基于液态簧振动力学谱方法检测水泥水化反应的方法
【专利摘要】本发明属于应用物理领域，具体来讲公开了一种基于液态簧振动力学谱方法检测水泥水化反应的方法。本发明解决了从分子层次到细观层次的微结构演化水泥水化过程和混凝土材料的裂纹萌生过程的问题，提供了一种基于液态簧振动力学谱方法检测水泥水化反应和水泥裂纹萌生的方法，测量过程操作简单，测量精确度高。
【专利说明】基于液态簧振动力学谱方法检测水泥水化反应的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于应用物理领域，具体来讲公开了一种基于液态簧振动力学谱方法检测水泥水化反应的方法。
【背景技术】
[0002]水泥基材料和混泥土是现代最重要的建筑材料。该材料在制造和使用过程中，不可避免地会产生微裂纹和局部损伤，这是由于水化反应和周围环境的变化引起混泥土内部产生膨胀应力，当膨胀应力大于混泥土的抗拉强度时，会导致应力裂纹的出现，严重影响混泥土结构的性能。所以充分掌握混泥土的水化反应过程和微结构演化以及相关物理机理的裂纹萌生过程的动力学机理，对于准确计算混泥土的变形的大小、指导结构设计、提高混泥土结构的耐久性等具有十分重要的意义。水泥材料的水化反应过程和裂纹萌生过程是水泥等材料和混泥土中进行的基本的物理化学过程，首先它是一个复杂的物理和化学过程，其中涉及物质的传递这个物理过程以及物质的化学反应的过程，这个过程决定了材料的微观结构，并与材料的力学性质密切相关；其次，水化反应过程和裂纹萌生过程的影响因素很多，比如:水灰比、水化龄期、掺合料等，一直是人们研究的焦点；最后，水化反应过程和裂纹萌生过程对材料的强度和耐久性有直接的影响，从而影响建筑物的性能，因此，水泥化反应过程和裂纹萌生过程的研究一直是科研工作者的重点。
[0003]目前已有的混凝土材料中裂纹产生研究，主要集中在从细观层次到宏观层次的裂纹扩展阶段。例如，可以采用机械载荷方法，并结合扫描电镜(SEM)、CT扫描、声发射监测和数字散斑(DSCM)观察等，研究细观裂纹到宏观裂纹的产生及扩展特性。相关的裂纹扩展理论和模型探索也有长足的发展，基于断裂力学理论所建立的相关模型(如，分离裂缝模型(Discrete Crack Model)、分布裂缝模型(Smeared Crack Model)和虚拟裂纹模型(Fictitious Crack Model))适合于研究从细观层次到宏观层次裂纹贯穿过程；损伤力学理论所建立的相关模型(如，Loland模型、Mazars模型、分段线性模型、Sidoroff损伤模型、Krajcinovic损伤模型、网格模型(Lattice Model),粒子模型、细观模型、梁一颗粒模型等)适合于研究从细观层次到宏观层次裂纹扩展过程的研究。但是对裂纹萌生阶段，即从分子层次到细观层次裂纹的演化过程中，材料微结构的变化细节与裂纹萌生过程的实时演化，很少见文献报道。
[0004]目前测量水泥水化反应的方法主要有:(1)水化热法:水泥与水搅拌后，水泥熟料矿物与水反应将释放出大量热量，说明水泥水化放热量与水泥的水化程度存在一定的联系，因此可以通过确定某时刻水泥试样的放热量，来得出该时刻t的水泥水化程度。水泥浆体水化热的测量主要有直接测定法与溶解热法。直接测定法是在特定的环境中，测定水泥水化热的积蓄量和散失量，求得水泥各龄期水化热的方法。溶解热法是在环境温度一定时，分别测定未水化的水泥、已水化至一定龄期的水泥在同一浓度标准酸中的溶解热，计算差值，得出该水泥在规定龄期内所放出的水化热。由于水化若干天后，水泥水化放热量减小，水化热曲线将逐渐趋于平缓，因此，水化热法只适用于水泥早期水化程度的测试。(2)电阻率法:水泥基材料的电阻率随水泥水化时间的变化而改变，可用来描述水泥基材料水化过程、判断矿物外加剂和化学外加剂等对水泥水化的影响。通过测定新拌水泥浆、砂浆或混凝土的电阻率，并绘制电阻率随时间变化的特征曲线，可以确定水泥基材料的凝结硬化特征，为水泥水化研究提供了测定手段。这种方法虽减小了直流电产生极化的程度，但仍没有解决电极与样品之间的开裂和接触电阻的问题。(3)化学结合水法:硬化水泥浆体中的水可分为化学结合水和非化学结合水两大类。化学结合水以OH-或中性水分子形式存在，通过化学键或氢键与其他元素连接。在相同温度、湿度养护条件下，硬化水泥浆体中的化学结合水量和水化物成正比的关系，因此，水化程度的越高，则化学结合水量越大。化学结合水法是一种测试水泥水化程度的传统方法，由于其测试方便简易而得到了广泛的应用。但由于在75°C的低温或真空状态下，部分水泥水化产物CSH凝胶，AFm，Aft等的部分弱结合水就开始分解，导致所测化学结合水含量比实际要小，影响测试的精确性。