CN116930466A - 一种自愈合混凝土受压损伤愈合评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自愈合混凝土受压损伤愈合评价方法，包括：S1、通过内部损伤和表观裂缝愈合指标公式定量评估自愈合混凝土在受压荷载作用下的愈合程度；S2、由所述愈合指标公式分别确定内部损伤和表观裂缝相对应的目标参数，所述目标参数的具体参数值通过相应的测试方法确定；S3、将参数值代入相对应的内部损伤和裂缝愈合指标公式，获取自愈合混凝土受压损伤后内部和裂缝的愈合效率。该方法有利于综合评定混凝土材料受压自愈合性能。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土性能评价技术领域，具体涉及一种自愈合混凝土受压损伤愈合评价方法。
背景技术
作为世界上使用范围最多最广的建筑材料，混凝土结构常因在服役期间受到重力、地震和风荷载等荷载作用和氯离子侵蚀、干湿冷热交替等环境影响引起结构劣化，致使结构内部产生难以修复的损伤，服役年限降低，严重影响其安全性和耐久性。随着科技的发展，自愈合材料在工程领域中被逐步应用，将自愈合材料应用在混凝土结构中，可以减小构件内部损伤和微裂缝，提高结构安全性及耐久性。
随着应用在土木工程领域内自愈合材料种类的增多，评价混凝土自愈合的方法和指标也日益增加，通过不同评价混凝土愈合性能的方法和指标来表征混凝土的愈合效率和愈合产物，能够更好的评价自愈合混凝土愈合系统的有效性及稳定性，对自愈合混凝土更好的应用在实际工程中意义重大。目前，没有确定混凝土自愈合效果的标准化或通用的方法，大多数通过外部与内部检测相结合的方法，以外部损伤和内部损伤两大指标对自愈合混凝土的愈合效率进行综合评定。常用外部检测方法包括宏观力学性能测试、表观裂缝闭合程度测试等，内部检测方法包括声发射测试、尾波干涉测试、谐振频谱测试等。一些文献不仅通过外部裂缝宽度评价愈合情况，还通过快速氯离子渗透试验或空气渗透率测试等间接评估试件内部裂缝填充程度。但大多数还是采用力学性能试验，如四点弯曲试验、单轴抗压或单轴抗拉试验直接评价或共振频率等间接评价材料的自愈合情况。
目前关于混凝土自愈合效率的评估手段单一，评价尺度也仅在一个维度上，难以综合评定混凝土在多个维度上的愈合效果，此外，大量学者对自愈合混凝土在弯拉荷载作用下的愈合性能和愈合效率进行研究，而忽略了材料在受压载荷下的自愈合性能。因此，亟需一种合理的评价方法来量化评价混凝土在受压状态下多方面的自愈合效率，考量自愈合混凝土在微观和裂缝等方面的愈合能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自愈合混凝土受压损伤愈合评价方法，该方法有利于综合评定混凝土材料受压自愈合性能。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种自愈合混凝土受压损伤愈合评价方法，包括：
S1、通过内部损伤和表观裂缝愈合指标公式定量评估自愈合混凝土在受压荷载作用下的愈合程度；
S2、由所述愈合指标公式分别确定内部损伤和表观裂缝相对应的目标参数，所述目标参数的具体参数值通过相应的测试方法确定；
S3、将参数值代入相对应的内部损伤和裂缝愈合指标公式，获取自愈合混凝土受压损伤后内部和裂缝的愈合效率。
进一步地，所述步骤S1中，根据如下公式获取内部损伤作用下的愈合效率：
其中，为基于超声波声速的内部损伤恢复率(％)，Ep和En分别为试件在愈合前和愈合后的相对动弹性模量，E0为无损条件下的相对动弹性模量，取值为100％。
进一步地，所述愈合指标对应参数为相对动弹性模量E，通过超声脉冲测试并按以下公式计算获得：
其中，Vp、Vn和V0分别表示试件在愈合前、后和无损情况下的超声波速(km/s)。
进一步地，所述步骤S1中，根据如下公式获取表观裂缝作用下的愈合效率：
其中，h为基于毛细吸水速率的表观裂缝恢复率(％)，取值范围为0≤h≤1，当计算所得h≥1时取1，当计算所得h≤0时取0，η为吸水率变化幅度(％)，S0和S1分别为无损及不同损伤程度下试件的初始吸水率(mm·s-1/2)。
