一种利用电化学阻抗谱实时监测水泥基材料裂缝的方法
【专利摘要】本发明属于土木建筑领域，尤其是一种利用电化学阻抗谱实时监测水泥基材料裂缝的方法。首先在水泥基材料试件的两端预埋电极片或者实施时放置，通过导线将电极片与电化学工作站数据采集系统连接，再与计算机数据处理系统连接。然后，通过电极片对水泥基材料试件施加不同频率的正弦交流电压（电流）扰动信号，输入的扰动信号经过试件后产生相应的响应信号，即正弦交流电流（电压）信号，响应信号经过电化学工作站数据采集系统和计算机数据处理系统的处理，得到试件的电化学阻抗谱。最后通过分析电化学阻抗谱的特征变化来监测水泥基材料试件裂缝的开裂情况。本发明测量速度快，抗干扰能力强，操作简单。
【专利说明】一种利用电化学阻抗谱实时监测水泥基材料裂缝的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种应用在土木建筑领域的材料裂缝的检测方法，尤其是一种利用电化学阻抗谱实时监测水泥基材料裂缝的方法。
【背景技术】
[0002]水泥基材料是以水泥为胶凝材料，与其它材料组合而得到的材料，是世界上用量最大和应用最广泛的土木工程材料，其优点在于:各组分易于获得、价格低廉、易于成型、易于制造成各种形状，同时具有良好的安全性和耐久性。但是，现有水泥基材料存在着自重大、拉压比小、断裂韧性低、脆性大和易于开裂等缺点，尤其是随着水泥基材料强度的提高，水泥基材料的开裂与脆性问题变得越来越突出，导致水泥基材料容易遭受破坏或失效。目前，已经提出了超声波法、OTDR技术、图像采集处理法、放射线法等一系列技术对水泥基材料裂缝进行观测和监控，但上述方法都有一定局限性，比如操作复杂、测试时间长、随机性大、受主观因素影响大。因此，为便于及时采取相应的修复措施，开展有效地质量控制，减少由于工程建筑破坏所造成的经济损失和人员伤亡，还需要对水泥基材料水化机理、产物结构、钢筋锈蚀、抗渗性、氯离子扩散、集料和掺合料活性、结构性能损伤的预测与预警等方面进行研究，提出更符合工程实际需要的技术方案。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题是提供一种利用电化学阻抗谱方法实时监测水泥基材料裂缝的方法，在采用电化学阻抗谱原理研究水泥基材料特性的理论基础上，分析水泥基材料的开裂及裂缝的发展变化情况，从而能够实时监测水泥基材料开裂损伤的程度，为及时采取相应的修复措施，开展有效质量控制，进而减少由于工程建筑破坏所带来的损失具有重要意义。
[0004]本发明对利用电化学阻抗谱实时监测水泥基材料裂缝的原理作出以下描述。
[0005]电化学阻抗谱是给电化学系统施加一个频率不同的小振幅交流电势波，测量交流电势与电流信号的比值随正弦波频率的变化，比值即为系统的阻抗，或者测量系统阻抗的相位角随正弦波频率的变化。它是一种频率域测量方法，可测定的频率范围很宽，可以得到比常规电化学方法更多的动力学信息和电极界面结构信息。由于采用小幅度的正弦电势信号对系统进行微扰，电极上交替出现氧化和还原过程。因此，即使扰动信号长时间作用于电极，也不会导致极化现象的积累性发展和电极表面状态的积累性变化。由于电势和电流间存在线性关系，测量过程中电极处于准稳态，使得测量结果的数字处理简化。
[0006]本发明是由水泥基材料试件、电极片、导线、电化学工作站及计算机组成的电化学系统实现电化学阻抗谱特征参数数据的连续、自动监测与记录工作，并根据电化学阻抗谱特征参数的变化来判断试件开裂情况的一种方法。电化学系统可看做是一个等效电路，这个等效电路是由电阻、电容和电感等基本元件按照串、并联等不同方式组合而成的。通过电化学阻抗谱，可以测定等效电路的构成以及各元件的大小，利用这些元件的电化学含义来分析电化学系统的结构和电极过程的性质。水泥基材料试件是一种特殊的电化学系统，在试件预测区范围内放置电极，当水泥基材料试件出现裂缝时，相当于在试件中增加了电容，导致试件在不同频率下的阻抗发生变化，通过电化学工作站的分析，得到试件在不同频率下的电化学参数值，由计算机绘制得到试件的电化学阻抗图谱，电化学阻抗图谱的特征变化与水泥基材料的结构特性存在对应关系，能够很好地反映水泥基材料的开裂及其发展情况。
