一种无损检测水泥基复合材料中钢纤维取向和分布的方法、设备及其应用

本发明涉及一种检测水泥基复合材料中钢纤维取向和分布的方法和设备，以及该方法在定向钢纤维增强水泥基复合材料制备、评估或筛选中的应用，属于水泥基复合材料领域。

背景技术：

1、钢纤维能够提高混凝土的抗弯、抗剪性能以及抗冲击性。对于均匀分布且方向与主拉应力方向一致的钢纤维，能够最大程度地发挥桥接裂缝的作用，从而改善混凝土的力学性能和耐久性。因此，钢纤维在基体中的取向和分布特征会影响钢纤维的增强效果。

2、在试验和实际工程的应用中，大多采取破坏性的方法来直接观察钢纤维分布的均匀性和定向效果，这对试件造成破坏的同时也降低了检测效率。根据钢纤维导电导磁导热的物理属性，众多利用电、磁、声、光、热等介质来测试硬化后钢纤维取向和分布特征的发明设备应运而生，为钢纤维取向的检测提供了无损方法。

3、在无损方法中最为常见的是x射线ct，该技术对试件尺寸有一定的限制且成本昂贵，目前多适用于实验室研究，难以实现工业化推广应用。此外，目前的无损检测方法普遍面临的问题是只能针对硬化后的钢纤维增强水泥基复合材料进行检测，然而一旦在硬化后的复合材料中发现钢纤维定向效果不理想或结团分布的情况则为时已晚，此时再重新进行浇筑、定向等操作行为会显著降低工作效率。

技术实现思路

1、本发明是针对上述问题提出的一种无损检测水泥基复合材料中钢纤维取向和分布的新方法，目的是突破现有方法只能在基体硬化后才检测钢纤维取向和分布的局限性。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种无损检测水泥基复合材料中钢纤维取向分布的方法，包括：

4、1）利用电磁波对新浇筑未硬化的钢纤维增强水泥基复合材料加热1-3min；

5、2）自1）所述加热开始测量所述钢纤维增强水泥基复合材料表面不同位置的温度；以2-3s的间隔记录每个位置的温度并计算相同时间间隔每个位置的升温速率；

6、3）根据2）测得的不同位置的温升大小和升温速率来判断钢纤维的取向和分布特征。

7、本发明优选的方案中，1）所述的电磁波为微波，即所述的加热通过微波发生器发出微波并辐射作用于水泥基复合材料来完成。

8、本发明优选的方案中，2）所述的测量所述钢纤维增强水泥基复合材料表面不同位置的温度，是测量均匀分布在所述钢纤维增强水泥基复合材料表面的多个位置点的温度，进一步优选的方案中，所述的位置点数量至少5个，每两个位置点间距最远70mm，更优选所述的位置点为围绕中心点对称的至少6个。

9、本发明优选的方案中，2）所述的温度测量具体采用将相同规格的温度传感装置分别以相同深度插入所述水泥基复合材料表面不同位置进行同步测量。

10、本发明优选的方案中，3）所述的根据2）测得的不同位置的温升大小和升温速率来判断钢纤维的取向和分布特征，具体包括：根据2）测得的相同时间点下不同位置的温度差来判断发生钢纤维团聚的位置；根据2）测得的每个位置在最终升温速率趋于稳定时的数值大小来判断该位置的钢纤维的取向。

11、本发明优选的方案中，还可以在3）所述的判断后进一步包括4）采用ct扫描的方法验证3）所述的判断。

12、第二方面，本发明还提供第一方面所述方法的专用设备，包括加热单元和测温单元；所述的加热单元包括电磁波信号发生器和面天线，所述的电磁波信号发生器与所述的面天线通过信号传输线连接；所述的测温单元包括若干相同规格的温度测量装置。所述的加热单元通过所述的电磁波信号发生器产生电磁波信号后通过所述的信号传输线输送至所述的面天线，由面天线形成辐射场将电磁波辐射到新浇筑未硬化的钢纤维增强水泥基复合材料表面，实现对复合材料的加热；加热的同时，所述的测温单元中若干相同规格的温度测量装置用于持续监测新浇筑未硬化的钢纤维增强水泥基复合材料表面不同位置的温度。