进一步地，所述愈合指标对应参数为初始吸水率S，通过毛细吸水测试并按以下公式计算获得：
其中，I为单位截面面积上试件的累计吸水量(mm)，mt为单位时间内试件的吸水质量(g)，a为试件与水的接触面积(mm2)，d为水的密度(g/mm3)，t为吸水时间(s)，Sa为试件损伤自愈后的初始吸水率(mm/s1/2)，S0为试件完好无损下的初始吸水率(mm/s1/2)，b为纵轴截距(mm2)。
进一步地，所述毛细吸水测试的实现方法为：将垂直于试件浇筑面的四个侧面涂刷环氧树脂，待环氧树脂干燥后将试件放入温度为70±5℃，相对湿度为(80±3)％的烘干箱内烘烤48h至质量恒定后取出，待降至室温后用塑料薄膜对其浇筑面进行密封并固定，以保证试件自下而上的一维吸水过程，然后将试件置于支撑装置上使其底面与水接触，水面高出试件底面1～3mm，按照规定时间间隔0、1、5、10、20、30min，1、2、3、4、5、6h及1、2、3、4、5、6、7、8d对试件进行称重。
进一步地，通过毛细吸水测试获取材料不同时间段的质量，随后获取材料在单位时间内的吸水质量，并基于此计算得到材料的累积吸水量，然后以累积吸水量为因变量，吸水时间为自变量对所述参数进行回归分析得到材料的初始吸水率，通过计算材料在损伤自愈前后的初始吸水率之差与损伤前初始吸水率的比值得到η值并进一步得到表观裂缝恢复率。
进一步地，计算所得的内部损伤恢复率和表观裂缝恢复率越大，说明自愈合混凝土内部损伤恢复效果越好，裂缝愈合程度越高，自愈合效率越高，材料的愈合性能越好。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明在确定自愈合混凝土在不同受压损伤程度下的超声脉冲声速值V和单位时间内试件的吸水质量m两大参数值的情况下，可直接计算出材料内部损伤和裂缝下的愈合效率，该法易于操作，简单可行，可定量评定材料的愈合效率；
2、本方法提供一种自愈合混凝土受压损伤作用下的愈合指标公式，可准确有效的评价自愈合混凝土在受压载荷作用下的愈合程度；
3、本方法可基于微观和裂缝两方面评价混凝土材料自愈合性能，能在多个维度上综合评定材料的愈合效果，其结果更加全面、真实、可靠。
附图说明
图1是本发明实施例的方法实现流程图；
图2是本发明实施例中毛细吸水装置示意图；
图3是本发明实施例中毛细吸水试验过程；其中，(a)试件烘干，(b)试件浸泡；
图4是本发明实施例中累计吸水曲线双线性规律示意图；
图5是本发明实施例中各试件累计吸水曲线；其中(a)ECC，(b)自愈合混凝土。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
S1、通过内部损伤和表观裂缝愈合指标公式定量评估自愈合混凝土在受压荷载作用下的愈合程度。
S2、由所述愈合指标公式分别确定内部损伤和表观裂缝相对应的目标参数，所述目标参数的具体参数值通过相应的测试方法确定。
S3、将参数值代入相对应的内部损伤和裂缝愈合指标公式，获取自愈合混凝土受压损伤后内部和裂缝的愈合效率。
下面对本实施例作进一步展开说明。
1.试件制备和试验测试
本实施例所选自愈合混凝土为SMA-ECC，具备良好的应变硬化、拉压韧性、多缝开裂、变形及耗能能力，在弯曲荷载卸载后可百分百愈合宽度小于50μm的裂缝，有效恢复材料的弯曲性能和内部损伤，对比例所选为ECC，所选试验材料包括P.O42.5普通硅酸盐水泥，5000目特级优质粉煤灰，1000目S95矿渣粉，100目石英砂，直径为0.04mm，长度为12mm的聚乙烯醇(PVA)纤维和直径为0.6mm，长度为16mm的形状记忆合金(SMA)纤维，自来水和Point-TS8聚羧酸高效减水剂。自愈合混凝土所需超弹性SMA纤维需放入550℃高温炉中保温半小时左右然后取出水冷以便提高SMA的超弹性性能，ECC除无超弹性SMA纤维外其余组分与自愈合混凝土相同。
按照《纤维混凝土试验方法标准》CECS13:2009制作自愈合混凝土和ECC试件，试件采用40mm×40mm×160mm的棱柱体试模，具体制备流程如下：
(1)进行原材料的配制；