[0007]为了实现上述发明的目的，本发明的技术方案是这样实现的:
一种利用电化学阻抗谱实时监测水泥基材料裂缝的方法，包括以下步骤:
(1)在水泥基材料试件的预测区域内预埋电极片或者实施时放置，通过导线将电极片与电化学工作站数据采集系统连接，然后将电化学工作站数据采集系统与计算机数据处理系统连接，实现对试件裂缝变化的自动监测与数据的连续记录；
(2)通过电极片对水泥基材料试件施加不同频率的正弦交流电压(电流)扰动信号，输入的扰动信号经过试件后产生相应的响应信号，即正弦交流电流(电压)信号，响应信号经过电化学工作站数据采集系统和计算机数据处理系统，得到试件在不同频率下的电化学阻抗谱；
(3)通过分析电化学阻抗谱的特征变化来监测水泥基材料裂缝的开裂情况。
[0008]所述的步骤(I)中水泥基材料试件为土木工程中各类非荷载或荷载作用下的水泥基材料。
[0009]所述的步骤(I)中水泥基材料试件的预测区域不受水泥基材料的结构和空间位置的限制，能够准确、全面地反映水泥基材料试件的开裂情况。
[0010]所述的步骤(I)中水泥基材料试件的预测区域的电极片数量为二个及以上，其位置可根据实际需要以均布或非均布的方式放置。
[0011]所述的步骤(2)中信号频率范围包括低频段和高频段，一般在ImHz?IOMHz0
[0012]所述的步骤(2)中所施加的正弦交流电流值一般低于50mA，或交流电压值低于20mV。
[0013]所述的步骤(2)中电化学阻抗谱的表示方法包括Warburg图、导纳图、电容图、Nyquist图和Bode图等形式，优选为Nyquist图和Bode图。
[0014]所述的步骤(3)中水泥基材料试件的电化学阻抗图谱的特征变化与其结构特性存在对应关系。
[0015]所述的步骤(3)中水泥基材料试件电化学阻抗图谱的特征变化是指在一定频域范围内的相位角、角频率、阻抗矢量及其模值等参数值以及它们之间所对应函数关系的变化情况。
[0016]本发明相比现有技术的有益效果:
本发明利用电化学阻抗谱实时监测水泥基材料裂缝的原理设计了水泥基材料试件裂缝的监测方法及监测装置，具有测量速度快，抗干扰能力强，操作简单等特点，能够适用于土木建筑工程中各类非荷载或荷载作用下的水泥基材料裂缝的动态变化情况，不受水泥基材料试件的结构和空间位置的限制，实现对水泥基材料试件开裂及裂缝发展变化的全过程监测，为水泥基材料试件的耐久性预测、及时采取相应的修复措施和开展有效质量控制提供信息支持，对服役期间建筑工程材料综合性能的评估和预测具有重要意义。【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本发明利用电化学阻抗谱实时监测水泥基材料裂缝的方法监测示意图。
[0018]图2是自然膨胀水泥基材料试件未开裂前的电化学阻抗谱与试件形貌图。
[0019]图3为自然膨胀水泥基材料试件自然膨胀过程中电化学阻抗谱与试件形貌图。
图4为自然膨胀水泥基材料试件自然膨胀破坏的电化学阻抗谱与试件形貌图。
图5为预制裂缝水泥基材料试件未开裂前的电化学阻抗谱与试件形貌图。
图6为预制裂缝水泥基材料试件开裂过程中电化学阻抗谱与试件形貌图。
图7为预制裂缝水泥基材料试件试件断裂后电化学阻抗谱与试件形貌图。
【具体实施方式】
[0020]以下结合附图对本发明作进一步地详细描述。
[0021]一、水泥基复合材料试件制作
在本发明的具体实施例中，现通过但不限于以下方法来制备本发明所需要的水泥基复合材料试件。水泥基复合材料试件的具体制备方法步骤如下:
首先，称取水泥、掺合料、砂、外加剂和水等组分，胶凝材料为水泥和掺合料，其中水与胶凝材料的质量比为0.25:1，PVA纤维的体积掺量占拌合物总体积的2% ；
然后，将称量的胶凝材料和砂等固体组分倒入搅拌锅中搅拌1~2分钟，将水和外加剂倒入搅拌锅中再搅拌约2分钟，将PVA纤维缓慢加入到搅拌锅中，搅拌至纤维分散均匀为止;