13、本发明优选的专用设备中，所述的电磁波信号发生器是微波信号发生器。

14、本发明优选的专用设备中，所述的面天线是喇叭天线。

15、本发明优选的专用设备中，所述的温度测量装置是数字式温度计。

16、第三方面，本发明还提供第一方面所述的方法或第二方面所述的专用设备在制备、评估或筛选定向钢纤维增强水泥基复合材料中的应用。

17、与现有技术相比，采用本发明提出的检测方法和专用设备，可在水泥基复合材料硬化前对钢纤维的取向和分布进行分析，具有以下有益效果：

18、（1）、该测试方法能够在拌合阶段检测出钢纤维的取向和分布特征，对钢纤维分散不均匀或定向效果不好的问题能够早发现、早处理，克服在硬化后检测的局限性。

19、（2）、该测试方法操作简单、检测效率高，且在拌合阶段吸收的余热，可进一步用到养护中，满足了在养护中的温度要求，从而实现了能源的重复利用。

技术特征：

1.一种无损检测水泥基复合材料中钢纤维取向和分布的方法，包括：

2.权利要求1所述的方法，其特征在于：1）所述的电磁波为微波，即所述的加热通过微波发生器发出微波并辐射作用于水泥基复合材料来完成。

3.权利要求1所述的方法，其特征在于：2）所述的测量所述钢纤维增强水泥基复合材料表面不同位置的温度，是测量均匀分布在所述钢纤维增强水泥基复合材料表面的多个位置点的温度；优选的方案中，所述的位置点数量至少5个，每两个位置点间距最远70mm，更优选所述的位置点为围绕中心点对称的至少6个。

4.权利要求1所述的方法，其特征在于：2）所述的温度的测量，具体是采用将相同规格的温度传感装置分别以相同深度插入所述水泥基复合材料表面不同位置进行同步测量。

5.权利要求1所述的方法，其特征在于：3）所述的根据2）测得的不同位置的温升大小和升温速率来判断钢纤维的取向和分布特征，具体包括：根据2）测得的相同时间点下不同位置的温度差来判断发生钢纤维团聚的位置；根据2）测得的每个位置在最终升温速率趋于稳定时的数值大小来判断该位置的钢纤维的取向。

6.权利要求1所述的方法，其特征在于：在3）所述的判断后进一步包括4）采用ct扫描的方法验证3）所述的判断。

7.权利要求1-5任意一项所述方法的专用设备，包括加热单元和测温单元；所述的加热单元包括电磁波信号发生器和面天线，所述的电磁波信号发生器与所述的面天线通过信号传输线连接；所述的测温单元包括若干相同规格的温度测量装置；所述的加热单元通过所述的电磁波信号发生器产生电磁波信号后通过所述的信号传输线输送至所述的面天线，由所述的面天线形成辐射场将电磁波辐射到新浇筑未硬化的钢纤维增强水泥基复合材料表面，实现对复合材料的加热；加热的同时，所述的测温单元中若干相同规格的温度测量装置用于持续监测新浇筑未硬化的钢纤维增强水泥基复合材料表面不同位置的温度。

8.权利要求7所述的专用设备，其特征在于：所述的电磁波信号发生器是微波信号发生器；所述的面天线是喇叭天线；所述的温度测量装置是数字式温度计。

9.权利要求1-6任意一项所述的方法或权利要求7-8任意一项所述的专用设备在制备、评估或筛选定向钢纤维增强水泥基复合材料中的应用。

技术总结
本发明提供一种无损检测水泥基复合材料中钢纤维取向和分布的方法，包括：利用电磁波对新浇筑未硬化的钢纤维增强水泥基复合材料加热1‑3min；自加热开始测量所述钢纤维增强水泥基复合材料表面不同位置的温度；以2‑3s的间隔记录每个位置的温度并计算相同时间间隔每个位置的升温速率；根据测得的不同位置的温升大小和升温速率来判断钢纤维的取向和分布特征。本发明还提供所述方法的专用设备，以及所述方法或专用设备在制备、评估或筛选定向钢纤维增强水泥基复合材料中的应用。本发明的方法能够在拌合阶段检测出钢纤维的取向和分布特征，测试方法操作简单、检测效率高。

技术研发人员：慕儒,赵露露,李辉,卿龙邦,王晓伟
受保护的技术使用者：河北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11