CN113341113B - 一种匹配水泥基材料内湿度梯度下对应的干燥收缩的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种匹配水泥基材料内湿度梯度下对应的干燥收缩的方法，所述方法为：将获取的水泥基样品内各个位置处的湿度梯度数据与获取的平行样品内各个位置处的干燥收缩梯度数据进行匹配，从而得到水泥基样品内各个位置处在对应湿度下的干燥收缩情况。本发明方法能够在短期内获得同一样品内部连续湿度场与应变场的对应关系，大大降低实验时间和资源消耗。相比于传统方法，得到的应变是在干燥过程中实时真实的湿度梯度下，避免了长时间干燥的时间效应的干扰，而且统计点数达数万，减小了人工计算的误差，本发明方法是准确、快速获取水泥混凝土内部湿度‑干缩变形关系的有效方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种匹配水泥基材料内湿度梯度下对应的干燥收缩的方法。
背景技术
随着混凝土使用规模的日益增大，其耐久性问题也愈发突出。水泥混凝土的收缩开裂问题是影响混凝土耐久性的关键因素。干燥收缩因其总量占比高、存在时间长、不可控因素多等特性成为重要且最复杂的研究对象。干燥收缩能占到收缩变形的80％以上，而且是一种长期行为，因此干缩对该类材料影响较大。水泥混凝土内外产生湿度梯度时，水分会向外流失，外表面失水较快，变形比内部大，外表面受到内部的约束导致水泥表面产生裂缝。裂缝不但会直接降低结构的承载力，而且会引发其他一系列危害，使侵蚀物质更易进入材料内部，加速破坏，导致钢筋锈蚀等各种耐久性问题。
虽然样品内部湿度数据容易获得，但测量样品内部干缩数据并不容易。传统干缩测量方法主要为线性测量。一般依据JC/T603-1995标准，通过在一维方向上利用水泥比长仪测量其长度变化来测量试件的干缩变形。虽然这种方法测量简单，但只能获得整个样品的平均收缩数据，无法获得样品内部三维全场的变形信息。线性法采用一维方向的平均收缩值来代表整个样品不同位置的干缩变形，不仅测量误差很大，并且其结果忽略了样品因环境的湿度差而导致的干缩不均匀性，而其他采用光学仪器的方法测量都没有逃脱线性测量的框架。
为了避免样品内部干缩梯度的影响，有研究者采用在固定某一湿度环境下达到湿度平衡后对样品进行测试的策略。虽然这样的平衡法可以消除湿度梯度和变形梯度的影响，然而平衡法不仅耗时长，而且只能定量地反映单一方向上的收缩，不能定量地给出正在发生干燥收缩过程中的水泥浆体的内部各处的干缩变形，忽视了时间对干缩的影响，这对于了解湿度与变形的关系极为不利。
发明内容
发明目的：本发明针对现有技术要么采用一维方向的平均收缩值来代表整个样品不同位置的干缩变形，要么在平衡湿度下测量干缩，存在测量误差大、无法获得样品内部湿度梯度对应的干缩的问题，提出一种匹配水泥基材料内湿度梯度下对应的干燥收缩的方法。
本发明所述的匹配水泥基材料内湿度梯度下对应的干燥收缩的方法，所述方法为：将获取的水泥基样品内各个位置处的湿度梯度数据与获取的平行样品内各个位置处的干燥收缩梯度数据进行匹配，从而得到水泥基样品内各个位置处在对应湿度下的干燥收缩情况。
其中，水泥基样品内各个位置处的湿度梯度数据采用如下方法获得：在水泥基样品内选取至少一个点放置湿度传感器，多个湿度传感器与干燥面的垂直距离不等，将采用湿度传感器获得的对应位置处湿度随时间的变化数据作为输入量，使用模型计算，得到水泥基样品内部湿度场。
其中，平行样品内各个位置处的干燥收缩梯度数据采用如下方法获得：以贴近干燥表面的位置作为初始扫描位置，沿纵向对平行样品进行三维X-CT成像，得到对应时间t下平行样品内与干燥面平行的各个面的三维图像数据，对各个面获得的三维图像数据进行DVC计算，获得随时间变化各个面的干缩体积变形数据。
