CN116008129B - 水泥基材料表面疏水能力分布水中负压检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了水泥基材料表面疏水能力分布水中负压检测装置，涉及材料表面疏水性能检测技术领域。主要由驱动模块、检测模块、试验台和水浴模块四部分构成。试验台安装待测试样，检测模块安装超疏水测试板，通过驱动模块中竖向驱动器和横向定位器，调整超疏水测试板与待测试样在水浴模块中以一定压力接触，进而产生水中负压，利用检测模块中力传感器检测上述水中负压能够抵抗的最大拉拔力，反映待测试样表面测试区域的疏水能力，更换测试区域重复上述操作，进而获取水泥基材料表面的疏水能力分布特性。本发明解决了水泥基材料表面疏水能力分布特性检测困难的问题，可实现准确、快速地检测水泥基材料表面疏水能力的分布特性。

Description

水泥基材料表面疏水能力分布水中负压检测装置

技术领域

本发明涉及材料性能检测技术领域，特别涉及疏水性能检测技术领域，具体是一种水泥基材料表面疏水能力分布水中负压检测装置。

背景技术

水泥基材料是土木工程领域经常使用的建筑材料，一般水泥基材料具有亲水特性和多孔结构，导致其长期暴露在自然环境下，易遭受雨水侵蚀和冻融破坏，统称为“水损害”，该问题对水泥基材料耐久性的影响一直是一项亟需解决的技术难题。随着仿生疏水化领域的发展，进行水泥基材料仿生疏水化改性，成为提升水泥基材料水损害耐久性的一种有效途径。水泥基材料仿生疏水化改性是指：通过化学改性方式降低水泥基材料的表面能，并构筑一定微观粗糙结构，使其表面或多孔界面形成类似于“荷叶表面”的憎水结构，阻止水分渗入水泥基材料内部，进而减少了水损害发生。目前大量研究均表明，水泥基材料通过仿生疏水化改性，具有了自清洁、主动除冰、表面抗水损、内部金属防腐等优异性能。

水泥基材料仿生疏水化改性成功与否，通过水在其表面的润湿性行为进行判断，实验室内通常采用接触角试验和吸水率试验进行检测。（1）接触角试验是针对单点的测试，将液滴滴于固体样品表面，通过显微镜与相机获得样品表面液滴的外形图像，再利用数字图像处理技术获得液滴外轮廓与固体样品表面之间的夹角，即接触角，接触角大于90度即表明水泥基材料表面具有疏水特性；（2）吸水率试验是针对整体的测试，通过将水泥基材料试样在一定温度水中浸泡固定时间，计算其增加的重量百分比，即为吸水率的大小，吸水率越小，表明水泥基材料的疏水能力越强、仿生疏水化改性越成功。

目前，水泥基材料仿生疏水化改性存在的关键技术难题是：改性剂如何在水泥基材料表面或内部均匀分散，制备疏水能力分布均匀的水泥基材料。该问题的深入研究，首先需要合适的装置或方法用于检测水泥基材料疏水能力分布特性。显然，上述接触角试验和吸水率试验不能满足测试需求。原因是：（1）接触角试验仅能检测单点区域的疏水特性，对水泥基材料整个表面的疏水性分布检测需要增加测量点数量，从检测效率上完全无法满足研究需求；（2）吸水率试验仅能从整体上评价材料的疏水能力，并不能分析样品的局部疏水性能，因而无法获取样品的疏水能力分布特性。因此，研究一种用于检测水泥基材料表面疏水能力分布的装置十分必要，有助于推动水泥基材料仿生疏水化改性的进一步研究。

实验中发现，两个疏水性表面在水中受压接触后具有“吸盘”特性，即试样的外部水压大于两个疏水性表面接触界面间空气腔的气压（简称为“水中负压”），类似于吸盘使用时外部大气压大于吸盘内压力，需要一定的拉力才能将两个疏水性表面分开，且拉力的大小取决于两个疏水性表面的疏水能力强弱。该“吸盘”特性可作为检测水泥基材料表面疏水能力分布的关键技术原理。

基于此，本发明提供了一种水泥基材料表面疏水能力分布水中负压检测装置，解决了现有技术难以检测水泥基材料表面疏水能力分布特性的问题，可实现准确、快速地检测水泥基材料表面疏水能力的分布特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水泥基材料表面疏水能力分布水中负压检测装置，解决现有技术难以检测水泥基材料表面疏水能力分布特性的问题，可实现准确、快速地检测水泥基材料表面疏水能力的分布特性。

