CN110967353A - 一种基于射线成像测量sap在水泥浆体中吸放水曲线的方法 - Google Patents

一种基于射线成像测量sap在水泥浆体中吸放水曲线的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于射线成像测量SAP在水泥浆体中吸放水曲线的方法，具体为：称量SAP的干燥质量和不同吸水质量；同时用拍照法获取SAP不同吸水程度下的照片，在所拍摄的照片上做SAP内切圆和外接圆，获取SAP的内径和外径；分别建立SAP质量与外径三次方和内径三次方之间的映射数据；将SAP和水泥组分干混搅拌，然后加水开始计时，浆体搅匀后将其注入到塑料模具得到待测水泥浆体样品；对样品中SAP在不同时间点进行射线成像；对不同时刻的射线图像中SAP分别做内切圆和外接圆，获得不同时间SAP的外径和内径，再根据映射数据得到不同时刻SAP的质量；整合以上数据，得到SAP在水泥浆体中的吸放水曲线。

Description

一种基于射线成像测量SAP在水泥浆体中吸放水曲线的方法
技术领域
本发明涉及一种基于射线成像测量超吸水树脂(SAP)在水泥浆体中吸放水曲线的方法，属于建筑材料技术领域。
背景技术
水泥混凝土是如今用量最大的建筑材料，提高材料性能和耐久性对节能环保以及社会可持续发展具有重要意义。最近几十年，随着高效外加剂和矿物掺合料的大量使用，具有更高强度和更好耐久性的高性能混凝土获得了越来越多的应用。然而，低水灰比、高矿物掺和量的高性能混凝土早期收缩远远大于普通混凝土，特别容易产生对耐久性有负面影响的收缩裂纹，与提高强度和耐久性的初衷背道而驰，成了高性能混凝土推广应用的拦路虎。为了缓解高性能混凝土早期收缩开裂问题，在高性能混凝土中掺入内养护剂和膨胀剂等措施便应运而生。
内养护技术作为缓解高性能混凝土早期收缩的重要技术手段，21世纪以来，成为建筑材料领域的研究热点。SAP因其良好的吸水性和保水性，巨大的工业化产量，相对廉价的价格，已成为理想的内养护材料，受到愈来愈多建筑材料研究者的重视。大量研究都表明：SAP内养护可以维持混凝土内部的高湿度，显著降低混凝土的早期收缩特别是自收缩。但SAP内养护在混凝土中仍然存在着很多未知问题阻碍了其推广应用。比如，时至今日，SAP内养护的几个核心问题：SAP在水泥中的最少掺量，SAP内养护水的有效传输距离以及SAP内养护水的释放时间，都还没有得到明确的解答。这些问题之所以迟迟没有得到解答，是因为现有技术难以获知SAP在真实水泥浆体中的吸放水过程。
测量SAP在液体中的吸放水曲线并不困难，可以用经典的茶叶袋法(Tea-bagmethod)和过滤法(Filtration method)来获取SAP在去离子水和不同盐溶液中的吸放水曲线。但要获取SAP在水泥浆体中的吸放水曲线并不容易。目前，为了研究SAP在水泥浆体中的吸放水行为，绝大多数研究用模拟水泥孔隙溶液，或特殊条件下(比如大水灰比，早龄期)提取的水泥孔隙溶液，作为SAP吸收的溶液介质，用茶叶袋法或过滤法获取该曲线。可问题是水泥浆体中的孔隙溶液不但与初始水泥组成、水灰比、混凝土配合比有关，而且随着水化进行，孔隙溶液中的离子类型和浓度也在发生明显变化，这些都会影响SAP的吸放水行为；而且混凝土内部的湿度、压力也可能影响SAP吸放水行为，因此模拟液和提取液都无法如实反映SAP在水泥混凝土中的真实的吸放水过程，也就无法准确科学地解决SAP内养护的几大核心问题。因此，SAP内养护领域迫切需要一种方法来准确测量SAP在真实水泥浆体中的吸放水行为。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种基于射线成像测量SAP在水泥浆体中吸放水曲线的方法，该方法能够获取SAP在真实水泥浆体(净浆、砂浆、混凝土)的吸放水曲线。
技术方案：一种基于射线成像测量SAP在水泥浆体中吸放水曲线的方法，具体包括如下步骤：
(1)称量单个SAP的干燥质量M0，并通过成像设备获取该SAP的照片，在所拍摄的照片上做SAP的内切圆和外接圆，获得干燥SAP的内径Din0和外径Dout0；
(2)将SAP放入带有标尺的盘子中，加入去离子水，在SAP吸水变大的过程中，用成像设备进行多次拍照，从而获得一系列大小不同的SAP照片，在每张SAP照片中，分别做SAP的内切圆和外接圆，获得不同饱水程度下SAP的内径Dini和外径Douti；
(3)在步骤(2)中，每次拍照后，立即将SAP取出，用滤纸擦干，并称量此刻SAP的质量，从而获得该饱水程度下SAP的质量Mi；测完质量后立即将SAP再次放入盘子中，等待下一次拍照和测质量，从而获得不同饱水程度下SAP的质量；
(4)将步骤(1)～步骤(3)获得的不同饱水程度下的质量数据和内外径数据分别建立SAP吸水总质量与内径三次方和外径三次方之间的映射数据，并对这些数据进行函数拟合；
(5)将SAP和水泥粉干混搅拌，混合物料搅拌均匀后向其中加入掺有水泥外加剂的水，得到混合浆体，以向混合物料中加入掺有水泥外加剂的水开始计时，混合浆体搅拌均匀后将其注入到塑料模具中，得到待测水泥浆体样品；
(6)在不同时间点t，对待测水泥浆体样品中的SAP进行射线成像，获得不同时刻的SAP射线图像；
(7)对不同时刻的SAP射线图像中的SAP分别做内切圆和外接圆，获得不同时刻SAP的内径和外径；