其中，所述匹配是指将同一时间、同一空间位置的三维湿度数据和三维干缩应变数据进行匹配，获得湿度和变形之间的对应关系。从而得到各个位置在不同时间下对应湿度下干燥收缩的情况。
上述匹配水泥基材料内湿度梯度下对应的干燥收缩的方法，具体包括如下步骤：
(1)准备能够测量不同深度湿度的水泥基样品和用于DVC计算的平行样品，其中，水泥基样品内对应深度处预留放置湿度传感器的孔；
(2)将水泥基样品养护到指定龄期后，根据干燥需要，将不需要干燥的面进行密封；
(3)将密封后的水泥基样品放在温度、湿度恒定的干燥环境里，在样品对应深度处插入湿度传感器，开始记录湿度随时间的变化数据，以获得的湿度随时间变化数据为输入，通过模型计算，得到相关参数，利用相关参数获得不同时间下湿度在水泥基样品内的三维空间分布；
(4)将在相同的干燥条件下干燥时间为t0，t1，t2……ti……tN的平行样品进行三维成像；
(5)对步骤(4)获得的三维图像数据进行DVC计算，从而获得三个方向的应变值，记为ex1，ex2……exi…exN；ey1，ey2……eyi……eyN；ez1，ez2……ezi……ezN；
(6)对步骤(3)获得的三维湿度数据和步骤(5)获得的三维全场应变数据，将同一时间、同一空间位置的三维湿度数据和三维干缩应变进行匹配，获得湿度和变形之间的对应关系。
其中，水泥基材料为水泥净浆、水泥砂浆或水泥混凝土中的一种。
其中，步骤(1)中，湿度传感器通过信号线与外部监控设备连接。
其中，步骤(2)中，密封是指用密封材料将水泥基样品表面进行涂抹或包裹，密封材料为各种水蒸气无法透过的材料。
其中，步骤(3)中，模型计算是指经验模型计算或有限元计算：通过经验模型拟合，得到相关参数，然后利用相关参数计算获得不同时间下湿度在水泥基样品内的三维空间分布；有限元模型为用湿度扩散方程和边界条件结合实验数据，获得不同时间下湿度在水泥基样品内的三维空间分布。
有益效果：本发明方法能够在短期内获得同一样品内部连续湿度场与应变场的对应关系，大大降低实验时间和资源消耗。相比于传统方法，得到的应变是在干燥过程中实时真实的湿度梯度下，避免了长时间干燥的时间效应的干扰，而且统计点数达数万，减小了人工计算的误差，本发明方法是准确、快速获取水泥混凝土内部湿度-干缩变形关系的有效方法；另外，借助于本方法获得的全场变形-湿度数据，首次观测到了干缩的历史效应问题，即样品不同位置通过不同干缩历史到达同样湿度后具有明显不同的干缩变形，这对干缩机理研究和干缩应用研究具有一定指导意义。
附图说明
图1为实施例中步骤1的样品示意图；
图2为实施例中步骤3记录得到的湿度随时间的变化数据；
图3为实施例中步骤3通过湿度预测模型得到水泥混凝土内部一维湿度场；
图4为实施例中步骤4通过XCT获得的一张典型的二维CT切片；
图5为实施例中步骤5通过DVC计算获得的一个截面上的二维体积应变分布数据；
图6为实施例中步骤5水泥干缩的一维应变场；
图7为实施例中步骤6的湿度-变形数据。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
本发明匹配水泥基材料内湿度梯度下对应的干燥收缩的方法，具体包括如下步骤：
步骤1，将水泥粉与水拌和形成水泥浆体，水泥粉为江南小野田P·II 52.5级，水灰比为0.5，在两根PTFE软管底部上40mm处做一个标记(记为P1，P2)，分别在P1，P2标记下方5mm和10mm处开好2mm切口并塞入钢棒防止水泥渗出，然后插入25mm直径模具并接触底部(图1)；另做平行样品用于获取三维图像；
步骤2，待终凝后，将水泥基样品和平行样品放置于饱和氢氧化钙溶液中养护28天，然后将步骤1中的水泥基样品拆模，拔出给湿度传感器留空的钢棒，将两个AM2305A湿度传感器分别插入水泥基样品预留的孔中，其中一个湿度传感器测的是距离顶面干燥面垂直距离5mm处的湿度，另一个湿度传感器测的是距离顶面干燥面垂直距离10mm处的湿度(两个位置均位于水泥基样品内)，将水泥基样品和平行样品的侧面及底面均涂抹凡士林并包紧保鲜膜，只留下顶面一个干燥面；
