CN110411829B - 一种裂缝中单颗粒SAPs膨胀率的测量方法 - Google Patents

一种裂缝中单颗粒SAPs膨胀率的测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于采用SAPs提高混凝土水密性和自愈合性能的技术领域，涉及一种裂缝中单颗粒SAPs膨胀率的测量方法。首先向第一容器中注入水泥净浆，将单颗粒SAPs置于水泥净浆表面中央，在第一容器上粘贴第二容器，并浇筑水泥净浆，得到试样；通过荷载施加的方式使试样在单颗粒SAPs位置处断裂，将断裂后的试样置于第三容器中，在裂缝处插入垫隔件；用粘合剂将试样和第三溶剂粘结，在溶液中浸泡后进行μCT测试，通过三维重构获得裂缝中膨胀后单颗粒SAPs的体积。该方法简单有效，可用于研究混凝土中单颗粒SAPs的裂缝填充行为，也可用于研究混凝土组成、环境溶液性质和裂缝宽度对真实裂缝中单颗粒SAPs膨胀行为的影响。

Description

一种裂缝中单颗粒SAPs膨胀率的测量方法
技术领域
本发明属于水泥混凝土领域，特别是采用SAPs提高混凝土水密性和自愈合性能的技术领域，涉及一种裂缝中单颗粒SAPs膨胀率的测量方法。
背景技术
SAPs是一种能够快速吸水膨胀的有机材料，能够吸收相对自身质量数百倍的水。将SAPs与混凝土拌合时，SAPs能够在混凝土中吸水膨胀。当混凝土内部湿度降低时，SAPs收缩并在混凝土中留下初始孔洞，这些初始孔洞相当于宏观缺陷。当外部荷载较高时，裂缝沿初始孔洞扩展。当外部溶液进入混凝土时，裂缝表面SAPs遇水快速膨胀，并堵塞裂缝。在干湿交替环境中，SAPs在湿阶段吸收环境中的水分，在干阶段将水释放，从而促进SAPs周围未水化胶凝材料的水化和氢氧化钙的碳化，从而促进混凝土基体的愈合。SAPs的膨胀和混凝土基体的愈合均有助于降低开裂混凝土的水渗透性。裂缝中SAPs的膨胀率是影响含SAPs开裂混凝土水密性的关键因素；SAPs较大的膨胀率有助于促进混凝土裂缝的愈合。
专利1(公开号：CN109444391A)中公布了一种硬化水泥净浆中SAPs再膨胀率的测量方法，首先将硬质塑料管置于玻璃板上，将单颗粒SAPs置于容器管中央，然后浇筑已拌合好的水泥净浆；用胶带将硬化水泥净浆表面覆盖，仅暴露SAPs位置；随后将试样浸泡在测试溶液中。通过测定浸泡前后含SAPs试样的质量差，计算再膨胀后SAPs增加的体积，从而获得SAPs的再膨胀率。
专利2(公开号：CN109444390A)中公布了一种硬化水泥净浆中SAPs在人造裂缝中再膨胀率的测量方法。首先将容器管置于玻璃板上，将单颗粒SAPs置于容器管内部，然后浇筑水泥净浆；用胶带将硬化水泥净浆表面覆盖，仅暴露单颗粒SAPs位置；在试样表面放置透明玻璃片，用数根钢针将玻璃片和试样隔开；在试样四周注入少量胶水以粘结玻璃片和试样；随后取出钢针，得到人造裂缝。通过测定浸水后SAPs填充裂缝的面积，获得单颗粒SAPs的再膨胀率。
上述技术的不足在于：上述2个专利仅能计算SAPs的再膨胀率，而无法计算SAPs的膨胀率。专利1中SAPs部分与水泥接触，SAPs的膨胀未受到裂缝的约束；专利2中SAPs处于人造裂缝中。此人造裂缝具有平滑的表面，而真实裂缝的表面比较粗糙，且裂缝具有一定的弯曲率。此外，专利2中人造裂缝处于SAPs颗粒的一端，真实情况中裂缝可能在SAPs初始孔洞的任意位置扩展。不同的约束和裂缝状态必然影响裂缝中SAPs的膨胀行为，导致所计算的膨胀率失真。
发明内容
为弥补现有测试技术的不足，本发明提出评价裂缝中SAPs膨胀能力的参数——膨胀率η；并设计了测量η值的方法。
本发明的技术方案如下：一种裂缝中单颗粒SAPs膨胀率的测量方法，所述测量方法为：
S1)制备得到含有单颗粒SAPs的试样；
S2)通过荷载施加的方式使试样在单颗粒SAPs位置处断裂，在裂缝处插入垫隔件；在溶液中浸泡后,进行扫描测试，通过三维重构获得裂缝中膨胀后单颗粒SAPs的体积。