最后，将拌合物注入模具中，24小时后脱模，脱模后的试件在温度20±2°C、湿度90 土 5%的条件下放置养护室中养护7天，随后将试件放置在实验室(20 ± 2°C、湿度55 土 5%)养护直至测试龄期。
[0022]二、本发明的监测系统组成及监测方法
如图1所示，本发明的监测系统包括电极片5 (可自制)、导线6、电化学工作站数据采集系统7及计算机数据处理系统8 ;第一电极片(可自制)上的工作电极1、第一电极片(可自制)上的工作电极2、第二电极片(可自制)上的参比电极3及第二电极片(可自制)上的辅助电极4分别通过导线6与电化学工作站数据采集系统7的输入端连接；电化学工作站数据采集系统7再与计算机数据处理系统8连接。
[0023]本发明的监测方法为一种利用电化学阻抗谱实时监测水泥基材料裂缝的方法，包括以下步骤:
(1)在水泥基材料试件9的预测区域两端预埋自制电极片5或者实施时放置，通过导线6将电极片5 (可自制)与电化学工作站数据采集系统7连接，然后将电化学工作站数据采集系统7与计算机数据处理系统8连接，实现对试件9裂缝变化的自动监测与数据的连续记录；
(2)通过电极片5(可自制)对水泥基材料试件9施加不同频率的正弦交流电压(电流)扰动信号，输入的扰动信号经过试件9后产生相应的响应信号，即正弦交流电流(电压)信号，响应信号经过数据采集系统7与计算机数据处理系统8的处理，得到试件9的电化学阻抗谱；
(3)通过分析电化学阻抗谱上不同参数的关系来监测水泥基材料试件9裂缝的开裂情况。
[0024]所述的步骤(I)中水泥基材料试件9为土木工程中各类非荷载或荷载作用下的水泥基材料。
[0025]所述的步骤(I)中水泥基材料试件的预测区域的电极片5 (可自制)数量为两个，在水泥基材料试件9的预测区域的两端分别设置一个自制电极片。
[0026]所述的步骤(2)中信号频率范围为IOmHz?10kHz。
[0027]所述的步骤(2)中正弦交流电流大小为IOmA或者正弦交流电压大小为5mV。
[0028]所述的步骤(2)中电化学阻抗谱的表示方法为Nyquist图和Bode图。
[0029]三、实施例1:水泥基材料试件9自然膨胀开裂过程的检测(无载荷工况下)
首先，在水泥基材料试件9的预测区域的两端分别预埋电极片5 (可自制)(电极片5可为镍电极片)，然后通过导线6将电极片5与电化学工作站数据采集系统7连接，再将电化学工作站数据采集系统7与计算机数据处理系统8连接；其次，将IOmHflOkHz频率及5mV振幅的正弦交流电压扰动信号通过电极片5 (可自制)(电极片5可为镍电极片)施加到水泥基材料试件9上，经过电化学工作站数据采集系统7收集到响应信号，即正弦交流电流信号，再由计算机数据处理系统8对收集到的响应信号进行处理，记录该试件在不同开裂程度时的电化学阻抗谱。
[0030]如图2、3、4所示为水泥基材料试件9自然膨胀开裂过程的电化学阻抗谱图及对应的试件形貌图，其中图2为自然膨胀水泥基材料试件未开裂前的电化学阻抗谱与试件形貌图；图3为自然膨胀水泥基材料试件自然膨胀过程中电化学阻抗谱与试件形貌图；图4为自然膨胀水泥基材料试件自然膨胀破坏的电化学阻抗谱与试件形貌图。由图2、3、4的监测数据可知，在所监测频率范围内未开裂的水泥基材料试件的阻抗最大值为20 kQ，用Nyquist图描述的电化学阻抗实部与虚部关系的形状近似为直线，用Bode图描述的频率-相位关系的形状为平滑曲线，但随着试件开裂到严重破坏时，在相同频率下，水泥基材料试件的阻抗显著增大，甚至超过300 kQ，而且电化学阻抗谱出现不稳定、有显著的波动。
实施例2:水泥基材料试件9预压产生裂缝(预制裂缝)开裂过程中的检测(有载荷工况
下)
[0031]首先，在水泥基材料试件9的预测区域的两端分别预埋电极片5 (可自制)(电极片5可为镍电极片)，然后通过导线6将电极片5与电化学工作站数据采集系统7连接，再将电化学工作站数据采集系统7与计算机数据处理系统8连接；其次，将IOmHflOkHz频率及IOmA振幅的正弦交流电流扰动信号通过电极片5施加到水泥基材料试件9上，经过电化学工作站数据采集系统7收集到响应信号，即正弦交流电流信号，再由计算机数据处理系统8对收集到的响应信号进行处理，记录该试件在不同开裂程度时的电化学阻抗谱。
