CN115684279B - 一种水泥基材料裂缝自修复效果定量测试装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水泥基材料裂缝自修复效果定量测试装置和方法，所述装置包含养护单元、供气单元、保压单元和修复性能测试单元；所述养护单元包含水箱、箱盖和加热器，所述加热器置于水箱底部，箱盖用于密封水箱，被测试件置于水箱内；所述供气单元和保压单元均通过导管与养护单元相连，分别用于给养护单元供气和供压；所述修复性能测试单元包含依次连接的电极、电流表和调压器，所述电极布置在被测试件的裂缝两侧。本发明通过原位测量养护过程水泥基材料电阻变化，精准计算获得养护过程裂缝内部愈合规律，为无损探知裂缝深处修复结果提供专用装置和方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种裂缝自修复效果定量测试装置和方法，特别涉及一种水泥基材料裂缝自修复效果定量测试装置和方法。
背景技术
水泥基材料是用量最大的工程建设材料。尤以水泥混凝土为代表的水泥基材料在基础设施建设中广泛应用，在可预见的未来仍然具有不可替代性。但水泥混凝土体积稳定性差，易开裂产生微细裂缝。裂缝存在加速了侵蚀介质对混凝土的破坏作用，导致裂缝快速扩展，进而威胁结构安全。混凝土裂缝病害防治是工程建设领域的重点研究问题。裂缝治理方法发展出多种技术方向，包含灌浆法、表面封闭法、注射法、混凝土置换法等。自修复技术是通过在混凝土中添加修复剂，赋予混凝土基体裂缝自愈合能力。混凝土开裂激发修复剂活性，释放出内部负载的修复组分，完成裂缝愈合。已见报道的裂缝自修复技术包含记忆合金法、微生物法、原生自愈合法等，甚至微生物技术已经开展了部分工程实践。
裂缝修复过程监测和修复结果检测在工程领域仍缺少相关有效手段。通过预埋振弦式传感器方式，需要准确判断裂缝位置或加大传感器布置数量，仅能监测裂缝产生过程，无法有效表征修复过程。布置分布式光纤方式避免了对裂缝产生位置的预测，但也仅能监测裂缝产生。超声波能对裂缝内部情况进行定量表征，但修复产物空间分布对超声波测试结果影响较大，相同修复程度下产物空间位置改变会对测试结果产生较大影响，修复产物堆积裂缝表面会使得测量结果误差增加。可见，常规测试手段和方法对混凝土裂缝的修复过程很难进行有效测量，一种能够满足内部修复效果定量表征需求的方法目前尚无。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种能精准评估裂缝内部填充和封闭情况水泥基材料裂缝自修复效果定量测试装置；本发明的另一目的在于提供一种利用所述装置进行裂缝自修复效果定量测试的方法。
技术方案：本发明所述的水泥基材料裂缝自修复效果定量测试装置，包含养护单元、供气单元、保压单元和修复性能测试单元；所述养护单元包含水箱、箱盖和加热器，所述加热器置于水箱底部，箱盖用于密封水箱，被测试件置于水箱内；所述供气单元和保压单元均通过导管与养护单元相连，分别用于给养护单元供气和供压；所述修复性能测试单元包含依次连接的电极、电流表和调压器，所述电极布置在被测试件的裂缝两侧。
进一步地，所述供气单元包含气瓶、气泵、气体导管和气泡头，气泵抽取气瓶内气体或直接抽取空气经气体导管进入气泡头，气泡头将气体转化泡状气体逸出，作用在被测试件下方。
进一步地，所述保压单元包含油泵、压力表、油管、柱塞和端部垫片，油泵将压力油体经油管驱动柱塞运动，柱塞作用于端部垫片挤压试件，试件另一端经端部垫片直接作用于水箱侧壁，压力表用于指示作用于试件上的压力；所述油泵的加载精度高于10N。
进一步地，所述修复性能测试单元还包含电源和导线，使用导线将电极、电流表和调压器连接，调压器另一端接入电源。