为了实现上述目的，本发明提供了一种水泥基材料表面疏水能力分布水中负压检测装置，主要包括所述驱动模块、所述检测模块、所述试验台和所述水浴模块四部分，具体包括以下结构。

所述驱动模块包括所述控制台、所述加载电机、所述竖向驱动器和所述横向定位器，所述加载电机安装在所述顶板上，所述竖向驱动器通过所述螺纹传动杆与所述加载电机连接，所述顶板下部设有2个所述限位轴校正所述竖向驱动器位移方向，所述加载电机、所述竖向驱动器和所述横向定位器由所述控制台控制。

进一步的，2个所述限位轴以所述螺纹传动杆为中心对称且平行设置，所述限位轴与所述顶板垂直固定安装，所述竖向驱动器与所述限位轴仅能沿竖向相对滑动。

进一步的，所述竖向驱动器两端具有与所述限位轴匹配的安装通道，所述限位轴与所述竖向驱动器安装缝隙间使用润滑油减小摩擦，所述限位轴限制所述竖向驱动器仅能沿所述限位轴的轴线方向移动，避免所述竖向驱动器在移动过程中发生倾斜和摆动，实现标准垂向位移。

进一步的，所述控制台能够控制所述加载电机工作模式、驱动所述竖向驱动器上下位移、驱动所述横向定位器水平位移，并能够接收所述力传感器的检测数据。

进一步的，所述竖向驱动器内部设置所述横向定位器，所述横向定位器下部连接所述检测模块，所述竖向驱动器用于驱动所述检测模块竖向移动，所述横向定位器用于调整所述检测模块横向水平移动，进而更换所述待测试样检测区域。

所述检测模块包括所述球铰、所述测试板夹具、所述超疏水测试板和所述力传感器，所述测试板夹具与所述横向定位器之间通过所述球铰连接，所述测试板夹具与所述球铰连接处安装所述力传感器，所述力传感器将检测数据反馈至所述控制台，所述测试板夹具下部设有倒梯形安装槽，所述超疏水测试板通过上部设置倒梯形结构安装在所述测试板夹具倒梯形安装槽内。

进一步的，所述力传感器为拉压力双向测力传感器，拉压力双向测力量程为2000N，精度为1N。

进一步的，所述力传感器检测所述超疏水测试板与所述待测试样在水中的接触压力，以及在水中负压后拉拔阶段能够承受的最大拉拔力。

进一步的，所述测试板夹具通过所述球铰与所述横向定位器之间形成球铰连接，进而所述测试板夹具能够实现空间全维度的微小偏转，有利于所述超疏水测试板与所述待测试样接触面充分接触。

进一步的，所述超疏水测试板上部倒梯形结构与所述测试板夹具倒梯形安装槽尺寸匹配，通过将所述超疏水测试板上部倒梯形结构推入所述测试板夹具倒梯形安装槽，实现所述超疏水测试板的快速安装和更换。

进一步的，所述超疏水测试板由高硬度奥氏体不锈钢材料制成，所述超疏水测试板检测面利用激光刻蚀技术加工成规则排列的纳米凸起点阵，所述纳米凸起点阵利用低表面能修饰材料进行低表面能处理，处理后的所述超疏水测试板检测面具有均匀超疏水性能。

进一步的，经上述处理后的所述超疏水测试板经反复挤压、拉拔后，其检测面不易变形和磨损，多次使用后仍能够保持一致超疏水性能，具有良好的使用耐久性。

所述试验台包括所述载物台、所述固定杆和所述试样夹具，所述载物台位于所述驱动模块下方，所述载物台通过所述固定杆与所述顶板固定连接，所述试样夹具通过所述螺纹安装孔安装在所述载物台上，所述试样夹具通过所述夹持板和所述传动螺钉固定所述待测试样。

进一步的，所述载物台中央设置9个所述螺纹安装孔，所述试样夹具对应位置开设9个所述螺纹安装孔。

进一步的，所述固定杆设有4个，所述载物台通过所述固定杆与所述顶板固定连接，且所述载物台与所述顶板呈水平设置。

进一步的，所述试样夹具设有2个所述夹持板，每个所述夹持板各设有3个所述传动螺钉，2个所述夹持板之间安装所述待测试样，通过旋转所述传动螺钉固定所述待测试样。

所述水浴模块包括所述恒温水浴箱、所述升降台和所述底座，所述恒温水浴箱位于所述试验台下方，所述恒温水浴箱内部装有所述纯水，所述恒温水浴箱通过所述升降台可抬升至所述纯水浸没所述待测试样，所述升降台安装在所述底座上，所述底座通过所述主机架与所述顶板连接。

