本发明属于水泥砂浆耐久性多尺度研究领域，具体的说是一种基于超临界碳化的水泥砂浆孔隙率标定的方法。
背景技术：
：水泥砂浆在土木工程、水利工程等领域的使用广泛，水泥砂浆是一种多孔介质材料，在对使用了水泥砂浆的建筑物或构筑物进行耐久性评估时往往需要获得材料的平均孔隙率，以对建筑物或构筑物的当前使用情况进行评估，以便为其后期检测鉴定加固提供指导。当前水泥砂浆的平均孔隙率测定往往采用压汞实验进行，然而工程结鉴定时需要测量水泥砂浆平均孔隙率的样本量往往比较多，采用压汞实验的方法测量时存在一些问题：(1)如果测试样品量较多，会造成成本相对较高；(2)压汞实验对样品的制作要求较高，样品量多时前期的制样准备时间较长；(3)压汞仪一般每次测量的样品比较少，而且实验过程耗时长。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种基于超临界碳化的水泥砂浆孔隙率标定的方法。本发明操作步骤简单、设计合理、实现方便、使用效果好。且本发明提出的水泥砂浆平均孔隙率标定的方法投入成本低，能够较好的应用于工程结构耐久性评估中。为了解决上述问题，针对现有技术存在的不足本发明提供的技术方案是，一种基于超临界碳化的水泥砂浆孔隙率标定的方法，包括如下步骤：步骤1，对同一种水泥砂浆试件分别进行压汞试验和超临界碳化试验，通过压汞试验得到水泥砂浆的平均孔隙率，通过超临界碳化试验得到试件的碳化结果；步骤2，对超临界碳化试验碳化结果进行处理，获取碳化深度沿碳化区域边界的分布；步骤3，将压汞试验得到的平均孔隙率值代入超临界碳化数值模型中的孔隙率随机场模型中，选取不同孔隙率随机场模型自相关长度和孔隙率变异系数，将这两个参数也代入到水泥砂浆超临界碳化数值模型中的孔隙率随机场模型中进行数值模拟，得到不同自相关长度和孔隙率变异系数下的碳化深度分布；步骤4，获取相同条件下水泥砂浆超临界碳化试验和数值模拟的碳化深度平均值、最大值、最小值、方差及功率谱分布，比较试验和数值模拟得到的各项结果之间的差异，若其中一项或几项相差大，则按照步骤3再次选择不同的自相关长度和孔隙率变异系数进行数值模拟；若上述参数均相差不大，则通过功率谱密度标定出孔隙率随机场模型自相关长度，通过方差的比较标定出孔隙率变异系数；步骤5，进行不同种水泥砂浆超临界碳化试验并得到试验碳化深度分布，在水泥砂浆超临界碳化模型的孔隙率随机场模型中代入确定的孔隙率随机场模型参数，即由步骤4获得的两个参数，孔隙率随机场模型自相关长度和孔隙率变异系数，根据水泥砂浆平均孔隙率分布范围选择不同的平均孔隙率并对超临界碳化试验进行数值模拟，得到数值模拟结果的碳化深度分布；步骤6，获取并比较不同种水泥砂浆超临界碳化试验和不同平均孔隙率下数值模拟的碳化深度平均值、最大值、最小值、方差及功率谱分布，若试验和数值模拟得到的其中一项或几项相差大，则按照步骤5再次选择不同的平均孔隙率进行数值模拟；若上述参数均相差不大，则标定出水泥砂浆的平均孔隙率。进一步的，步骤2中对超临界碳化试验碳化结果进行处理的具体步骤为，首先将试件的边界和碳化的边界描绘出来，并将图像进行保存成图片格式；然后使用matlab导入这些需要处理的图片，先找出图片中正方形试件的四个角点坐标，然后在碳化边界封闭曲线上找出距离四个角点最近的四个点坐标，a(x1,y1)、b(x2,y2)、c(x3,y3)、d(x4,y4)；碳化边界上的这四个点将碳化边界分成了四段：ab(y2-y1)、bc(x3-x2)、cd(y3-y4)、da(x4-x1)；从a点开始，按顺时针方向获取碳化边界上的点到对应试件边缘的垂直距离，换算成碳化深度，最终得到沿着碳化区域边界长度的碳化深度分布图。进一步的，步骤4中具体通过比较相同碳化时间下模拟和试验得到的功率谱密度分布曲线中功率谱密度最大值对应的主频率来标定出自相关长度，通过比较相同碳化时间下模拟和试验得到的碳化深度方差来标定出孔隙率变异系数。进一步的，步骤4和步骤6中，若试验值与模拟值差值的绝对值和试验值的比值小于等于5％，即判断参数相差不大；若比值大于5％，即判断参数相差大。