利用所述水泥基材料裂缝自修复效果定量装置进行测试的方法，步骤如下：
(1)成型砂浆试件，并插入正负电极，标准养护；
(2)试件养护完成后，设置测试电压，测量电流，计算试件初始电阻；
(3)采用压力机三点抗折方式制备特定宽度裂缝，并固定裂缝宽度；
(4)将试件置于水箱中，启动保压单元挤压试件，对修复性能测试单元设置测试电压，测量电流，计算断裂电阻，测试完成后撤除仪器；
(5)在水箱内注入养护水，并开启供气单元气体作用于试件裂缝下方，养护至设计龄期；
(6)排空水箱内水分，开启加热器烘干试件水分，对修复性能测试单元设置测试电压，测量电流，计算修复电阻，并换算为裂缝修复率，测试完成后撤除仪器。根据测试需求，可重复步骤六获得不同养护龄期下的裂缝修复率。
进一步地，步骤(1)中所述的砂浆配制时掺加导电纤维，纤维长度不低于6.0mm，直径不低于7.0μm，电阻率范围为1.0Ω·cm-1.6Ω·cm，体积掺量不低于2.0％；所述导电纤维优选为碳纤维、钢纤维或碳纳米管中的一种或几种。所述插入电极的材质为不锈钢，尺寸为20mm×40mm×0.2mm，插入深度为20mm，正负电极间距为100mm。
进一步地，所述养护时选用的气体为CO2、O2、N2或空气中的一种或多种。
进一步地，步骤(4)中所述保压单元施加应力方向垂直于裂缝面，加载应力为13.0kN-20.0kN。步骤(2)、步骤(4)和步骤(6)测试时，加载压力应相同。同一试件不同养护龄期测试时或不同试件对比测试时应采用相同加载压力。
进一步地，在进行电阻测试前，都应开启加热器烘干水分，保持试件和裂缝区干燥。
进一步地，所述测试和计算初始电阻、断裂电阻与修复电阻，测试电压选用范围均为10V-30V；
初始电阻计算方法为：
式中，U1—初始电阻测试电压，V；I1—初始电阻测量电流，A。
初始断裂电阻计算方法为：
式中，U2—断裂电阻测试电压，V；I2—断裂电阻测量电流，A。
修复电阻计算方法为：
式中，U3—断裂电阻测试电压，V；I3—断裂电阻测量电流，A。
进一步地，步骤(6)中所述裂缝修复率计算方法为：
式中，H—裂缝修复率，％，表示裂缝内部修复程度；Rt—修复特定时间后的测试电阻，Ω；β—参比电阻，1900Ω；K—常数，水泥基材料通常取3000-3200，F—试件紧固力，N，柱塞施加在垂直于裂缝方向的压力。
R2为修复0d的测试电阻，R3为修复特定龄期后的测试电阻。计算结果对修复程度达到95％以下的裂缝适用性较好，当裂缝修复程度较好，计算结果大于100％时，此时裂缝修复率记为100％。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：(1)本发明提供了一种裂缝自修复效果定量表征专用装置和方法，弥补了相关装置和方法不足的问题；(2)本发明能够实现裂缝内部修复效果的无损定量表征，避免对裂缝修复效果的破坏和干扰；(3)本发明裂缝修复效果表征结果仅与裂缝内部修复产物数量相关，与产物空间分布无关，确保了修复效果的精确表征；(4)基于碳纤维水泥基材料修复性能的测试方法，不仅可以实现水泥基材料电学特征的调控，还能提高水泥基材料的抗拉力学性能。
附图说明
图1为水泥基材料裂缝自修复效果定量测试装置示意图；
图2为裂缝面不同修复程度产物分布图(灰色表示修复产物涂覆区)；
图3为不同修复程度下试验测试裂缝修复率与试验预设裂缝修复率对比图；
图4为相同修复程度下产物空间分布图(灰色表示修复产物涂覆区)；
图5为不同产物空间分布下试验测试裂缝修复率与试验预设裂缝修复率对比图；