进一步的，所述恒温水浴箱顶部为开口结构，所述恒温水浴箱设定温度为20摄氏度、精度为0.1摄氏度。由于水泥基材料的表面疏水能力受水质、水温、PH值的影响较大，选择使用所述纯水并控制水温为20摄氏度可有效提高试验精度。

进一步的，所述升降台由所述控制台控制抬升或下降。

进一步的，所述纯水浸没所述待测试样的浸没深度通过长度辅助测量工具测量，所述纯水多次使用后需根据污染情况进行清洁或更换。

进一步的，所述纯水浸没所述待测试样达到预设浸没深度时，所述升降台停止运动，所述控制台驱动所述竖向驱动器下降至所述超疏水测试板与所述待测试样在所述纯水中接触，形成水中负压。

本发明实施例带来了以下有益效果。

本发明解决了水泥基材料表面疏水能力分布特性检测困难的问题，可实现准确、快速地检测水泥基材料表面疏水能力的分布特性。

本发明将水泥基材料表面的疏水能力转化为疏水性表面水中负压的抗拉拔能力，填充了水泥基材料表面疏水能力检测技术。

本发明同时可用于水泥基材料局部区域疏水能力的检测评定。

本发明检测效率和精度高，有助于水泥基材料均匀疏水化改性的深入研究。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显。或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来辅助对本发明的理解，附图中所提供的内容及其在本发明中有关的说明可用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。

下面结合附图说明和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

图1为水泥基材料表面疏水能力分布水中负压检测装置主要构成示意图；

图2为水泥基材料表面疏水能力分布水中负压检测装置侧视图；

图3为驱动模块和试验台细部构成图；

图4为试样夹具细部构成及安装示意图；

图5为超疏水测试板和疏水性水泥基材料表面水中负压示意图；

图6为超疏水测试板和亲水性水泥基材料表面水中接触示意图。

图中：1-加载电机，2-竖向驱动器，3-横向定位器，4-顶板，5-螺纹传动杆，6-限位轴，7-测试板夹具，8-超疏水测试板，9-球铰，10-力传感器，11-载物台，12-固定杆，13-试样夹具，14-待测试样，15-螺纹安装孔，16-夹持板，17-传动螺钉，18-恒温水浴箱，19-纯水，20-升降台，21-控制台，22-主机架，23-底座，24-空气腔，25-水中负压力，26-水膜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是：本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。

此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

关于本发明中术语和单位。本发明的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”以及它的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

如图1至图6，水泥基材料表面疏水能力分布水中负压检测装置，主要由所述驱动模块、所述检测模块、所述试验台和所述水浴模块四部分构成，具体包括：1-加载电机，2-竖向驱动器，3-横向定位器，4-顶板，5-螺纹传动杆，6-限位轴，7-测试板夹具，8-超疏水测试板，9-球铰，10-力传感器，11-载物台，12-固定杆，13-试样夹具，14-待测试样，15-螺纹安装孔，16-夹持板，17-传动螺钉，18-恒温水浴箱，19-纯水，20-升降台，21-控制台，22-主机架，23-底座，24-空气腔，25-水中负压力，26-水膜。

如图1和图3，所述驱动模块包括：所述顶板4，所述顶板4上安装所述加载电机1，所述加载电机1通过所述螺纹传动杆5与所述竖向驱动器2连接；所述顶板4下部固定有2个所述限位轴6，所述竖向驱动器2两端具有与所述限位轴6匹配的安装通道，所述限位轴6限制所述竖向驱动器2仅能沿所述限位轴6的轴线方向移动；所述竖向驱动器2内部还设有所述横向定位器3，所述横向定位器3下部通过所述球铰9与所述检测模块连接；所述控制台21控制所述加载电机1工作模式、驱动所述竖向驱动器2竖向位移、驱动所述横向定位器3水平位移。

