一种水泥基材料在荷载作用下内部裂缝开展的检测方法

[技术领域]

本发明涉及材料内部裂纹检测，尤其涉及一种水泥基材料在荷载作用下内 部裂缝开展的检测方法。

[背景技术]

混凝土是现在最广泛使用的建筑材料和结构材料。混凝土由于结构本身的 组成成分及其承载力特点，其内部往往存在一些原始的微裂缝，在其服役期间， 随着荷载的变化和时间的推移，其内部微裂缝会开展成裂缝，甚至开展至表面 导致混凝土材料开裂。形成贯通裂缝后，混凝土更加容易遭受外界环境和各种 有害因素的侵蚀和破坏，如钢筋锈蚀，碳化，氯离子侵蚀和硫酸盐侵蚀等，最 终导致混凝土结构的开裂，破坏，不再满足使用要求，严重影响混凝土结构的 耐久性。

在服役过程中，混凝土耐久性的劣化过程及速率与其内部裂缝的存在和开 展情况密切相关。在荷载作用下，混凝土内部裂缝的存在与开展，一方面直接 导致其力学性能降低，另一方面使得Cl^-、CO32^-、SO42^-等有害物质更加容易得 进入混凝土内部并传输，为碳化、冻融循环、碱-骨料反应、硫酸盐侵蚀和钢筋 锈蚀等提供了反应条件和环境。因此，研究混凝土内部裂缝在荷载作用下其内 部裂缝的开展情况，对如何提高混凝土的耐久性具有指导意义。

目前，对于水泥基材料在荷载作用下其内部裂缝开展情况的研究测试开 展得非常少，这里很大一部分原因是由于水泥基材料本身物理特性与主流的裂 缝测试手段的精确度较差，测试结果差异性大和直观性差。

首先，水泥基材料是一种透光率极低的材料，这也导致无法直接用肉眼或 简单测试工具观察其内部裂缝的在荷载作用下开展情况。其次，水泥基材料是 一种混合材料，构成不同的材料界面，因此，当直接用数值模拟来模拟其内部 裂缝的开展情况是，其结果差异可能很大。第三，用主流的测试方法，如超声 波法，冲击弹性波法，来测试裂缝的开展情况，只能得到一个大致的值，精确 度较差且无法得出直观数据，可靠度不高。

[发明内容]

本发明要解决的技术问题是提供一种能够较为精确地获得试样内部裂缝分 布情况的水泥基材料在荷载作用下内部裂缝开展的检测方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种水泥基材料在荷 载作用下内部裂缝开展的检测方法，利用X射线断层扫描微观材料测试拉压仪 对水泥基材料的试样进行加载，利用三维重构成像X射线显微镜对试样进行扫 描获得试样在压力作用下纵切面和/或横切面裂纹开展的图像。

以上所述的检测方法，包括以下步骤：

201、试样制备；

202、将试样品置于X射线断层扫描微观材料测试拉压仪的加载装置的载物 平台上，组装好加载装置；

203、将组装好加载装置置于三维重构成像X射线显微镜的扫描区；

204、利用加载装置对试样按设定的压力加载；

205、打开三维重构成像X射线显微镜的X射线源对试样进行断层扫描，并 记录下信息；

206、利用三维重构成像X射线显微镜的三维重构软件对记录下信息进行三 维重构，获得试样纵切面和/或横切面裂纹开展的图像。

以上所述的检测方法，在步骤204加载压力逐渐加大的情况下，步骤205 和步骤206反复进行，获得不同加载压力下试样纵切面和/或横切面裂纹开展的 图像。

本发明水泥基材料在荷载作用下内部裂缝开展的检测方法针对水泥基材料 内部裂缝在荷载作用下无法及时准确检测的技术缺陷，提出一种用X射线三维 重构技术对在实时荷载作用下水泥基材料内部裂缝开展情况进行可靠有效的无 损检测方法，克服了常规测试手段常见的精度差，可靠度低和直观性差等问题， 并实现了实时荷载作用下对水泥基材料内部裂缝带来影响的直接，可靠，直观 的反馈结果，为水泥基材料在荷载作用下内部裂缝开展的检测和研究提供了有 效的方法和依据。

[附图说明]

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是德本X射线断层扫描微观材料测试拉压仪示意图。

图1中，1表示加载装置的内部载物台；2表示试样；3表示加载装置的上 部外壳，其顶部为不透光材料，四周为X射线可透过性材料；4表示加载装置的 底部支座，里面有升降装置，用于提升和下降样品，其最大的承受荷载为3000N。