根据本公开实施例，所述S1的具体步骤为：
S1.1)将拌制好的水泥净浆置于第一容器中；
S1.2)用分析天平称取一定质量的单颗粒SAPs，并置于所述第一容器的水泥净浆表面中央；
S1.3)将第二容器置于所述第一容器的上部，并用胶带固定，在单颗粒SAPs表面继续浇筑水泥净浆,得到含有单颗粒SAPs的试样。
根据本公开实施例，所述S2的具体步骤为：
S2.1)试样在标准条件下养护7天后，通过施加荷载使试样在单颗粒SAPs位置断裂；
S2.2)将断裂后的试样置于侧面有缺口的第三容器中，然后将垫隔件置于缺口处的裂缝中；向第三容器与试样之间界面注入粘合剂以固定试样；
S2.3)将组装后的试样浸泡在氯化物溶液中，浸泡一段时间，清除试样表面浮水后进行μCT测试，经三维重构得到裂缝中SAPs的体积V，通过公式(1)求出裂缝中单颗粒SAPs的膨胀率η，公式如下：
Figure BDA0002140467320000031
式中：m0为单颗粒SAPs的初始质量，单位：g；ρSAPs为单颗粒SAPs的密度，取值为：1.1g/cm3；V为经三维重构得到的裂缝中单颗粒SAPs的体积。
根据本公开实施例，所述S1.1)中水泥净浆的水胶比为0.5-0.23；第一容器为塑料管，所述塑料管的直径为10-14mm，高度20-40mm。
根据本公开实施例，所述S1.2)中单颗粒SAPs为丙烯酸-丙烯酰胺交联型单颗粒SAPs，单颗粒SAPs的质量为4-6mg。
根据本公开实施例，所述S1.3)中第二容器为塑料管，塑料管直径为10-14mm，高度20-40mm。
根据本公开实施例，所述S2.1)中荷载施加方式为三点弯曲荷载。
根据本公开实施例，所述S2.2)中第三容器为塑料管，塑料管直径为14-80mm。
根据本公开实施例，所述S2.2)中的垫隔件为钢针，数量为至少2根，钢针的直径为0.25-0.5mm。
根据本公开实施例，所述S62.3)中，浸泡时间为5-120分钟，所述氯化物溶液为氯化钠溶液，所述氯化钠溶液浓度为0.05-2M。
SAPs堵塞裂缝和促进混凝土基体愈合的关键在于SAPs能够在裂缝中膨胀，填充初始孔洞和裂缝，本发明提出计算SAPs膨胀率的公式和相应的测量方法。本方法制样简单，借助μCT测试可准确获得裂缝中SAPs膨胀后的形貌及体积，通过SAPs膨胀后的体积和干体积的比值计算η值，从而获得真实裂缝中SAPs膨胀过程的动力学信息，可用于研究混凝土配合比、溶液性质、裂缝宽度和SAPs类型等因素对SAPs的η值的影响，为深入研究SAPs裂缝愈合机理提供可行的技术。
本发明的有益效果：由于采用上述技术方案，具有以下特点：
(1)通过将单颗粒SAPs置于水泥净浆表面中央，研究了已知质量单颗粒SAPs的膨胀行为，通过调整水泥净浆配合比，可研究混凝土配合比对SAPs膨胀行为的影响。
(2)通过三点弯测试制作贯穿SAPs初始孔洞的真实裂缝。
(3)对断裂试样进行组装，通过改变钢针直径可获得已知宽度的真实裂缝，从而能够研究裂缝宽度对SAPs膨胀行为的影响。
(4)借助无损的μCT测试技术，可对同一试样进行多次测试，从而能够研究单个试样中SAPs颗粒在不同性质溶液中的膨胀行为。
附图说明
图1为计算真实裂缝中单颗粒SAPs膨胀率的方法所需试样制作过程的示意图。
图2为经去离子水浸泡后裂缝中SAPs的3D形貌(1)、横截面(2)和剖面(3)图。
图3为1M NaCl溶液浸泡后裂缝中SAPs的3D形貌(1)、横截面(2)和剖面(3)图。
图中：
1.第一容器、2.第二容容器、3第三容器、4.三点弯荷载设备、5.垫隔件、6.单颗粒SAPs、7、胶带、8.水泥净浆、9.缺口、10.裂缝。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