如图1、图2和图3，所述检测模块包括：所述球铰9，所述横向定位器3与所述测试板夹具7通过所述球铰9形成球铰连接，所述测试板夹具7能够在空间全维度自由微小偏转，有利于所述超疏水测试板8与所述待测试样14接触面充分接触；所述球铰9与所述测试板夹具7连接处安装所述力传感器10，所述力传感器10用于检测所述超疏水测试板8与所述待测试样14在水中的接触压力，以及在水中负压后能够承受的最大拉拔力，所述力传感器10将检测数据反馈至所述控制台21；所述测试板夹具7下部设有倒梯形安装槽，所述超疏水测试板8上部设置倒梯形结构，所述超疏水测试板8通过将上部倒梯形结构推入所述测试板夹具7的倒梯形安装槽实现便捷安装；所述超疏水测试板8采用高硬度奥氏体不锈钢材料制成，所述超疏水测试板8检测面利用激光刻蚀技术加工成规则排列的纳米凸起点阵，所述纳米凸起点阵经低表面能修饰材料进行低表面能处理，处理后的所述超疏水测试板8检测面具有均匀超疏水性能。

如图1、图3和图4，所示试验台包括：所述载物台11，所述载物台11位于所述驱动模块正下方且呈水平设置，所述载物台11通过4个所述固定杆12与所述顶板4固定连接；所述载物台11上安装所述试样夹具13，具体是通过所述载物台11和所述试样夹具13上9处对应的所述螺纹安装孔15安装固定；所述试样夹具13设有2个所述夹持板16，每个所述夹持板16设有3个所述传动螺钉17，通过旋转所述传动螺钉17推动所述夹持板16，实现固定所述待测试样14。

如图1和图2，所述水浴模块包括：所述恒温水浴箱18，所述恒温水浴箱内部装有所述纯水19，所述恒温水浴箱18设定所述纯水19水温为20摄氏度；所述恒温水浴箱18置于所述升降台20上，所述升降台20受所述控制台21控制，所述升降台20抬升能够实现所述纯水19浸没所述待测试样14，浸没深度可通过长度辅助测量工具测量；所述升降台20安装在所述底座23上，所述底座23通过所述主机架22与所述顶板4安装固定。

具体的实施过程如下所述。

设备安装及试样预处理：首先，检查所述水泥基材料表面疏水能力分布水中负压检测装置各部件安装位置正确，并通过调试能够正常工作，具体包括：所述顶板4、所述载物台11经水平仪检查均呈水平设置；所述竖向驱动器2、所述横向定位器3移动平稳顺畅；所述控制台21、所述加载电机1、所述力传感器10正常工作；所述试样夹具13与所述载物台11安装牢固；所述恒温水浴箱18内部水温为20摄氏度，所述纯水19符合纯水技术标准，所述升降台20能够正常抬升。其次，利用3D光学显微镜检查所述超疏水测试板8检测面三维形貌，其纳米点阵凸起排列均匀一致后方可使用，将所述超疏水测试板8上部倒梯形结构推入所述测试板夹具7的倒梯形安装槽完成安装。最后，将所述待测试样14放置在所述试样夹具13中央，旋转所述传动螺钉17，推动所述夹持板16将所述待测试样14安装固定，安装时注意控制所述待测试样14测试表面保持水平，残余微小倾斜度偏差依靠所述测试板夹具7微小偏转进行补偿。

水中负压原理：当所述待测试样14表面为超疏水特性时，如图5，所述超疏水测试板8与所述待测试样14接触面之间的水分由于超疏水特性被完全挤出接触面，形成所述空气腔24，此时所述超疏水测试板8与所述待测试样14外部受到水压挤压，内部为所述空气腔24，明显外部水压远大于内部的气压，因此形成所述水中负压力25，此时所述超疏水测试板8与所述待测试样14接触面牢牢吸附，需要一定拉拔力才能将彼此分开。当所述待测试样14表面为亲水性表面时，如图6，所述超疏水测试板8能够将水分挤出，但所述待测试样14测试表面形成一层所述水膜26，所述水膜26与所述超疏水测试板8之间存在斥力，且所述水膜26与外部水分连通，因此所述超疏水测试板8与所述待测试样14之间不存在水中负压，无吸附特性。当所述待测试样14表面仅具有一定疏水特性时，介于图5和图6之间，此时所述空气腔24内具有一定水分，形成的所述水中负压力25减小，能够抵抗拉拔的能力也随之减弱，因此利用水中负压抵抗拉拔力大小检测所述待测试样14表面的疏水能力是可行且有效的。