图6为不同修复剂掺量下本发明方法测试裂缝修复率与图像法裂缝修复率对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，图中附图标记为：水箱1-01、箱盖1-02、加热器1-03、气瓶2-01、气泵2-02、气体导管2-03、气泡头2-04、油泵3-01、压力表3-02、油管3-03、柱塞3-04、端部垫片3-05、电极5-01、电流表5-02、调压器5-03、电源5-04和导线5-05。
本发明所述水泥基材料裂缝自修复效果定量测试装置，包含养护单元、供气单元、保压单元和修复性能测试单元。养护单元包含水箱1-01、箱盖1-02和加热器1-03，水箱1-01用于盛放养护液体，试件置于其中养护，加热器1-03置于水箱1-02底部，箱盖1-02用于密封水箱1-01，并留有气体导管2-03和油管3-03出口。供气单元包含气瓶2-01、气泵2-02、气体导管2-03和气泡头2-04，气泵2-02抽取气瓶2-01内气体或直接抽取空气经气体导管2-03进入气泡头2-04，气泡头2-04将气体转化泡状气体逸出，作用在试件中部下方。保压单元包含油泵3-01、压力表3-02、油管3-03、柱塞3-04和端部垫片3-05，油泵3-01将压力油体经油管3-03驱动柱塞3-04运动，柱塞3-04作用于端部垫片3-05挤压试件，试件另一端经端部垫片3-05直接作用于水箱1-01侧壁，压力表3-02用于指示作用于试件上的压力。油泵加载精度高于10N。修复性能测试单元包含电极5-01、电流表5-02、调压器5-03、电源5-04和导线5-05，电极5-01布置裂缝两侧，使用导线5-05将电极5-01、电流表5-02和调压器5-03连接，调压器5-03另一端接入电源5-04。
利用所述水泥基材料裂缝自修复效果定量装置进行测试的方法步骤如下：
(1)成型40mm×40mm×160mm砂浆试件，并插入正负电极，标准养护28d；
(2)对养护完成的试件，将调压器5-03和电流表5-02经导线5-04与电极5-01连接，调整调压器输出电压测试电流、电压，计算初始电阻，测试完成后仪器撤除；
(3)采用压力机三点抗折方式制备特定宽度裂缝，并固定裂缝宽度；
(4)将试件置于养护箱1-01中，启动油泵3-01，柱塞3-04挤压端部垫片3-05和试件，至压力表3-02达到设计压力值，将调压器5-03和电流表5-02经导线5-04与电极连接5-01，设置测试电压，测量电流，计算断裂电阻，测试完成后撤除仪器；
(5)在养护箱1-01内注入养护水，并开启气瓶2-01和气泵2-02，气体经气泡头2-04逸出，作用于裂缝下方，养护至设计龄期；
(6)排空养护箱1-01内水分，开启加热器1-03烘干试件水分，将调压器5-03和电流表5-02经导线5-04与电极连接5-01，设置测试电压，测量电流，计算修复电阻，并换算为裂缝修复率，测试完成后撤除仪器。根据测试需求，可重复步骤六获得不同养护龄期下的裂缝修复率。
所述的砂浆配制时掺加(导电纤维)，纤维长度不低于6.0mm，直径不低于7.0μm，电阻率范围为1.0Ω·cm-1.6Ω·cm，体积掺量不低于2.0％。试件成型过程中插入电极，电极材质为不锈钢，尺寸为20mm×40mm×0.2mm，插入深度为20mm，正负电极间距为100mm。养护时选用的气体为CO2、O2、N2、空气等一种或几种。
所述的柱塞作用于端部垫片和试件，柱塞施加应力方向垂直于裂缝面，加载应力为13.0kN-20.0kN。步骤二、步骤四和步骤六测试时，加载压力应相同。同一试件不同养护龄期测试时或不同试件对比测试时应采用相同加载压力。
在进行电阻测试前，都应开启加热器烘干水分，保持试件和裂缝区干燥。测试和计算初始电阻、断裂电阻与修复电阻，测试电压选用范围10V-30V。测试电压U1，测量电流I1，初始电阻计算方法为：
式中，U1—初始电阻测试电压，V；I1—初始电阻测量电流，A。