进一步的，步骤1中对超临界碳化后的试件进行切割、打磨、清理切割破坏面上的颗粒和灰尘并喷洒酚酞试剂，获得试件的碳化结果。本发明的优点和有益效果是：1.通过本发明方法，可以先对一种水泥砂浆试件进行超临界碳化试验和压汞试验，并结合超临界碳化数值结果，标定出超临界碳化数值模型中的孔隙率随机场模型的自相关长度和孔隙率变异系数；2.本发明方法可以对大量的不同品种的水泥砂浆进行超临界碳化试验，并与不同平均孔隙率下的碳化结果进行对比，从而标定出与试验对应品种的水泥砂浆的平均孔隙率；3.与直接采用压汞仪进行大量的压汞试验相比，本发明方法可以节省时间、实现方便，投入成本低；4.本发明方法能够很好的应用于建筑物或构筑物的耐久性评估中，可以为评估工程实际使用的水泥砂浆的材料特性提供参考和指导。附图说明图1是本发明的水泥砂浆平均孔隙率标定的流程图；图2是本发明的水泥砂浆超临界碳化试验结果图；图3是本发明的图像处理方法图，a、b、c、d分别为碳化边界封闭曲线上距离图片四个角点最近的四个点；x1～x4，y1～y4分别为碳化边界封闭曲线上四个角点a、b、c、d的横坐标和纵坐标；y2-y1，x3-x2，y3-y4，x4-x1分别为ab、bc、cd和da段碳化边界长度；depth(i)为碳化边界上第i个点的碳化深度；图4是本发明的碳化深度的分布图；图5是本发明的超临界碳化数值模拟得到的碳化结果图；图6是本发明的试验和数值模拟得到的碳化深度分布的功率谱密度曲线图。具体实施方式一种基于超临界碳化的水泥砂浆孔隙率标定的方法，先进行其中一种水泥砂浆试件的超临界碳化试验和压汞试验，将压汞试验得到的平均孔隙率结果输入到超临界碳化数值模型中，进行不同自相关长度a与b和孔隙率变异系数cvp这两个孔隙率随机场模型参数下的超临界碳化数值模拟。将超临界碳化的试验和数值模拟结果进行对比，进而反向标定出孔隙率随机场模型中的自相关长度a与b和孔隙率变异系数cvp。将标定出的孔隙率随机场模型中的自相关长度a与b和孔隙率变异系数cvp输入到超临界碳化数值模型的孔隙率随机场模型中进行不同平均孔隙率εm下的超临界碳化数值模拟，并进行不同种水泥砂浆试件的超临界碳化试验，将超临界碳化数值和试验结果进行对比，从而标定出不同种水泥砂浆的平均孔隙率。为了更进一步解释本发明的技术方案，下面通过100mm×100mm×100mm的水泥砂浆试件为具体实施例来对发明进行详细的阐述，如图1所示，本发明实施例包括以下步骤：步骤1：对同一种水泥砂浆试件分别进行压汞试验和超临界碳化试验，通过压汞试验得到水泥砂浆的平均孔隙率，对超临界碳化后的试件进行切割、打磨、清理切割破坏面上的颗粒和灰尘并喷洒酚酞试剂，获得试件的碳化结果，试验碳化结果见图2；(以100mm×100mm×100mm的水泥砂浆试件为例，下同)步骤2：采用图像处理技术对试验碳化结果进行处理，获取碳化深度沿碳化区域边界的分布，图像处理方法如下：首先将试件的边界和碳化的边界描绘出来，如图3所示，试件边界和碳化边界均为白色线条，其他的填充区域为黑色，并将图像进行保存成图片格式。使用matlab导入这些需要处理的图片，先找出图片中正方形试件的四个角点坐标，然后在碳化边界封闭曲线上找出距离四个角点最近的四个点坐标，如图3所示a(x1,y1)、b(x2,y2)、c(x3,y3)、d(x4,y4)。碳化边界上的这四个点将碳化边界分成了四段：ab(y2-y1)、bc(x3-x2)、cd(y3-y4)、da(x4-x1)。