[0032]如图5、6、7所示为水泥基材料试件9预压产生裂缝(预制裂缝)开裂过程中的电化学阻抗谱图及对应的试件形貌图，其中图5为预制裂缝水泥基材料试件未开裂前的电化学阻抗谱与试件形貌图；图6为预制裂缝水泥基材料试件开裂过程中电化学阻抗谱与试件形貌图；图7为预制裂缝水泥基材料试件试件断裂后电化学阻抗谱与试件形貌图。由图5、
6、7的监测数据可知，在所监测频率范围内未预压开裂的水泥基材料试件的阻抗最大接近20 kQ，用Nyquist图描述的电化学阻抗的实部与虚部关系的形状呈圆弧形的平滑曲线，用Bode图描述的频率-相位角关系的形状几乎为正态分布式的平滑曲线。但是，随着试件预压开裂到断裂的过程中，在相同频率下，水泥基材料试件的阻抗增大近千倍，而且电化学阻抗谱的形状变得曲折杂乱、无规律。
[0033]综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种利用电化学阻抗谱实时监测水泥基材料裂缝的方法，其特征在于:所述的具体包括以下步骤: (a)在水泥基材料试件(9)的预测区域预埋电极片(5)或者实施时放置，通过导线(6)将电极片(5)与电化学工作站数据采集系统(7)连接，然后将电化学工作站数据采集系统(7 )与计算机数据处理系统(8 )连接，实现对试件(9 )裂缝变化的自动监测与数据的连续记录; (b)通过电极片(5)对水泥基材料试件(9)施加不同频率的正弦交流电压(电流)扰动信号，输入的扰动信号经过试件(9)后产生相应的响应信号，即正弦交流电流(电压)信号，响应信号经过电化学工作站数据采集系统(7)和计算机数据处理系统(8)的处理，得到试件(9)在不同频率下的电化学阻抗谱； (c)通过分析电化学阻抗谱的特征变化来监测水泥基材料试件(9)裂缝的开裂情况。
2.根据权利要求1所述的一种利用电化学阻抗谱实时监测水泥基材料裂缝的方法，其特征在于:所述的步骤(a)中水泥基材料试件(9)为土木工程中各类非荷载或荷载作用下的水泥基材料。
3.根据权利要求1所述的一种利用电化学阻抗谱实时监测水泥基材料裂缝的方法，其特征在于:所述的步骤(a)中水泥基材料试件(9)的预测区域不受水泥基材料的结构和空间位置的限制。
4.根据权利要求1所述的一种利用电化学阻抗谱实时监测水泥基材料裂缝的方法，其特征在于:所述的步骤(a)中水泥基材料试件(9)的预测区域的电极片(5)数量为二个及以上，其位置以均布或非均布的方式放置。
5.根据权利要求1所述的一种利用电化学阻抗谱实时监测水泥基材料裂缝的方法，其特征在于:所述的步骤(b)中信号频率范围包括低频段和高频段，一般在ImHz?IOMHz0
6.根据权利要求1所述的一种利用电化学阻抗谱实时监测水泥基材料裂缝的方法，其特征在于:所述的步骤(b)中正弦交流电流值一般低于50mA，或交流电压一般低于20mV。
7.根据权利要求1所述的一种利用电化学阻抗谱实时监测水泥基材料裂缝的方法，其特征在于:所述的步骤(b)中电化学阻抗谱的表示方法包括Warburg图、导纳图、电容图、Nyquist图和Bode图等形式，优选为Nyquist图和Bode图。
8.根据权利要求1所述的一种利用电化学阻抗谱实时监测水泥基材料裂缝的方法，其特征在于:所述的步骤(b)中水泥基材料试件(9)的电化学阻抗图谱的特征变化与其结构特性存在对应关系。
9.根据权利要求1所述的一种利用电化学阻抗谱实时监测水泥基材料裂缝的方法，其特征在于:所述的电化学阻抗图谱的特征变化是指在一定频域范围内的相位角、角频率、阻抗矢量及其模值等参数值以及其所对应函数关系的变化情况。
【文档编号】G01N27/416GK103995036SQ201410253911
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年6月9日 优先权日:2014年6月9日
【发明者】祝瑜, 张召才, 管学茂 申请人:河南理工大学