测试电压U2，测量电流I2，初始断裂电阻计算方法为：
式中，U2—断裂电阻测试电压，V；I2—断裂电阻测量电流，A。
测试电压U3，测量电流I3，修复电阻计算方法为：
式中，U3—断裂电阻测试电压，V；I3—断裂电阻测量电流，A。
所述的裂缝修复率计算方法为：
式中，H—裂缝修复率，％，表示裂缝内部修复程度；Rt—修复特定时间后的测试电阻，Ω；β—参比电阻，1900Ω；K—常数，水泥基材料通常取3000-3200，F—试件紧固力，N，柱塞施加在垂直于裂缝方向的压力。
R2为修复0d的测试电阻，R3为修复特定龄期后的测试电阻。计算结果对修复程度达到95％以下的裂缝适用性较好，当裂缝修复程度较好，计算结果大于100％时，此时裂缝修复率记为100％。
实施例1
通过定量修复面积涂覆方法测试了裂缝修复效果定量表征方法对比。测试用砂浆配合比中水泥、河砂和水的重量比为1:3:0.5。导电相材料使用碳纤维，纤维长度为9.0mm，纤维，直径为7.0μm，电阻率为1.0Ω·cm，体积掺量2.0％。试件成型过程中插入尺寸为20mm×40mm×0.2mm的不锈钢电极，插入深度为20mm，正负电极间距为100mm。试件成型后在标准条件下养护28d。
养护完成的试件置于测试装置中，启动油泵，施加13.0kN压力。将电流表、调压器与试件连接，测试电压选用20V，测量此时带裂缝试件电流为1.47A，经计算初始电阻为13.6Ω。测试完成后将试件泄压取出。
在抗折试验机上以三点抗折方式制备出宽度为1.0mm的裂缝。嵌入直径为1.0mm细铁丝，固定裂缝宽度。将带裂缝试件置于测试装置中，启动油泵，施加13.0kN压力。将电流表、调压器与试件连接，测试电压选用20V，测量此时带裂缝试件电流为4.16mA，经计算初始电阻为4807.7Ω。
将试件卸载取出。以碳酸钙为修复材料，在裂缝面划分4×4网格，按照1/8、2/8、3/8、4/8、5/8、6/8、7/8、8/8方式填补裂缝面，如图2所示，测试裂缝面内部修复程度即为12.5％、25.0％、37.5％、50.0％、62.5％、75.0％、87.5％、100％。
对不同修复程度裂缝进行修复电阻测试，测试电压设置为20V，测量所得电流分别为5.59mA、7.22mA、8.13mA、8.92mA、9.41mA、9.74mA、10.2mA、10.5mA，计算所得修复电阻分别为3575.7Ω、2770.9Ω、2459.0Ω、2241.1Ω、2125.4Ω、2052.5Ω、1964.6Ω、1904.7Ω。计算裂缝修复率时，常数K取3200，试件紧固力为1300N。裂缝修复率为1.9％、13.0％、26.2％、35.2％、45.1％、53.5％、61.4％、78.7％、131.6％。
按照判定规则，计算所得修复率大于100.0％时，实际修复效果以100.0％计。因此，经过测试所得的裂缝内部修复程度分别为1.9％、13.0％、26.2％、35.2％、45.1％、53.5％、61.4％、78.7％、100.0％。与填充设计的裂缝修复程度进行了对比，结果如图3所示，可以看出试验测试结果与预设结果的对比效果较好，基本呈正比例关系，表明通过本发明装置和方法可以有效的反映出裂缝内部修复程度。二者数据存在一定误差的原因在于，裂缝中涂覆的碳酸钙与裂缝面接触效果并非完全贴合，并非达到理想修复程度，即在微观层次上修复产物与裂缝面的贴合程度未达到设计值。这种原因造成的误差对修复面积较大时反映较明显，因此对于高修复率条件下测试结果与设计值存在一定误差。当试件内无填充产物时，在柱塞作用下，裂缝面上的凸点贴合，会形成一定的导电通道，也即部分裂缝区域闭合，在测量结果上反应为裂缝的修复效果，即达到1.9％的裂缝修复率，这在本实施例中也得到充分印证。
实施例2