图2是三维重构成像X射线显微镜工作状态示意图。

其中：2表示试样；5表示测试面板；6表示物镜转台，物镜转台具有3 个不同放大倍数的物镜；7表示测试仪；8表示加载装置；9表示X射线源；10 表示样品台，该样品台具有360度旋转的功能。

图3-1是本发明实施例1水泥砂浆试样在ON荷载作用下的水平切面的图像。

图3-2是本发明实施例1水泥砂浆试样在1300N荷载作用下的水平切面的 图像。

图3-3是本发明实施例1水泥砂浆试样在1600N荷载作用下的水平切面的 图像。

图3-4是本发明实施例1水泥砂浆试样在1900N荷载作用下的水平切面的 图像。

图4-1是本发明实施例1水泥砂浆试样在ON荷载作用下的竖直切面的图像。

图4-2是本发明实施例1水泥砂浆试样在1300N荷载作用下的竖直切面的 图像。

图4-3是本发明实施例1水泥砂浆试样在1600N荷载作用下的竖直切面的 图像。

图4-4是本发明实施例1水泥砂浆试样在1900N荷载作用下的竖直切面的 图像。

图5-1是本发明实施例1水泥砂浆试样在ON荷载作用下的三维图像。

图5-2是本发明实施例1水泥砂浆试样在1300N荷载作用下的三维图像。

图5-3是本发明实施例1水泥砂浆试样在1600N荷载作用下的三维图像。

图5-4是本发明实施例1水泥砂浆试样在1900N荷载作用下的三维图像。

图6-1是本发明实施例2水泥砂浆试样在ON荷载作用下的水平切面图像。

图6-2是本发明实施例2水泥砂浆试样在900N荷载作用下的水平切面图像。

图7-1是本发明实施例2水泥砂浆试样在ON荷载作用下的竖直切面1图像。

图7-2是本发明实施例2水泥砂浆试样在900N荷载作用下的竖直切面1图 像。

图8-1是本发明实施例2水泥砂浆试样在ON荷载作用下的竖直切面2图像。

图8-2是本发明实施例2水泥砂浆试样在900N荷载作用下的竖直切面2图 像。

[具体实施方式]

为克服现有技术存在的缺陷，本发明提出一种水泥基材料在荷载作用下内 部裂缝开展的检测方法，将养护好的水泥砂浆试样放入XCT(X射线计算机断层 扫瞄成像装置X-ray Computed Tomography)内置的加压装置里面，利用加压系 统对试样实行缓慢的加压，利用X射线对试样进行层面扫描，获取信息，经计 算机分析处理获得重构图像。

本发明水泥基材料在荷载作用下其内部裂缝开展的检测方法，包括步骤如 下：

A.试样准备：

A1.用符合规格的水泥，标准砂和水，按照比例为：C:S:W＝1:1:0.4混 合，倒入直径为10mm,高为10mm的圆柱形模具中，均匀振捣，密实，成型；

A2.与24h后拆开模具，把成型的试样放入先对湿度为99％，温度为21℃ 的标准养护室养护；

A3.在标准养护28天后，取出试样，待其干燥后，试样制作完成；

B.测试仪器：

B1.进行加压所用的仪器为X射线断层扫描微观材料测试拉压仪，X射线 断层扫描微观材料测试拉压仪内部配套有可升降加压装置和X射线可穿透性外 壳，进行X射线断层扫描的仪器为三维重构成像X射线显微镜，该设备主要配 套有X射线光源，试样台，物镜转台，测试仪，用于后期处理的三维重构软件；

C.试样加压，测试过程：

C1.将水泥砂浆试样的一段固定在加载装置的底部，处于中心位置，并 组合好装置，关闭测试间；

C2.打开测试系统，调节镜头与试样的距离，使其清晰，360°转动试样， 并观测其每个角度，保证每个角度都能捕捉到清晰画面；

C3.打开加载装置，首先将试样向上移动至加载装置的接触面，然后设 定加载压力，进行加压。达到设定压力值时，装置自动停止加压，保持压力状 态；

C4.打开X射线源，设定参数值：设置X射线源的电压、电流、X射线源 与试样的距离、像素大小、光学放大倍数、曝光时间。然后对第一加载压力作 用下的试样进行断层扫描，并记录下信息；

C5.使用设备自带的三维重构软件，对测试的信息进行三维重构，还原出 在设定压力作用下水泥砂浆试样内部裂缝的开展情况。可以根据需要设定不同 的压力值，然后根据上述步骤测试不同荷载作用下试样内部裂缝的开展情况；