步骤3，将水泥基样品和平行样品置于装有质量分数35.64％氯化钙溶液的干燥器中，该溶液可在室温下保持恒定的50％的相对湿度，将水泥基样品插入AM2305A湿度传感器，水泥基样品与AM2305A湿度传感器接口处涂抹凡士林密封；湿度传感器数据线通过瓶塞挖槽传出，通过DCM2610A转换器和RS-RJ-K监控平台记录湿度数据，每5min记录一次；以获得的湿度随时间变化数据(图2)为输入数据，使用Parrott湿度预测模型(Parrott LJ.Moisture profiles in drying concrete[J].Advances in Cement Research,1988,1(3):164-170.)拟合，得到水泥基样品内部湿度场(图3)，即一定时间下水泥内部不同位置处(不同位置是指距干燥面不同距离的位置)的湿度；
步骤4，将平行样品选取合适的扫描位置，分别在时间t进行三维X-CT成像，从而获取三维图像数据，所用的成像设备为蔡司Xradia 510X射线显微镜，扫描初始部位为贴近顶部干燥表面的位置，扫描时间t为干燥0天、3天，7天，14天和28天；XCT扫描参数为：扫描峰值电压80千伏，功率7瓦，每张投影曝光时间1.7秒，分辨率10微米，其中得到的一张典型的二维CT切片如图4所示；
步骤5，对步骤4获得的三维图像数据进行DVC计算，获得干缩的体积变形：选取的计算区域为500×500×600体素，以0天和3天一组、0天和7天一组、0天和14天一组、0天和28天一组进行DVC计算获得各组水泥基样品的三个主应变，并通过ev＝ex+ey+ez求出体积变形，这样就能得到干缩体积应变的时间空间分布，考虑到本实施例采用的是一维干燥收缩，在平行于干缩表面的平行截面上湿度分布和变形分布可以忽略(图5二维截面上的变形分布也可以佐证)，我们将同一干缩截面的二维方阵取平均值压缩为一个数据，最终获得不同干燥时间的一维干缩分布(图6)；
步骤6，结合步骤3获得的内部湿度场和步骤5获得的干缩体积应变场，在同一个坐标下绘制成湿度-变形对应曲线(图7)。因此本发明能够实时观察水泥混凝土内部干缩变形及其对应的湿度，即在同一样品中连续实时观察干缩与湿度的对应关系。
从图2的实验数据可以看出，硬化水泥在干燥条件下内部湿度的降低先快后慢，由于初期湿度差大，开始降低十分迅速。另外，不同深度处，距干燥面5mm位置湿度降低速度远大于10mm处，证明硬化水泥内部湿度梯度的存在。
从图3拟合得到的湿度场来看，在接近干燥面位置的湿度受深度的影响远大于稍远离表面的位置，在单面干燥的条件下，干燥面积对水分流失几乎没有影响，因此，拟合得到的湿度可以与后续计算得到应变场相结合。
图6的应变场表明水泥在干燥时内部变形不一致，各处的应变与空间位置和时间均有关系，而与湿度场存在相关性。
如图7所示，利用本发明方法首次表征了单个样品单面干燥时内部湿度梯度与干燥收缩之间的对应关系，这种关系是实时连续的。通过图7，可明显观察到传统方法所忽略的历史效应(不同干缩历史对应不同的变形，哪怕湿度相同，变形并不同)。本发明方法不但能获得湿度和干缩变形的时空分布，而且时空都是可控的，只需要减小DVC计算间隔点和CT扫描的时间间隔，便可以获得更加密集的时空分布。
Claims (1)