参照实施1，对相同修复程度，不同修复产物空间分布形式的定量测试结果进行了对比，修复产物的空间分布形式如图4所示，此时裂缝修复程度均为25.0％。
对不同产物空间分布形式下的试件修复电阻进行测试，测试电压设置为20V，测量所得电流分别为7.22mA、7.18mA、7.23mA、7.22mA、7.26mA、7.27mA、7.19mA、7.20mA，计算所得修复电阻分别为2770.1Ω、2785.5Ω、2766.3Ω、2770.1Ω、2754.8Ω、2751.0Ω、2781.6Ω、2777.8Ω。计算裂缝修复率时，常数K取3200，试件紧固力为1300N。裂缝修复率为26.2％、25.9％、26.3％、26.2％、26.6％、26.7％、26.0％、26.1％。
试验测试结果与预设结果进行了比对，如图5所示，测试结果与预设结果基本相同，误差较小，表明本发明装置和方法尤其对低修复程度裂缝的愈合效果具有较强的表征能力。
实施例3
选用某型号修复剂性裂缝修复效果的表征，对不同掺量下的裂缝修复效果进行了试验测试。测试用砂浆配合比中水泥、河砂和水的重量比为1:3:0.5。修复剂掺量为1％、2％和3％。导电相材料使用碳纤维，纤维长度为10.0mm，纤维，直径为8.0μm，电阻率为1.2Ω·cm，体积掺量2.0％。试件成型过程中插入尺寸为20mm×40mm×0.2mm的不锈钢电极，插入深度为20mm，正负电极间距为100mm。试件成型后在标准条件下养护28d。
养护完成的试件置于测试装置中，启动油泵，施加14.0kN压力。将电流表、调压器与试件连接，测试电压选用10V，测量此时带裂缝试件电流为0.78A、0.76A和0.74A，经计算初始电阻为12.8Ω、13.2Ω、13.5Ω。测试完成后将试件泄压取出。
在抗折试验机上以三点抗折方式制备出宽度为1.0mm的裂缝。嵌入直径为1.0mm细铁丝，固定裂缝宽度。将带裂缝试件置于测试装置中，启动油泵，施加14.0kN压力。将电流表、调压器与试件连接，测试电压选用10V，测量此时带裂缝试件电流为1.98mA、1.99mA和2.06mA，经计算初始电阻为5050.5Ω、5025.1Ω和4866.2Ω。
在测试装置中注满水至液面淹没试件表面。开启气泵，向内部通入空气，养护28d。养护完成后，将水排出，开启加热器干燥4h。将电流表、调压器与试件连接，测试电压选用10V，测量此时带裂缝试件电流为3.75mA、4.12mA和4.78mA，经计算初始电阻为2666.7Ω、2427.2Ω和2092.1Ω。计算裂缝修复率时，常数K取3200，试件紧固力为1400N。裂缝修复率为28.8％、36.3％和56.7％。
测试完成的试件取出，对裂缝面进行拍摄，根据图像方法计算裂缝面修复产物分布面积，按照产物分布面积与裂缝面积的比值计算了裂缝修复率，计算结果为27.4％、35.9％和57.1％。
本发明方法测试和计算结果与图像法测量和计算结果对比如图6所示。两种方法测试和计算结果数据变化规律相同，随着修复剂掺量的增加，裂缝修复率逐渐增大。同时，两种方法数据结果近似，误差范围较小。对比结果表明，采用本发明方法能够有效的实现裂缝修复效果的无损定量测试。
Claims (8)
1.一种水泥基材料裂缝自修复效果定量测试装置，其特征在于，该定量测试装置包含养护单元、供气单元、保压单元和修复性能测试单元；所述养护单元包含水箱(1-01)、箱盖(1-02)和加热器(1-03)，所述加热器(1-03)置于水箱(1-01)底部，箱盖(1-02)用于密封水箱(1-01)，被测试件置于水箱(1-01)内；所述供气单元和保压单元均通过导管与养护单元相连，分别用于给养护单元供气和供压；所述修复性能测试单元包含依次连接的电极(5-01)、电流表(5-02)和调压器(5-03)，所述电极(5-01)布置在被测试件的裂缝两侧；所述保压单元包含油泵(3-01)、压力表(3-02)、油管(3-03)、柱塞(3-04)和端部垫片(3-05)，油泵(3-01)将压力油体经油管(3-03)驱动柱塞(3-04)运动，柱塞(3-04)作用于端部垫片(3-05)挤压试件，试件另一端经端部垫片(3-05)直接作用于水箱(1-01)侧壁，压力表(3-02)用于指示作用于试件上的压力；所述油泵(3-01)的加载精度高于10N；