(4)氢氧化钙(CH)定量测试法:当普通娃酸盐水泥完全水化时，消耗水量为水泥质量的20%-24%，而生成CH量为水泥质量的20%-25%。即，水泥水化程度与水泥水化产物CH的含量成正比，因此可以通过测定水泥浆体中CH的含量，间接得出水泥水化程度，但是该方法不能定量应用与水泥基复合体系。以上对水泥水化反应和水泥裂纹萌生的测量方法，不能从分子层次到细观层次的演化过程中，了解水泥材料水化反应的动力学过程和从微结构的变化细节研究裂纹萌生过程的演化情况。要实时测量水泥水化反应和水泥裂纹萌生的微观动力学过程，必须考虑新的方法。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于:针对上述测量方法中不能从分子层次到细观层次的微结构演化水泥水化过程和混凝土材料的裂纹萌生过程的问题，提供了一种基于液态簧振动力学谱方法检测水泥水化反应和水泥裂纹萌生的方法。
[0006]实现上述发明目的的技术方案为:基于液态簧振动力学谱方法检测水泥水化反应的方法，该方法包括如下步骤:(A)在室温、I个大气压、相对湿度40-45%的条件下，采用两端两节点共振簧方法用液态簧振动力学谱测量仪器测量不锈钢衬底的力学谱，得到恒温状态下的不锈钢衬底的内耗Q,和共振频率fs，进而得到不锈钢衬底的杨氏模量；(B)按照预先设定的水灰比，用药物天平称量出相应质量比的蒸馏水和水泥；然后将水泥和水依次倒入搅拌器中充分搅拌，时间为25-30秒；迅速取出水泥样品放在液态簧振动力学谱测量仪器的不锈钢衬底上，使水泥样品能够浸润于不锈钢衬底表面形成水泥-不锈钢衬底复合物；(C)同样采取两端两节点共振簧方法用液态簧振动力学谱测量仪器测量步骤(B)中水泥-不锈钢衬底复合物的力学谱，得到恒温过程中复合物在水泥水化过程中的内耗QcT1和共振频率f。；同时，每间隔1.5-3分钟使用体视显微镜对复合物样品进行拍照，记录实时观测结果；(D)由步骤(A)获得的不锈钢衬底的内耗Q,及共振频率fs和步骤(C)获得的复合物在水泥水化过程中的内耗QcT1和共振频率f。，计算出水泥样品在水化反应过程中的内耗和共振频率随时间的变化。所述不锈钢衬底的尺寸规格为40X4X0.4mm3，厚度为0.05mm。所述水灰比为1: 0.4-0.55。
[0007]上述技术方案的原理和方法有:(I)力学谱测量的基本原理
[0008]力学谱测量的是材料的复杨氏模量(储能的实模量和与耗散行为有关的虚模量)随温度、频率或时间的变化关系。实验的测量原理具体如下。
[0009]在样品上加载小幅应力Qij，样品中会产生应变ekl。不失一般性，对交流小应力Oij(CO) = O Qexp(i (Ot),其中ω为角频率，t为时间，i为虚数单位,对应的复应变
ε ki ( ω )和应力σ?」(ω) ?两足以下线性关系
【权利要求】
1.基于液态簧振动力学谱方法检测水泥水化反应的方法，其特征在于:该方法包括如下步骤:(A)在室温、I个大气压、相对湿度40-45%的条件下，采用两端两节点共振簧方法用液态簧振动力学谱测量仪器测量不锈钢衬底的力学谱，得到恒温状态下的不锈钢衬底的内耗Qf1和共振频率fs，进而得到不锈钢衬底的杨氏模量； (B)按照预先设定的水灰比，用药物天平称量出相应质量比的蒸馏水和水泥；然后将水泥和水依次倒入搅拌器中充分搅拌，时间为25-30秒；迅速取出水泥样品放在液态簧振动力学谱测量仪器的不锈钢衬底上，使水泥样品能够浸润于不锈钢衬底表面形成水泥-不锈钢衬底复合物； (C)同样采取两端两节点共振簧方法用液态簧振动力学谱测量仪器测量步骤(B)中水泥-不锈钢衬底复合物的力学谱，得到恒温过程中复合物在水泥水化过程中的内耗QcT1和共振频率f。；同时，每间隔1.5-3分钟使用体视显微镜对复合物样品进行拍照，记录实时观测结果；(D)由步骤(A)获得的不锈钢衬底的内耗Q,及共振频率fs和步骤(C)获得的复合物在水泥水化过程中的内耗QcT1和共振频率f。，计算出水泥样品在水化反应过程中的内耗和共振频率随时间的变化。
2.根据权利要求1所述的基于液态簧振动力学谱方法检测水泥水化反应的方法，其特征在于:所述不锈钢衬底的尺寸规格为40X4X0.4mm3。
3.根据权利要求1所述的基于液态簧振动力学谱方法检测水泥水化反应的方法，其特征在于:所述水灰比为1: 0.4-0.55。
【文档编号】G01N3/38GK103558103SQ201310555103
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年11月8日 优先权日:2013年11月8日
【发明者】雷婷, 张丽, 周恒为, 黄以能 申请人:伊犁师范学院