如图1所示，材料和设备包括丙烯酸-丙烯酰胺交联型SAPs、塑料管(1.第一容器、2.第二容容器和3第三容器)、水泥净浆8、胶带7、垫隔件5(钢针)、粘合剂502胶水、滤纸、吹风机、三点弯荷载设备和高分辨率X射线计算机断层扫描(μCT)试验机。首先向第一容器1中注入水泥净浆8，将单颗粒SAPs6置于水泥净浆表面中央，在第一容器1上安装第二容器2，继续浇筑水泥净浆。通过三点弯试验使硬化水泥净浆在SAPs位置断裂，将断裂后的试样置于第三容器3中，在裂缝10处插入垫隔件5(钢针)。用502胶水将试样和第三容器3粘结。将试样在溶液中浸泡后进行μCT测试，通过三维重构获得裂缝中膨胀后SAPs的体积。
一种裂缝中单颗粒SAPs膨胀率的测量方法，所述测量方法为：
S1)制备得到含有单颗粒SAPs的试样；
S2)通过荷载施加的方式使试样在单颗粒SAPs位置处断裂，在裂缝处插入垫隔件；在溶液中浸泡后,进行扫描测试，通过三维重构获得裂缝中膨胀后单颗粒SAPs的体积。
根据本公开实施例，所述S1的具体步骤为：
S1.1)将拌制好的水泥净浆置于第一容器中；
S1.2)用分析天平称取一定质量的单颗粒SAPs，并置于所述第一容器的水泥净浆表面中央；
S1.3)将第二容器置于所述第一容器的上部，并用胶带固定，在单颗粒SAPs表面继续浇筑水泥净浆,得到含有单颗粒SAPs的试样。
根据本公开实施例，所述S2的具体步骤为：
S2.1)试样在标准条件下养护7天后，通过施加荷载使试样在单颗粒SAPs位置断裂；
S2.2)将断裂后的试样置于侧面有缺口的第三容器中，然后将垫隔件置于缺口处的裂缝中；向第三容器与试样之间界面注入粘合剂以固定试样；
S2.3)将组装后的试样浸泡在氯化物溶液中，浸泡一段时间，清除试样表面浮水后进行μCT测试，经三维重构得到裂缝中SAPs的体积V，通过公式(1)求出裂缝中单颗粒SAPs的膨胀率η，公式如下：
Figure BDA0002140467320000071
式中：m0为单颗粒SAPs的初始质量，单位：g；ρSAPs为单颗粒SAPs的密度，取值为：1.1g/cm3；V为经三维重构得到的裂缝中单颗粒SAPs的体积。
根据本公开实施例，所述S1.1)中水泥净浆的水胶比为0.5-0.23；第一容器为塑料管，所述塑料管的直径为10-14mm，高度20-40mm。
根据本公开实施例，所述S1.2)中单颗粒SAPs为丙烯酸-丙烯酰胺交联型单颗粒SAPs，单颗粒SAPs的质量为4-6mg。
根据本公开实施例，所述S1.3)中第二容器为塑料管，塑料管直径为10-14mm，高度20-40mm。
根据本公开实施例，所述S2.1)中荷载施加方式为三点弯曲荷载。
根据本公开实施例，所述S2.2)中第三容器为塑料管，塑料管直径为14-80mm。
根据本公开实施例，所述S2.2)中的垫隔件为钢针，数量为至少2根，钢针的直径为0.25-0.5mm。
根据本公开实施例，所述S62.3)中，浸泡时间为5-120分钟，所述氯化物溶液为氯化钠溶液，所述氯化钠溶液浓度为0.05-2M。
实施例1.测定装置
将P·O 42.5水泥和一定质量的水置于搅拌锅中，按照GB/T8077-2012标准制备水泥净浆，将拌制好的水泥净浆置于塑料管中(Φ14mm×40mm)(图1a)。用分析天平称取单颗粒SAPs(5mg±0.5mg)，置于水泥净浆表面中央(图1b)。将另一只塑料管置于既有塑料管上部，并用胶带固定(图1c)。在SAPs表面继续浇筑水泥净浆(图1d)。试样在标准条件(温度20±2℃，湿度>95％)下养护7天后，通过三点弯测试使试样在SAPs位置断裂(图1f)。将断裂后的试样置于侧面有缺口的塑料管(Φ14mm×80mm)中，然后将2根钢针(直径0.25mm或0.5mm)置于缺口处的裂缝中；向塑料管和试样界面注入少量胶水以固定试样(图1g)。将组装后的试样在一定浓度氯化钠溶液中浸泡一段时间，用滤纸除去试样表面浮水并用吹风机吹干。然后进行μCT测试。测试参数如下：电压84.86kV；电流13.66mA；像素尺寸21.11μm。经三维重构获得裂缝中膨胀后SAPs的形态和体积。
