对微观裂缝的可视化效果，我们摘取了吸水过程中的两个典型画面进行分析，如图4所示。图4a展示的是实施样本在接触含有1％荧光素的水溶液前，样本中虽然含有微观裂缝，由于裂缝太小而无法被肉眼识别出来。图4b展示的实施样本底面在接触含有1％荧光素的水溶液后9s后的照片，从中清楚得显示出水渗入到微观裂缝中，共10条微观裂缝(图中编号1～10)，它们在荧光照射下被显亮出来，得到了很好的微观裂缝识别效果。
实施例2：水泥基材料吸水率测定
本实施例与实施例1相比的区别在于：增加了测量水泥基材料吸水率的常规测试过程，两者所采用的装置相同。本实施例中，取与实施例1中相同水泥基材料样本的另外一半进行测量。
为了展示本发明的测量方法的效果，本实施例还展示了采用常规吸水率方法的测量过程。
一、常规测量方法由如下过程组成：
首先将水泥基材料试样放至于托盘2中的塑料棒上，加入自来水直到淹没水泥基材料试样2mm，此时试样开始吸水。每隔一小段时间，拿起试样，快速用湿布擦除表面覆盖的水并快速称重，从而得到水泥基材料试样的吸水质量随着测量时间t1/2的变化曲线。根据半无限同质媒介的吸水理论，水泥基材料每平方米累积吸水质量i(单位为g/m2)和时间t1/2(t的单位为min)有如下关系：
i＝a+st1/2
其中，a是拟合常数，是由于样本的边界效应引起；s是吸水率(单位是g/m2.min0.5)，即图5中的直线段斜率，为957.7g/m2.min0.5。
二、采用本发明的测量方法进行吸水率测量试验，其具体过程为：
1)将整个装置置于黑暗房间中，开启荧光灯3，将相同的矩形水泥基材料试块6水平放置于塑料棒上，且水泥基材料试块6的一个侧面正对相机5，然后将相机5设置成聚焦于水泥基材料试块6的表面正中心；
2)在托盘2中倒入荧光素溶液7，以水泥基材料试块6的下底面恰好接触荧光素溶液7时作为初始时刻，从初始时刻开始控制相机5连续拍摄水泥基材料试块6表面的微观裂缝吸水过程图像；
3)在相机5连续拍摄的图像中识别由荧光素高亮凸显出来的微观裂缝、浸润线和浸润面积，得到第i张图像的浸润面积Ai以及吸水时间ti，ti取第i张图像的拍摄时间距离初始时刻的时间差；
4)将若干组Ai和ti作为拟合数据，对水泥基材料试块6的吸水时间t和浸润面积A进行拟合，A为因变量(单位为mm2)，t为自变量(单位为min)，拟合如下：
A＝a+kt1/2
其中，a是拟合常数；k是吸水率相关系数，单位为mm2/min0.5；
由此，可作出水浸润面积与时间t1/2变化的曲线。由于水泥基材料试样吸水的质量与浸润面积成正比，因此，理论上该浸润面积与时间t1/2在直线段与常规方法测试结果应该是相似。这从图5中两条曲线对比中得到了有效验证。
5)针对每种水泥基材料，试块的浸润面积与试块吸水质量存在一定的换算系数N，单位为g/m2.mm2。该系数可以预先经过试验获得。因此将浸润面积与时间t1/2的关系再换算成浸润试样的质量与时间t1/2的关系即可得到本发明的吸水率测试结果。本实施例中，按照如下公式计算水泥基材料的吸水率s：
s＝k×N。
本实施例中吸水率测试结果约为971.6g/(m2·min0.5)。与常规方法测量的吸水率误差不超过1.5％。从而说明本发明装置不仅可以高亮显示出肉眼无法辨别的微观裂缝，而且无需称重样本就可准确计算出水泥基材料的吸水率。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种水泥基材料裂缝吸水过程可视化和吸水率测量装置，其特征在于，装置中包括空箱(1)和相机(5)，所述的空箱(1)中放置有荧光灯(3)以及用于存储荧光素溶液(7)的托盘(2)；托盘(2)中放置有若干支撑件(4)，且各支撑件(4)的顶面高度相等，以形成一个水平的支撑平面，水泥基材料试块(6)的底面水平放置于该支撑平面上；所述支撑平面的高度低于托盘(2)的最高储水高度；所述相机(5)的拍摄区域覆盖所述支撑平面上方的水泥基材料试块(6)放置区域；所述荧光灯(3)的光照范围覆盖所述水泥基材料试块(6)在相机(5)中的成像区域。
2.如权利要求1所述的水泥基材料裂缝吸水过程可视化和吸水率测量装置，其特征在于，所述的空箱(1)呈长方体，其一个侧面完全敞开不封闭，其余5个面均封闭不透光；整个测量装置优选放置于黑暗房间中。
3.如权利要求1所述的水泥基材料裂缝吸水过程可视化和吸水率测量装置，其特征在于，所述的相机(5)的焦点位于所述水泥基材料试块(6)朝向相机(5)一侧的表面正中心。
4.如权利要求1所述的水泥基材料裂缝吸水过程可视化和吸水率测量装置，其特征在于，所述的托盘(2)中存储有荧光素溶液(7)，且荧光素溶液(7)的液面刚好与所述支撑平面上的水泥基材料试块(6)的底面接触。
5.如权利要求1所述的水泥基材料裂缝吸水过程可视化和吸水率测量装置，其特征在于，所述的支撑件(4)为截面为矩形的塑料棒(4)。
6.如权利要求1所述的水泥基材料裂缝吸水过程可视化和吸水率测量装置，其特征在于，所述的水泥基材料试块(6)的一个侧面正对所述的相机(5)。
7.如权利要求1所述的水泥基材料裂缝吸水过程可视化和吸水率测量装置，其特征在于，所述的水泥基材料是硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥或水泥砂浆。
8.如权利要求1所述的水泥基材料裂缝吸水过程可视化和吸水率测量装置，其特征在于，所述的荧光灯(3)为紫外荧光灯，其功率范围在8～30W，闪烁频率为20～50Hz。
9.如权利要求1所述的水泥基材料裂缝吸水过程可视化和吸水率测量装置，其特征在于，所述的托盘(2)的侧壁采用透明材料制成。
10.一种利用权利要求1所述装置的水泥基材料的吸水率测量方法，其特征在于，步骤如下：
S1：将整个装置置于黑暗房间中，开启荧光灯(3)，将含有微观裂缝的水泥基材料试块(6)放置于若干支撑件(4)顶面形成的支撑平面上，且水泥基材料试块(6)的一个侧面正对所述的相机(5)，然后将相机(5)设置成聚焦于水泥基材料试块(6)的表面正中心；
S2：在托盘(2)中倒入荧光素溶液(7)，以水泥基材料试块(6)的下底面恰好接触荧光素溶液(7)时作为初始时刻，从初始时刻开始控制相机(5)连续拍摄水泥基材料试块(6)表面的微观裂缝吸水过程图像；
S3：在相机(5)连续拍摄的图像中识别由荧光素高亮凸显出来的微观裂缝、浸润线和浸润面积，得到第i张图像的浸润面积Ai以及吸水时间ti，ti取第i张图像的拍摄时间距离初始时刻的时间差；
S4：将若干组Ai和ti作为拟合数据，对水泥基材料试块(6)的吸水时间t和浸润面积A按下式进行拟合：
A＝a+kt1/2
其中，a是拟合常数；k是吸水率相关系数；
S5：按照水泥基材料试块(6)的浸润面积与试块吸水质量的换算系数N，计算水泥基材料的吸水率s：
s＝k×N。
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