检测阶段：所述待测试样14安装固定后，首先，打开所述恒温水浴箱18，令所述恒温水浴箱18内部水温为20摄氏度，所述控制台21驱动所述横向定位器3，令所述超疏水测试板8位于所述待测试样14检测区域的正上方；然后，所述控制台21控制所述升降台20均匀速率抬升，抬升至所述恒温水浴箱18内所述纯水19浸没所述待测试样14，所述纯水19水平面与所述待测试样14测试表面的深度经长度辅助测量工具测量为30cm停止抬升；接着，所述控制台21驱动所述竖向驱动器2向下运动，至所述超疏水测试板8与所述待测试样14在所述纯水19中接触，继续以1000N/min的加载速率驱动所述竖向驱动器2至所述力传感器10检测到接触压力为1000N时停止，静置1min形成水中负压；最后，所述控制台21驱动所述竖向驱动器2以500N/min的加载速率向上运动，所述力传感器10检测所述超疏水测试板8与所述待测试样14水中负压后能够抵抗的最大拉拔力，反映所述待测试样14测试区域的疏水性能；更换测试区域，重复上述操作，获取所述待测试样14表面的疏水能力分布特性。

试验结束后设备维护：首先，所述控制台21控制所述升降台20下降至初始位置，取下所述超疏水测试板8和所述待测试样14，所述超疏水测试板8检测面向上放置保存；拆卸所述试样夹具13，擦干本装置各部件表面水分，防止锈蚀；所述限位轴6和所述竖向驱动器2之间定期添加润滑油养护，所述纯水19根据使用情况定期更换。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.水泥基材料表面疏水能力分布水中负压检测装置，其特征在于，主要由驱动模块、检测模块、试验台和水浴模块四部分构成；所述驱动模块包括控制台、加载电机、竖向驱动器和横向定位器，所述加载电机安装在顶板上，所述竖向驱动器通过螺纹传动杆与所述加载电机连接，所述顶板下部设有2个限位轴校正所述竖向驱动器位移方向，所述加载电机、所述竖向驱动器和所述横向定位器由所述控制台控制；所述检测模块包括球铰、测试板夹具、超疏水测试板和力传感器，所述测试板夹具与所述横向定位器之间通过所述球铰连接，所述测试板夹具与所述球铰连接处安装所述力传感器，所述力传感器将检测数据反馈至所述控制台，所述测试板夹具下部设有倒梯形安装槽，所述超疏水测试板通过上部设置倒梯形结构安装在所述测试板夹具倒梯形安装槽内，所述超疏水测试板检测面利用激光刻蚀技术加工成规则排列的纳米凸起点阵，所述纳米凸起点阵利用低表面能修饰材料进行低表面能处理；所述试验台包括载物台、固定杆和试样夹具，所述载物台位于所述驱动模块下方，所述载物台通过所述固定杆与所述顶板固定连接，所述试样夹具通过螺纹安装孔安装在所述载物台上，所述试样夹具通过夹持板和传动螺钉固定待测试样；所述水浴模块包括恒温水浴箱、升降台和底座，所述恒温水浴箱位于所述试验台下方，所述恒温水浴箱内部装有纯水，所述恒温水浴箱通过所述升降台可抬升至所述纯水浸没所述待测试样，所述升降台安装在所述底座上，所述底座通过主机架与所述顶板连接。

2.根据权利要求1所述的水泥基材料表面疏水能力分布水中负压检测装置，其特征在于，2个所述限位轴以所述螺纹传动杆为中心对称且平行设置，所述限位轴与所述顶板垂直固定安装，所述竖向驱动器与所述限位轴仅能沿竖向相对滑动。

3.根据权利要求1所述的水泥基材料表面疏水能力分布水中负压检测装置，其特征在于，所述力传感器为拉压力双向测力传感器，拉压力双向测力量程为2000N，精度为1N。

4.根据权利要求1所述的水泥基材料表面疏水能力分布水中负压检测装置，其特征在于，所述超疏水测试板由高硬度奥氏体不锈钢材料制成。

5.根据权利要求1所述的水泥基材料表面疏水能力分布水中负压检测装置，其特征在于，所述载物台中央设置9个所述螺纹安装孔，所述试样夹具对应位置开设9个所述螺纹安装孔。

6.根据权利要求1所述的水泥基材料表面疏水能力分布水中负压检测装置，其特征在于，所述固定杆设有4个，所述载物台与所述顶板通过所述固定杆呈水平设置。

7.根据权利要求1所述的水泥基材料表面疏水能力分布水中负压检测装置，其特征在于，所述试样夹具设有2个所述夹持板，每个所述夹持板各设有3个所述传动螺钉，2个所述夹持板之间安装所述待测试样。

8.根据权利要求1所述的水泥基材料表面疏水能力分布水中负压检测装置，其特征在于，所述恒温水浴箱顶部为开口结构，所述恒温水浴箱设定温度为20摄氏度、精度为0.1摄氏度。

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