实施例2.真实裂缝中SAPs膨胀率的测定
制备水胶比为0.5、裂缝宽度为0.5mm的试样，SAPs的干质量为5mg±0.5mg，浸泡溶液为0M(去离子水)和1M NaCl溶液。浸泡后SAPs的3D形貌、横截面和剖面如图2-图3所示。浸泡时间为1小时，比例尺为1mm，经0M和1M NaCl溶液浸泡后SAPs的体积分别为0.63cm3和0.23cm3。根据公式(1)计算得到所制备试样中SAPs在0M和1M NaCl溶液中的膨胀率(η)分别为51.0和25.5。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种裂缝中单颗粒SAPs膨胀率的测量方法，其特征在于，所述测量方法为：
S1) 制备得到含有单颗粒SAPs的试样；
具体步骤为：
S1.1）将拌制好的水泥净浆置于第一容器中；
S1.2）用分析天平称取一定质量的单颗粒SAPs，并置于所述第一容器的水泥净浆表面中央；
S1.3）将第二容器置于所述第一容器的上部，并用胶带固定，在单颗粒SAPs表面继续浇筑水泥净浆,得到含有单颗粒SAPs的试样；
S2) 通过荷载施加的方式使试样在单颗粒SAPs位置处断裂，在裂缝处插入垫隔件；在溶液中浸泡后,进行扫描测试，通过三维重构获得裂缝中膨胀后单颗粒SAPs的体积；
所述S2的具体步骤为：
S2.1）试样在标准条件下养护7天后，通过施加荷载使试样在单颗粒SAPs位置断裂；
S2.2）将断裂后的试样置于侧面有缺口的第三容器中，然后将垫隔件置于缺口处的裂缝中；向第三容器与试样之间界面注入粘合剂以固定试样；
S2.3）将组装后的试样浸泡在氯化物溶液中，浸泡一段时间，清除试样表面浮水后进行μCT测试，经三维重构得到裂缝中SAPs的体积V，通过公式（1）求出裂缝中单颗粒SAPs的膨胀率η，公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
式中： m 0为单颗粒SAPs的初始质量，单位：g；ρ SAPs为单颗粒SAPs的密度，取值为：1.1 g/cm3；V为经三维重构得到的裂缝中单颗粒SAPs的体积。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述S1.1）中水泥净浆的水胶比为0.5- 0.23；第一容器为塑料管，所述塑料管的直径为10 - 14 mm，高度20 - 40 mm。
3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述S1.2）中单颗粒SAPs为丙烯酸-丙烯酰胺交联型单颗粒SAPs，单颗粒SAPs的质量为4 - 6 mg。
4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述S1.3）中第二容器为塑料管，塑料管直径为10 - 14 mm，高度20 - 40 mm。
5.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述S2.1）中荷载施加方式为三点弯曲荷载。
6.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述S2.2）中第三容器为塑料管，塑料管直径为14 - 80 mm。
7.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述S2.2）中的垫隔件为钢针，数量为至少2根，钢针的直径为0.25 - 0.5 mm。
8.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述S2.3）中，浸泡时间为5 - 120分钟，所述氯化物溶液为氯化钠溶液，所述氯化钠溶液浓度为0.05 - 2 M。
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