(8)将不同时刻SAP的内径三次方和外径三次方分别映射到步骤(4)获得的映射数据或函数关系上，进而得到SAP内径对应的质量和外径对应的质量；
(9)步骤(8)获得的两个质量就是在t时刻水泥浆体中的SAP最小质量和最大质量，将这些质量除以初始的质量M0就分别得到t时刻的最小和最大吸水率；
(10)整合不同时刻的吸水率数据，得到两条水泥浆体中SAP吸水率随时间的变化关系曲线。
其中，步骤(1)和步骤(2)中，所述成像设备为数码相机或光学显微镜。
其中，步骤(6)中，射线成像是指X射线成像、伽马射线成像或核磁共振成像。
本发明方法中所指的SAP包括不同组成、不同形状、不同尺寸的SAP。
有益效果：与传统的茶叶袋法和过滤法只能获取SAP在溶液中的吸放水曲线相比，本发明方法能够获取SAP在真实水泥浆体(净浆、砂浆、混凝土)的吸放水曲线，从而对理解SAP的内养护机理，推广SAP的内养护应用，促进高性能混凝土应用具有良好的推动作用。
附图说明
图1为SAP的吸水总质量与其内径体积和外径体积之间的映射数据以及函数关系；
图2为SAP在不同时间点的X射线投影图；
图3a为SAP在水化后期的X射线投影图；
图3b为SAP在水化后期的CT切片图；
图4为SAP在X射线投影图中的内切圆和外接圆；
图5为SAP在水泥浆体中的吸放水曲线。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于此。
本发明基于射线成像测量SAP在水泥浆体中吸放水曲线的方法，该方法具体包括如下步骤：
步骤1，用精密天平称量单个SAP的干燥质量M0，并用数码相机或光学显微镜拍摄该SAP的照片，在所拍摄的照片上做SAP的内切圆和外接圆，获得干燥SAP的内径Din0和外径Dout0；
步骤2，将SAP放入带有标尺的盘子中，加入去离子水，在SAP吸水变大的过程中，用数码相机或光学显微镜多次拍照，获得一系列大小不同的SAP照片，在每张SAP照片中，分别做SAP的内切圆和外接圆，获得不同饱水程度下SAP的内径Dini和外径Douti；
步骤3，每次拍照后，立即将SAP取出，用滤纸擦干，并用精密天平记录此刻SAP的质量，从而获得该饱水程度下SAP质量Mi；测完质量后立即将SAP再次放入盘子中，等待下一次拍照和测质量，从而获得不同饱水程度下SAP的质量；
步骤4，基于步骤1～步骤3获得的不同饱水程度下SAP的质量数据和内外径数据分别建立SAP吸水总质量与内径三次方和外径三次方之间的映射数据，并对这些数据进行函数拟合；
步骤5，将SAP和水泥粉干混搅拌，将混合物料混匀后向其中加入掺有水泥外加剂的水，得到混合浆体，以向混合物料中加入掺有水泥外加剂的水开始计时，混合浆体搅拌均匀后将其注入到塑料模具中，得到待测水泥浆体样品；
步骤6，在不同时间点t，对待测水泥浆体样品中的SAP进行射线成像，获得不同时刻的SAP射线图像；
步骤7，对不同时刻的SAP射线图像中的SAP分别做内切圆和外接圆，获得不同时刻SAP的内径和外径；
步骤8，将不同时刻SAP内径的三次方和外径的三次方分别映射到步骤4获得的映射数据或函数关系上，进而得到SAP内径对应的质量和外径对应的质量；
步骤9，步骤8获得的两个质量就是在t时刻水泥浆体中的SAP最小质量和最大质量，将这些质量除以初始的质量M0就分别得到t时刻的最小和最大吸水率；
步骤10，整合不同时刻的吸水率数据，得到水泥浆体中SAP的两条吸水率随时间的变化关系曲线，即SAP在水泥浆体中的吸放水曲线，这两条线代表了SAP在水泥浆体中的吸放水曲线的上下限。
本发明方法先通过称量和拍照的方式得到球状SAP的吸水总质量与其内径体积和外径体积之间的映射数据，并对这些数据进行函数拟合，得到的函数关系式以及拟合结果，如图1所示；
再将水泥粉，水和超吸水树脂(SAP)拌和形成水灰比为0.3的水泥浆体，其中水泥粉为江南小野田P·II 52.5级，水泥浆体搅拌均匀后将其注入PVC管中，为了防止下一步射线成像过程中失水，将水泥浆体用塑料薄膜包好，然后进行X射线投影成像，X射线成像所用的设备为蔡司Xradia 510X射线显微镜，成像参数为：电压80kv，功率7w，每张投影曝光时间1s，分辨率9.2μm，X射线视场中包含整个SAP，投影位置保持原位，选取不同的投影时间点获得的X射线投影图，如图2所示；
值得注意的是，在水化早期，水泥浆体对SAP膨胀收缩没有限制，但在水化后期，水泥已经凝结固化，此时即使SAP收缩变小，SAP早先所撑起的空间也不会塌陷，从而在变小的SAP和硬化水泥浆体之间形成了空隙，如图3a所示，此时注意要测量收缩后的SAP尺寸，为了更明确地说明该问题，此时对应样品的X射线断层成像(CT)切片数据呈现于图3b，从图3b中可以清晰看到收缩后的SAP，SAP收缩留下的空隙和水泥浆体三相共存；
对图2中不同投影时间点的SAP分别做内切圆和外切圆，结果如图4所示，进而得到SAP球体在内径和外径下的体积，即最小体积和最大体积，再通过图1中的函数关系，得到不同时间点的最小吸水总质量和最大吸水总质量，除以初始质量进而得到最小吸水倍率和最大吸水倍率；整合不同时间点的数据，得到SAP的最小吸水倍率和最大吸水倍率随时间的变化关系，即SAP在水泥浆体中的吸放水曲线，如图5所示。