(2)将胶凝材料与石英砂混合，倒入搅拌机干拌1分钟，干拌完成后加入水和部分减水剂进行湿拌，湿拌直至浆体稳定均匀流动即可，湿拌过程约3分钟。
(3)先加入PVA纤维，搅拌一分钟后加入SMA纤维继续搅拌，期间倒入剩余的减水剂(其具体掺量以实际搅拌情况和流动性而定)，两种纤维加入完成后搅拌5分钟直至纤维分散均匀。
(4)在指定模具中按要求浇筑拌好的混合物，随后将模具放在振动台上振捣均匀，期间需将试件表面抹平。
(5)待步骤(4)完成后将模具放置在阴凉平地上，24h后脱模，然后放入标准养护室(温度20±2℃，相对湿度95％以上)养护，持续28天。
养护完成后，按照《纤维混凝土试验方法标准》CECS13:2009进行抗压强度测试，试验在万能试验机进行，具体加载方案如下：
(1)养护室取出试件，放于室内静置4小时左右，待试件表面水分消失殆尽后测量其长度，精确至±1mm。
(2)为保证加载过程中试件受力均匀，将浇筑时试件的侧面作为抗压试验的上下受力面，将试件置于试验机的钢垫板上，使试件轴心与下压板中心对准。
(3)加载过程采用采用力控制，以0.5MPa/s的速率均匀连续的加载直至试件破坏，并记录此时万能试验机中的数据。
按下式计算棱柱体试件的试验结果：
式中，fc是SMA-ECC和ECC的轴心抗压强度(MPa)；F为试件承受的最大荷载(N)；A为试件承压面积(m2)。
超声脉冲测试的检测对象为进行抗压二次加载的试件，每个试件测量三次，量测时间分别为未加载前无损条件时、进行抗压加载达到指定预应力卸载时、毛细吸水测试完成时。通过测量不同阶段材料声学参数的变化来评估其自愈合效率。为了减小测量误差，测量前将耦合剂均匀涂抹至试件两端，消除换能器与试件表面间可能存在的间隙，然后对试件两端进行超声脉冲测试并记录测点的主频、波幅、声时等声学参数。采用“检测数据分析处理系统”软件对测定的声学参数进行分析处理，依据《超声法检测混凝土缺陷技术规程》中有关声学参数计算统计方法，通过设置基本参数并导入超声波检测仪中的数据即可生成数据检测报告，包含声速、波幅等声学参数的平均值、标准差和波形图。
毛细吸水试验依据ASTM C1585-13测量方法进行，试验装置如图2所示，试验对象为进行抗压二次加载的所得不同预损程度的试件。试验前将垂直于试件浇筑面的四个侧面涂刷环氧树脂，待环氧树脂干燥后将试件放入温度为70±5℃，相对湿度为(80±3)％的烘干箱内烘烤48h至质量恒定后取出，待降至室温后用塑料薄膜对其浇筑面进行密封并固定，以保证试件自下而上的一维吸水过程，测量试件底面相邻边的长度共三次并计算接触面积，然后将试件置于支撑装置上使试件底面与水接触，水面高出试件底面约1～3mm，按照规定时间间隔0、1、5、10、20、30min，1、2、3、4、5、6h及1、2、3、4、5、6、7、8d对试件进行称重，为减少试验误差，每组三个试件，对其质量结果取平均值，质量精确至0.1g，时间精确至1s，试验过程如图3所示。
2.内部损伤愈合评价
步骤1：根据内部损伤愈合指标公式，确定所需获取的参数值超声脉冲声速值V；将养护28天后的自愈合混凝土和ECC试件按照《纤维混凝土试验方法标准》CECS 13:2009进行抗压强度测试，每组取三个试件的抗压强度的平均值作为自愈合混凝土和ECC的抗压强度值σc。
步骤2：另取完好无损条件下的自愈合混凝土和ECC试件进行抗压二次加载试验对试件造成不同程度的损伤。根据步骤一确定的自愈合混凝土和ECC试件的抗压强度值，利用万能试验机加预加载试件加载至目标应力，目标应力分别为抗压强度值的50％、70％和90％，分别记为0.5σc，0.7σc和0.9σc，获取在受压载荷作用下不同损伤程度的自愈合混凝土和ECC试件。
步骤3：对不同损伤程度下的自愈合混凝土和ECC进行超声脉冲测试，获取不同损伤程度下自愈合混凝土的超声脉冲声速值V。自愈合混凝土和ECC的超声脉冲测试结果为：
表1超声脉冲测试结果
步骤4：通过公式：
计算材料在自愈前后的相对动弹性模量Ep，En，材料在无损条件下的相对动弹性模量E0为100％，自愈合混凝土和ECC在自愈前后的相对动弹性模量如表2所示。
表2相对动弹性模量计算结果