1.一种匹配水泥基材料内湿度梯度下对应的干燥收缩的方法，其特征在于，所述方法为：将获取的水泥基样品内各个位置处的湿度梯度数据与获取的平行样品内各个位置处的干燥收缩梯度数据进行匹配，从而得到水泥基样品内各个位置处在对应湿度下的干燥收缩情况；水泥基样品内各个位置处的湿度梯度数据采用如下方法获得：在水泥基样品内选取至少一个点放置湿度传感器，多个湿度传感器与干燥面的垂直距离不等，将采用湿度传感器获得的对应位置处湿度随时间的变化数据作为输入量，使用模型计算，得到水泥基样品内部湿度场；平行样品内各个位置处的干燥收缩梯度数据采用如下方法获得：以贴近干燥表面的位置作为初始扫描位置，沿纵向对平行样品进行三维X-CT成像，得到对应时间t下平行样品内与干燥面平行的各个面的三维图像数据，对各个面获得的三维图像数据进行DVC计算，获得随时间变化各个面的干缩体积变形数据；所述匹配是指将同一时间、同一空间位置的三维湿度数据和三维干缩应变数据进行匹配，得到各个位置在不同时间对应湿度下干燥收缩的情况；
具体包括如下步骤：
步骤1，将水泥粉与水拌和形成水泥浆体，水泥粉为江南小野田P·II 52.5级，水灰比为0.5，在两根PTFE软管底部上40mm处做一个标记，分别记为P1，P2；分别在P1，P2标记下方5mm和10mm处开好2mm切口并塞入钢棒防止水泥渗出，然后插入25mm直径模具并接触底部；另做平行样品用于获取三维图像；
步骤2，待终凝后，将水泥基样品和平行样品放置于饱和氢氧化钙溶液中养护28天，然后将步骤1中的水泥基样品拆模，拔出给湿度传感器留空的钢棒，将两个AM2305A湿度传感器分别插入水泥基样品预留的孔中，其中一个湿度传感器测的是距离顶面干燥面垂直距离5mm处的湿度，另一个湿度传感器测的是距离顶面干燥面垂直距离10mm处的湿度，两个位置均位于水泥基样品内，将水泥基样品和平行样品的侧面及底面均涂抹凡士林并包紧保鲜膜，只留下顶面一个干燥面；
步骤3，将水泥基样品和平行样品置于装有质量分数35.64％氯化钙溶液的干燥器中，该溶液可在室温下保持恒定的50％的相对湿度，将水泥基样品插入AM2305A湿度传感器，水泥基样品与AM2305A湿度传感器接口处涂抹凡士林密封；湿度传感器数据线通过瓶塞挖槽传出，通过DCM2610A转换器和RS-RJ-K监控平台记录湿度数据，每5min记录一次；以获得的湿度随时间变化数据为输入数据，使用Parrott湿度预测模型拟合，得到水泥基样品内部湿度场，即一定时间下水泥内部不同位置处的湿度；不同位置是指距干燥面不同距离的位置；
步骤4，将平行样品选取合适的扫描位置，分别在时间t进行三维X-CT成像，从而获取三维图像数据，所用的成像设备为蔡司Xradia 510X射线显微镜，扫描初始部位为贴近顶部干燥表面的位置，扫描时间t为干燥0天、3天，7天，14天和28天；XCT扫描参数为：扫描峰值电压80千伏，功率7瓦，每张投影曝光时间1.7秒，分辨率10微米；
步骤5，对步骤4获得的三维图像数据进行DVC计算，获得干缩的体积变形：选取的计算区域为500×500×600体素，以0天和3天一组、0天和7天一组、0天和14天一组、0天和28天一组进行DVC计算获得各组水泥基样品的三个主应变，并通过ev＝ex+ey+ez求出体积变形，得到干缩体积应变的时间空间分布，将同一干缩截面的二维方阵取平均值压缩为一个数据，最终获得不同干燥时间的一维干缩分布；
步骤6，结合步骤3获得的内部湿度场和步骤5获得的干缩体积应变场，在同一个坐标下绘制成湿度-变形对应曲线；实现实时观察水泥混凝土内部干缩变形及其对应的湿度，在同一样品中连续实时观察干缩与湿度的对应关系。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 李根.泡沫混凝土内部的全场干缩变形研究.《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技ⅠI辑》.2018,摘要，第2-4章. * |
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|---|---|
| CN113341113A (zh) | 2021-09-03 |
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