Claims (3)

1.一种基于射线成像测量SAP在水泥浆体中吸放水曲线的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)称量单个SAP的干燥质量M0，并通过成像设备获取该SAP的照片，在所拍摄的照片上做SAP的内切圆和外接圆，获得干燥SAP的内径Din0和外径Dout0；
(2)将SAP放入带有标尺的盘子中，加入去离子水，在SAP吸水变大的过程中，用成像设备进行多次拍照，从而获得一系列大小不同的SAP照片，在每张SAP照片中，分别做SAP的内切圆和外接圆，获得不同饱水程度下SAP的内径Dini和外径Douti；
(3)在步骤(2)中，每次拍照后，立即将SAP取出，用滤纸擦干，并称量此刻SAP的质量，从而获得该饱水程度下SAP的质量Mi；测完质量后立即将SAP再次放入盘子中，等待下一次拍照和测质量，从而获得不同饱水程度下SAP的质量；
(4)将步骤(1)～步骤(3)获得的不同饱水程度下的质量数据和内外径数据分别建立SAP吸水总质量与内径三次方和外径三次方之间的映射数据，并对这些数据进行函数拟合；
(5)将SAP和水泥粉干混搅拌，混合物料搅拌均匀后向其中加入掺有水泥外加剂的水，得到混合浆体，以向混合物料中加入掺有水泥外加剂的水开始计时，混合浆体搅拌均匀后将其注入到塑料模具中，得到待测水泥浆体样品；
(6)在不同时间点t，对待测水泥浆体样品中的SAP进行射线成像，获得不同时刻的SAP射线图像；
(7)对不同时刻的SAP射线图像中的SAP分别做内切圆和外接圆，获得不同时刻SAP的内径和外径；
(8)将不同时刻SAP的内径三次方和外径三次方分别映射到步骤(4)获得的映射数据或函数关系上，进而得到SAP内径对应的质量和外径对应的质量；
(9)步骤(8)获得的两个质量就是在t时刻水泥浆体中的SAP最小质量和最大质量，将这些质量除以初始的质量M0就分别得到t时刻的最小和最大吸水率；
(10)整合不同时刻的吸水率数据，得到两条水泥浆体中SAP吸水率随时间的变化关系曲线。
2.根据权利要求1所述的基于射线成像测量SAP在水泥浆体中吸放水曲线的方法，其特征在于：步骤(1)和步骤(2)中，所述成像设备为数码相机或光学显微镜。
3.根据权利要求1所述的基于射线成像测量SAP在水泥浆体中吸放水曲线的方法，其特征在于：步骤(6)中，射线成像是指X射线成像、伽马射线成像或核磁共振成像。
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