实施例1

1)试样：用PO42.5规格的普通硅酸盐水泥(生产商：英德南山水泥厂) 使用符合国标GB/T17671-1999生产的标准砂(生产商：厦门艾思欧标准砂有限 公司)和普通用水，按照比例C：S：H＝1：1:0.4导入标准直径为10mm，高为 10mm的模具(自制)中，将试样表面抹平，形成平整的表面，并进行振捣，密 实，成型；24小时候进行拆模，然后放置在标准养护室(相对湿度为99％，室 温为21℃)内养护28天，取出干燥后，即可作为测试的水泥砂浆试样。

2)测试：用德本X射线断层扫描微观材料测试拉压仪(生产商：DEBEN, 型号：Mechanical Operat ion V1.0,)对试样进行加载，该设备配套内部可升 降加压装置和X射线可穿透性外壳，它能施加的最大压力为5KN。

设定加载力设定为0N(无荷载作用),1300N,1600N,1900N，分别按照顺序 进行加压，试样加压，测试过程如下：

将试样固定于加载装置的内部载物平台的中心区域上，.并组装好加载装 置，然后将其移至XCT内部测试间，并安装好；

打开测试系统，调节镜头与试样的距离，使其清晰(本测试设定测试器与 试样距离为320mm)然后旋转试样台360°，观测其每个角度，保证每个角度都 能捕捉到清晰画面；

打开加载装置，首先将试样以0.3mm/s速度向上移动缓慢接近至接触面， 然后按设定的加载压力，并进行加压。当达到设定压力值时，装置自动停止加 压，保持压力状态；

然后用三维重构成像X射线显微镜对试样进行断层扫描(生产商：Xradia, 型号：XCT-400,，并记录结果，

三维重构成像X射线显微镜配套有X射线光源，试样台，物镜转台，测试 仪，用于后期处理的三维重构软件XMreconstructor(XCT-400自带分析软件)。

打开X射线源，设定参数值：设置X射线源的电压为119kv,电流为82μA， X射线源与试样距离为85mm，像素大小为14.1796μm,光学放大倍数为0.39964， 曝光时间为5秒。然后对第一加载压力作用下的试样进行断层扫描，并记录下 信息。

3)重构分析：待XCT扫描测试完后，用XCT-400自带重构软件 XMreconstructor对前面测试扫描的信息进行三维重构，和分层分析。通过分 析可以知道水泥砂浆试样在随着荷载的增加其内部裂缝的产生和开展能很直观 的看到，并且能观察出裂缝随着荷载的增加有变长和变宽的趋势，最后导致试 块破裂。

水泥砂浆试样在不同荷载作用下的水平切面、竖直切面的图像和三维图像 如下图3，图4和图5所示。其中，灰度最小的是水泥浆，灰度略大的是细骨 料(标准砂)，最深的部位显示了裂缝和孔隙。

实施例2

1)试样：用PO42.5规格的普通硅酸盐水泥(生产商：英德南山水泥厂) 和普通用水，按照比例：水泥：水＝C：W＝1：0.4导入标准直径为10mm，高为 10mm的圆柱体模具中，将试样表面抹平，形成平整的表面，并进行振捣，密实， 成型；24小时候进行拆模，然后放置在标准养护室(相对湿度为95％以上，室 温为21℃)内养护28天，取出干燥后，即可作为测试的水泥净浆试样。

2)测试：用德本X射线断层扫描微观材料测试拉压仪对试样进行加载， 设定加载力为0N和900N，分别按照顺序进行加压，然后用三维重构成像X射 线显微镜对试样进行断层扫描，并记录结果。

3)重构分析：用XCT-400自带重构软件XMreconstructor对前面测试扫 描的信息进行三维重构，和分层分析。通过分析可以知道水泥净浆试样在荷载 达到其临界荷载时，混凝土内部裂缝瞬间产生并开展迅速，并发展成贯穿裂缝， 最后导致试块破裂。

本实施例的水泥净浆试样当出现裂缝时就无法继续承载荷载的原因是水泥 净浆属于单一脆性材料，没有其他材料来承担继续增加的荷载，所以裂缝快速 发展并最终试样断裂。

本实施例水泥净浆试样在不同荷载作用下的水平切面、竖直切面的图像和 三维图像如下图6，图7和图8所示。其中，灰度小的是水泥浆，深度大的是 裂缝和孔隙。

本发明以上实施例的有益效果：

本发明针对水泥基材料内部裂缝在荷载作用下无法及时准确检测的技术缺 陷，提出一种用X射线三维重构技术对在实时荷载作用下水泥基材料内部裂缝 开展情况进行可靠有效的无损检测方法，克服了常规测试手段常见的精度差， 可靠度低和直观性差等问题，并实现了实时荷载作用下对水泥基材料内部裂缝 带来影响的直接，可靠，直观的反馈结果，为水泥基材料在荷载作用下内部裂 缝开展的检测和研究提供了有效的方法和依据。