从a点开始，按顺时针方向获取碳化边界上的点到对应试件边缘的垂直距离，最后换算成碳化深度，最终得到沿着碳化区域边界长度的碳化深度分布图，如图4所示，图4中碳化深度与碳化边界长度的关系曲线为从碳化边界上a点开始顺时针选取点，依次将ab，bc，cd和da连接起来，构成碳化区域边界长度，碳化边界上的点到对应试件边长垂直距离即为碳化深度，每个处于碳化边界上的点在对应碳化边界上的位置和碳化深度是一一对应的；步骤3：将压汞试验得到的平均孔隙率值代入超临界碳化数值模型[1]的孔隙率随机场模型中，依据相关文献给出的范围，选取不同孔隙率随机场模型自相关长度和孔隙率变异系数，将这两个参数也代入到水泥砂浆超临界碳化数值模型的孔隙率随机场模型中进行数值模拟，得到不同自相关长度和孔隙率变异系数下的碳化深度分布，模拟得到的碳化结果见图5；孔隙率随机场模型的控制方程为：式中φ(x,y)为椭圆形自相关函数；a和b分别为x和y方向上的自相关长度；r为粗糙度系数(当r＝0时，公式为高斯自相关函数)，具体见论文：yum,baoh,yej,etal.theeffectofrandomporosityfieldonsupercriticalcarbonationofcement-basedmaterials.constructionandbuildingmaterials,2017,146:144-155.本发明中假定x和y方向上的自相关长度a＝b，孔隙率变异系数是人为设定的取值范围0.0～1.0。[1]zhax,yum,yej,etal.numericalmodelingofsupercriticalcarbonationprocessincement-basedmaterials.cementandconcreteresearch,2015,72:10-20.步骤4：获取相同条件下水泥砂浆超临界碳化试验和数值模拟的碳化深度平均值、最大值、最小值、方差及功率谱分布，比较试验和数值模拟得到的各项结果是否相差不大，若其中一项或几项相差大，则按照步骤3再次选择不同的自相关长度和孔隙率变异系数进行数值模拟；若上述参数均相差不大，即试验值与模拟值差值的绝对值和试验值的比值不大于5％(具体实施时，本领域技术人员可以根据实际情况选择该相对误差的取值)，则通过功率谱密度标定出孔隙率随机场模型自相关长度，通过方差的比较标定出孔隙率变异系数，具体为通过比较相同碳化时间下模拟和试验得到的功率谱密度分布曲线中功率谱密度最大值对应的主频率来标定出自相关长度，通过比较相同碳化时间下模拟和试验得到的碳化深度方差来标定出孔隙率变异系数。试验和数值模拟得到的碳化深度分布的功率谱密度曲线见图6；频率和功率谱密度之间的关系为碳化深度沿碳化区域边界长度变化这一随机过程的平均功率沿频率轴的分布，其中功率谱密度最大值对应的频率为这一随机过程的主频率。图6中四条线分别为碳化时间为7.5小时，自相关长度a＝b为0.008m，孔隙率变异系数分别取为0.1，0.2，0.3的模拟及试验碳化深度分布对应的功率谱密度曲线。步骤5：进行不同种水泥砂浆超临界碳化试验并得到试验碳化深度分布；在水泥砂浆超临界碳化数值模型的孔隙率随机场模型中代入确定的孔隙率随机场模型参数，即由步骤4获得的两个参数：孔隙率随机场模型自相关长度和孔隙率变异系数，根据水泥砂浆平均孔隙率分布范围选择不同的平均孔隙率并对超临界碳化试验进行数值模拟，得到数值模拟结果的碳化深度分布；本发明中泥砂浆平均孔隙率分布范围参考文献yamanio,hearnn,aktanhm.activeandnon-activeporosityinconcrete-parti:experimentalevidence.materialsandstructures,2002,35(246):102-109.table4中间的孔隙率变化范围。步骤6：获取并比较不同种水泥砂浆超临界碳化试验和不同平均孔隙率下数值模拟的碳化深度平均值、最大值、最小值、方差及功率谱分布，若试验和数值模拟得到的其中一项或几项相差大，则按照步骤5再次选择不同的平均孔隙率进行数值模拟；若上述参数均相差不大，即试验值与模拟值差值的绝对值和试验值的比值不大于5％(具体实施时，本领域技术人员可以根据实际情况选择该相对误差的取值)，则标定出水泥砂浆的平均孔隙率。本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属
技术领域：
：的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。当前第1页12当前第1页12