[发明专利]一种可视化表征水泥基材料水分空间分布和含量的方法

权利要求书

1.一种可视化表征水泥基材料水分空间分布和含量的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、取一成型好并养护一定龄期的水泥基材料，干燥得到试样；

步骤二、用石蜡密封步骤一得到的试样除浸水面外的所有端面和侧面，以避免水分从侧面侵入试样内部；随后将试样放入平底容器中，浸水面用小垫块支撑；

步骤三、将步骤二所述平底容器置于X-CT成像装置台上，往平底容器中注入高出试样浸水面一定距离的水进行毛细吸水实验，同时开启X-CT成像装置，对水分侵入试样进行X-CT成像；

步骤四、根据步骤三获得的X-CT图像进行灰度分析，得到试样毛细吸水深度的变化；根据公式1-4b，利用毛细吸水深度和吸水时间，得到毛细吸水深度系数，再根据公式1-11，利用毛细吸水深度系数和试样孔隙率，得到毛细吸水质量系数，之后根据公式1-10a，利用毛细吸水质量系数和吸水时间，得到毛细吸水质量的变化；其中，

公式1-4b为：y＝A·t^1/2，y为毛细吸水深度，A为毛细吸水深度系数，t为吸水时间；

其中，式中，r为毛细孔半径，σ为表面张力，θ为表面张力会在气-液-固交界处形成的接触角，η为水的粘滞系数；

公式1-11为：B＝ρφA，B为毛细吸水质量系数，ρ为水的密度，为试样孔隙率，A为毛细吸水深度系数；

公式1-10a为：i＝B·t^1/2,i为试样单位横截面面积上的累计吸水质量，B为毛细吸水质量系数，t为吸水时间；

其中，式中，B为毛细吸水质量系数，φ为多孔水泥基复合材料的孔隙率，ρ为水的密度，r为毛细孔半径，σ为表面张力，θ为表面张力会在气-液-固交界处形成的接触角，η为水的粘滞系数；

上述的公式1-4b，1-11，1-10a由以下步骤得到：

根据Hagen-Poiseuille方程，在外部压力作用下单个圆柱形毛细管内水分迁移方程为：

dvdt=πr48η·ΔPy---(1-1)]]>

式中v表示毛细吸水体积，t为吸水时间，r为毛细孔半径，η为水的粘滞系数，y为毛细吸水深度；

根据Laplace方程，毛细孔内吸附水分达到平衡时，由于存在表面张力会在气-液-固交界处形成一个接触角θ，并在液体表面产生一个压力差△P：

ΔP=2σcosθr---(1-2)]]>

其中σ为表面张力；

又因为毛细管中吸水量与吸水高度之间的关系为：

dv＝πr²dy(1-3)

联立方程1-1,1-2和1-3可得水泥基复合材料毛细吸水渗透深度y，mm与吸水时间t，h的关系：

dydt=rσcosθ4ηy---(1-4a)]]>

y=rσcosθ2ηt=A·t1/2---(1-4b)]]>

A=rσcosθ2η---(1-4c)]]>

式中A为毛细吸水深度系数；由式1-4c看出毛细吸水深度系数只与水泥基复合材料毛细孔径、表面张力、接触角以及粘滞系数密切相关，因此对于同一种材料的一维毛细吸水过程，其毛细吸水深度系数为常数；

则单个毛细孔的累计毛细吸水体积量可以用式(1-5)表示：

v=πr2y=πr2σcosθ2ηt---(1-5)]]>

假定水泥基复合材料内部的毛细孔为多维随机平行分布的圆柱形孔，当一维方向含有n个毛细孔，则毛细吸水导致增加的体积V为：

V=nv=nπr2rσcosθ2ηt---(1-6)]]>

由于在实验过程中，往往更易测量毛细吸水的重量而不是体积，因此将式(1-6)中的混凝土毛细吸水体积换算成增加的重量W；

W=ρV=nρπr2rσcosθ2ηt---(1-7)]]>

式中ρ为水的密度；

多孔水泥基复合材料的孔隙率可以用下式表示：

φ=VpV=nπr2S---(1-8)]]>

其中V_p为毛细孔体积，V表示试样体积，S为与水接触的面积；

将式(1-8)代入式(1-7)中可得：

W=φSρrσcosθ2ηt---(1-9)]]>

则当吸水时间为t时，试样单位横截面面积上的累计吸水质量i，g/mm²为：

i=W/S=φρrσcosθ2ηt=B·t1/2---(1-10a)]]>

B=φρrσcosθ2η---(1-10b)]]>

式中B为毛细吸水质量系数；

根据式(1-4c)和式(1-10b)得到水泥基复合材料毛细吸水深度系数与质量系数之间的关系为：

B＝ρφA(1-11)