步骤5：通过步骤4获取材料在自愈前后的相对动弹性模量后，按照如下公式计算材料在抗压预损后的内部损伤恢复率：
内部损伤恢复率(％)可定量评价材料在受压载荷作用下内部损伤愈合后的自愈效率，自愈合混凝土和ECC在内部损伤下的愈合效率结果分别为：
表3自愈合混凝土和ECC的内部损伤自愈合程度
3.裂缝愈合评价
步骤1：根据裂缝愈合指标公式，确定所需获取的参数值为初始吸水率S；将养护28天后的自愈合混凝土和ECC试件按照《纤维混凝土试验方法标准》CECS 13:2009进行抗压强度测试，每组取三个试件的抗压强度的平均值作为自愈合混凝土和ECC的抗压强度值σc。
步骤2：另取完好无损条件下的自愈合混凝土和ECC试件进行抗压二次加载试验对试件造成不同程度的损伤。根据步骤一确定的自愈合混凝土和ECC试件的抗压强度值，利用万能试验机加预加载试件加载至目标应力，目标应力分别为抗压强度值的50％、70％和90％，分别记为0.5σc，0.7σc和0.9σc，获取在受压载荷作用下不同损伤程度的自愈合混凝土和ECC试件。
步骤3：对不同损伤程度下的自愈合混凝土和ECC进行毛细吸水测试，测试方法依据ASTM C1585-13量测方法进行，获取不同损伤程度下自愈合混凝土和ECC在规定时间间隔内的质量差。按照如下公式计算获取材料的毛细吸水量I：
通过计算所得各试件的毛细吸水量I，获得累计吸水量与规定时间间隔算数平方根之间的关系，自愈合混凝土和ECC的累计毛细吸水量分别为表4和表5所示：
表4 ECC的累计毛细吸水量
表5自愈合混凝土的累计毛细吸水量
步骤5：自愈合混凝土和ECC的累计吸水曲线如图5所示，由图5可知自愈合混凝土和ECC的吸水过程分为两个阶段，每个阶段内水分的传输机理不同，前期阶段为毛细孔的快速填充吸附，后期为试件内部非贯通孔隙的缓慢吸附，两阶段对应的斜率分别为初始吸水率和后期吸水率，试件的吸水率可由累计吸水曲线代下式拟合得到：
将初始吸水率记为S1，后期吸水率记为S2，由图5知两阶段曲线在时间约为120min时分界较为明显，此时累计吸水曲线上对应的点即为拐点，如图4所示。前期吸水率和后期吸水率的拐点约为120min(即t0 1/2)，用上式对所有试件的累计吸水曲线分段拟合，平均吸水率S由S1与S2的平均值获得。
步骤6：计算材料在自愈前后的初始吸水率S(mm/s1/2)，具体为根据不同时间段内试件吸水后的总质量计算获得其在单位时间内的吸水质量，并通过上述公式计算得到材料的累积吸水量，然后以累积吸水量为因变量，吸水时间为自变量对所述参数进行回归分析得到材料的初始吸水率，自愈合混凝土和ECC的累积吸水量和初始吸水率计算结果见表6和图5：
表6自愈合混凝土和ECC的初始吸水率
注：荷载水平为0时即完好条件下试件的初始吸水率。
步骤7：通过公式：
计算材料的裂缝恢复率h(％)，定量评价材料在受压载荷作用下裂缝愈合后的自愈效率，自愈合混凝土和ECC在裂缝作用下的愈合效果为：
表7自愈合混凝土和ECC的裂缝自愈合程度
4.受压愈合评价效果
本发明提供一种受压损伤愈合评价方法，通过获知混凝土损伤前后的参数指标，将其代入相应的评价指标公式可定量评价自愈合混凝土的愈合情况，实施例中选用的自愈合混凝土为SMA-ECC，其具备良好的裂缝及内部损伤自愈合能力，对比例为ECC，采用抗压二次加载试验对材料造成不同程度损伤，通过超声脉冲测试和毛细吸水测试获取相应的目标参数值从而获取材料的自愈合效率，具体实施效果如表8所示。
表8自愈合混凝土和ECC的自愈合程度
综上所述，本发明方法能较好的反应自愈合混凝土SMA-ECC卓越的裂缝和内部损伤自修复能力，可以定量评价不同自愈合材料的愈合效率，该法简单可行、易于操作。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (8)
1.一种自愈合混凝土受压损伤愈合评价方法，其特征在于，包括：
S1、通过内部损伤和表观裂缝愈合指标公式定量评估自愈合混凝土在受压荷载作用下的愈合程度；
S2、由所述愈合指标公式分别确定内部损伤和表观裂缝相对应的目标参数，所述目标参数的具体参数值通过相应的测试方法确定；