裂缝修复率计算方法为：
式中，H—裂缝修复率，％，表示裂缝内部修复程度；Rt—修复特定时间后的测试电阻，Ω；R1—初始电阻，Ω；β—参比电阻，1900Ω；K—常数，水泥基材料通常取3000-3200，F—试件紧固力，N，柱塞施加在垂直于裂缝方向的压力。
2.根据权利要求1所述的水泥基材料裂缝自修复效果定量测试装置，其特征在于，所述供气单元包含气瓶(2-01)、气泵(2-02)、气体导管(2-03)和气泡头(2-04)，气泵(2-02)抽取气瓶(2-01)内气体或直接抽取空气经气体导管(2-03)进入气泡头(2-04)，气泡头(2-04)将气体转化泡状气体逸出，作用在被测试件下方。
3.根据权利要求1所述的水泥基材料裂缝自修复效果定量测试装置，其特征在于，所述修复性能测试单元还包含电源(5-04)和导线(5-05)，使用导线(5-05)将电极(5-01)、电流表(5-02)和调压器(5-03)连接，调压器(5-03)另一端接入电源(5-04)。
4.一种利用权利要求1所述水泥基材料裂缝自修复效果定量测试装置进行测试的方法，其特征在于，步骤如下：
(1)成型砂浆试件，并插入正负电极，标准养护；
(2)养护完成后，设置测试电压，测量电流，计算试件初始电阻；
(3)采用压力机三点抗折方式制备特定宽度裂缝，并固定裂缝宽度；
(4)将试件置于水箱(1-01)中，启动保压单元挤压试件，对修复性能测试单元设置测试电压，测量电流，计算断裂电阻，测试完成后撤除仪器；
(5)在水箱(1-01)内注入养护水，并开启供气单元气体作用于试件裂缝下方，养护至设计龄期；
(6)排空水箱(1-01)内水分，开启加热器(1-03)烘干试件水分，对修复性能测试单元设置测试电压，测量电流，计算修复电阻，并换算为裂缝修复率，测试完成后撤除仪器。
5.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于，步骤(1)中砂浆配制时掺加导电纤维，纤维长度不低于6.0mm，直径不低于7.0μm，电阻率范围为1.0Ω·cm-1.6Ω·cm，体积掺量不低于2.0％。
6.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于，养护时选用的气体为CO2、O2、N2或空气中的一种或多种。
7.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于，步骤(4)中所述保压单元施加应力方向垂直于裂缝面，加载应力为13.0kN-20.0kN。
8.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于，所述测试和计算初始电阻、断裂电阻与修复电阻，测试电压选用范围均为10V-30V；
初始电阻计算方法为：
式中，U1—初始电阻测试电压，V；I1—初始电阻测量电流，A；
初始断裂电阻计算方法为：
式中，U2—断裂电阻测试电压，V；I2—断裂电阻测量电流，A；
修复电阻计算方法为：
式中，U3—断裂电阻测试电压，V；I3—断裂电阻测量电流，A。
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