[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

摘要

本发明公开一种可视化表征水泥基材料水分空间分布和含量的方法取一成型好并养护一定龄期的水泥基材料，干燥得到试样；用石蜡密封试样除浸水面外的所有端面和侧面；将试样放入平底容器中，浸水面用小垫块支撑；将平底容器置于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；对X‑CT图像进行灰度分析，得到试样毛细吸水深度的变化；利用毛细吸水深度和时间，得到毛细吸水深度系数；利用毛细吸水深度系数和试样孔隙率，得到试样毛细吸水质量的变化。本发明方法不仅能够定量表征水分侵入深度的演变，还能够准确预测毛细吸水质量的变化。

主权项

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·t1/2，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·t1/2,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Vp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)