S3、将参数值代入相对应的内部损伤和裂缝愈合指标公式，获取自愈合混凝土受压损伤后内部和裂缝的愈合效率。
2.根据权利要求1所述的一种自愈合混凝土受压损伤愈合评价方法，其特征在于，所述步骤S1中，根据如下公式获取内部损伤作用下的愈合效率：
其中，为基于超声波声速的内部损伤恢复率，Ep和En分别为试件在愈合前和愈合后的相对动弹性模量，E0为无损条件下的相对动弹性模量，取值为100％。
3.根据权利要求2所述的一种自愈合混凝土受压损伤愈合评价方法，其特征在于，所述愈合指标对应参数为相对动弹性模量E，通过超声脉冲测试并按以下公式计算获得：
其中，Vp、Vn和V0分别表示试件在愈合前、后和无损情况下的超声波速。
4.根据权利要求1所述的一种自愈合混凝土受压损伤愈合评价方法，其特征在于，所述步骤S1中，根据如下公式获取表观裂缝作用下的愈合效率：
其中，h为基于毛细吸水速率的表观裂缝恢复率，η为吸水率变化幅度，S0和S1分别为无损及不同损伤程度下试件的初始吸水率。
5.根据权利要求4所述的一种自愈合混凝土受压损伤愈合评价方法，其特征在于，所述愈合指标对应参数为初始吸水率S，通过毛细吸水测试并按以下公式计算获得：
其中，I为单位截面面积上试件的累计吸水量，mt为单位时间内试件的吸水质量，a为试件与水的接触面积，d为水的密度，t为吸水时间，Sa为试件损伤自愈后的初始吸水率(mm/s1 /2)，S0为试件完好无损下的初始吸水率，b为纵轴截距。
6.根据权利要求5所述的一种自愈合混凝土受压损伤愈合评价方法，其特征在于，所述毛细吸水测试的实现方法为：将垂直于试件浇筑面的四个侧面涂刷环氧树脂，待环氧树脂干燥后将试件放入温度为70±5℃，相对湿度为(80±3)％的烘干箱内烘烤48h至质量恒定后取出，待降至室温后用塑料薄膜对其浇筑面进行密封并固定，以保证试件自下而上的一维吸水过程，然后将试件置于支撑装置上使其底面与水接触，水面高出试件底面1～3mm，按照规定时间间隔0、1、5、10、20、30min，1、2、3、4、5、6h及1、2、3、4、5、6、7、8d对试件进行称重。
7.根据权利要求5所述的一种自愈合混凝土受压损伤愈合评价方法，其特征在于，通过毛细吸水测试获取材料不同时间段的质量，随后获取材料在单位时间内的吸水质量，并基于此计算得到材料的累积吸水量，然后以累积吸水量为因变量，吸水时间为自变量对所述参数进行回归分析得到材料的初始吸水率，通过计算材料在损伤自愈前后的初始吸水率之差与损伤前初始吸水率的比值得到η值并进一步得到表观裂缝恢复率。
8.根据权利要求1所述的一种自愈合混凝土受压损伤愈合评价方法，其特征在于，计算所得的内部损伤恢复率和表观裂缝恢复率越大，说明自愈合混凝土内部损伤恢复效果越好，裂缝愈合程度越高，自愈合效率越高，材料的愈合性能越好。
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| CN202310929716.9A CN116930466A (zh) | 2023-07-27 | 2023-07-27 | 一种自愈合混凝土受压损伤愈合评价方法 |
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| CN202310929716.9A CN116930466A (zh) | 2023-07-27 | 2023-07-27 | 一种自愈合混凝土受压损伤愈合评价方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118169372A (zh) * | 2024-03-13 | 2024-06-11 | 广东科德检测技术有限公司 | 一种混凝土结构损伤检测系统及方法 |
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2023
- 2023-07-27 CN CN202310929716.9A patent/CN116930466A/zh active Pending
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