基于低场磁共振弛豫技术的砂浆抗压强度预测模型与方法

本发明涉及一种抗压强度预测模型与方法，具体涉及基于低场磁共振弛豫技术的砂浆抗压强度预测模型与方法，属于建筑材料。

背景技术：

1、砂浆由胶凝材料(水泥、石灰、石膏、黏土等)与砂按一定比例搭配并加水拌合而成，不含砂时也称作灰浆。按胶凝材料种类不同，砂浆主要分为水泥砂浆、石灰砂浆、石膏砂浆、黏土砂浆和混合砂浆等，是建筑材料的重要组成，常用于砌筑、抹灰和勾缝等材料。以石灰、黄土等为胶凝材料的传统灰浆在我国古建筑中的应用非常广泛，历经千百年的风吹雨蚀仍然坚硬完整。现代砂浆及传统灰浆的强度及耐久性等性能，深刻影响着砂浆/灰浆在砌体结构建造和古建修复等各种工程场景下的应用效果。在施工及使用过程中，受施工工艺、环境作用及人为因素等影响，砂浆的抗压强度往往会出现显著差异。此外，在建筑的长期服役过程中，砂浆逐渐与环境间发生物质和能量的交换，自身的矿物组成和孔隙结构等也会逐渐发生变化，抗压强度和耐久性能也均随时间演化甚至发生明显降低，严重影响建筑结构的安全性和使用寿命。

2、目前，砂浆抗压强度的测试方法主要包括：利用特定尺寸的棱柱体或圆柱体试件(如边长70.7mm的立方体)进行破坏性抗压强度测试、微损的拔出法和针贯入法、无损的超声回弹法等进行检测。在长期服役的重要建/构筑物以及重点保护的古建筑中，以上检测评估方法尚存在很大技术难题，仍需进行有针对性地研发与完善。例如，若采用砂浆试件进行抗压强度测试，需对现有结构进行钻芯取样制备试件进行抗压测试，对结构整体性与安全性会产生严重负面影响，可行性较差；而对拔出法、贯入法和回弹法等其它检测方法而言，测试点面需平整、光洁，测试结果依赖测强曲线，应用范围与结果准确性均有提升空间。因此，研发适用于长期服役的重要建/构筑物以及重点保护的古建筑中砂浆抗压强度的新型测试评估方法，既满足实际的工程需求，又具有重要的应用价值。

技术实现思路

1、本发明为解决提升测试长期服役的重要建/构筑物以及重点保护的古建筑的砂浆抗压强度的可行性与结果准确性的问题，进而提出一种基于低场磁共振弛豫技术的砂浆抗压强度预测模型与方法。

2、本发明为解决上述问题采取的技术方案是：

3、基于低场磁共振弛豫技术的砂浆抗压强度预测模型构建方法，所述基于低场磁共振弛豫技术的砂浆抗压强度预测模型构建方法是通过以下步骤实现的：

4、s1：标准砂浆试件制备、养护和饱水处理，选用确定类型的胶结材料制备标准砂浆试件，水胶比与胶砂比自定，待所有标准砂浆试件脱模后，在应用环境中养护28天以上，之后将所有标准砂浆试件置于饱水设备中，饱水1天以上；

5、s2：标准砂浆试件低场磁共振弛豫测试分析，包括测试准备、设定参数、低场磁共振弛豫信号采集、标定水测试和标准砂浆试件孔径分布确定；

6、s3：标准砂浆试件抗压强度测试，利用压折试验机，测试各个标准砂浆试件的抗压强度；

7、s4：确定标准砂浆试件与孔结构关系模型，包括计算分级孔隙率、模型构建和拟合参数确定。

8、进一步的，s2中所述标准砂浆试件低场磁共振弛豫测试分析具体包括：

9、s2.1：测试准备：将标准砂浆试件用保鲜膜严密包裹，再放入低场磁共振弛豫测试设备的样品仓中；

10、s2.2：设定参数：利用cpmg脉冲序列进行低场磁共振弛豫测试，设置测试参数；

11、s2.3：低场磁共振弛豫信号采集：利用cpmg脉冲序列对各个标准砂浆试件进行低场磁共振弛豫测试，获得脉冲回波信号m(τ)，m(τ)表达式如下：

12、

13、式(1)中，砂浆内部孔隙细分为j组，t2i是第i(i＝1,2,...,j)组孔隙水的横向弛豫时间，单位是s，fi是第i组孔隙水的体积分数，无量纲，vi是第i组孔隙水的体积，单位是m3，v0是所有孔隙水的总体积，单位是m3，m0是利用常用的低场磁共振弛豫信号多指数反演(multi-exponential fitting)算法得到的孔隙水的总信号量，单位是μv.，fi(t2i)是利用多指数反演算法得到的各组孔隙水横向弛豫时间谱；

14、s2.4：标定水测试：采用相同的cpmg测试方法，对浓度为1％wt、含水量为mwb的硫酸铜溶液进行低场磁共振弛豫测试并分析，获得其弛豫信号量mwb，因弛豫总信号量与水分质量严格成正比，则标准砂浆试件孔隙水含量mw的表达式如下：

15、

16、s2.5：标准砂浆试件孔径分布确定：另取一个标准砂浆试件，在23％相对湿度下放置28天以上，利用hahn自旋回波序列的低场磁共振弛豫测试获得砂浆试件的表面弛豫强度ρ2，根据快速弛豫理论将标准砂浆试件的横向弛豫时间t2i转换为圆柱形孔隙等效半径ri。

17、进一步的，所述快速弛豫理论为第i组孔隙的等效半径ri与其内部水分的横向弛豫时间t2i成正比，表达式如下：

18、ri＝2ρ2t2i (3)

19、进一步的，s4中所述确定标准砂浆试件与孔结构关系模型具体包括：

20、s4.1：计算分级孔隙率：根据标准砂浆试件孔径分布，分别计算r＞10nm和r＜10nm孔隙的分级孔隙率p＞10与p＜10；

21、s4.2：模型构建：当r＞10nm时，孔隙对砂浆抗压强度σ的影响根据griffith断裂理论表达，并考虑仅有p＞10对砂浆的弹性模量e0与断裂表面能γ0产生影响，抗压强度预测模型的表达式如下：

22、

23、式(4)中，rb是砂浆破坏时的裂缝半宽度，单位是m，n是p＞10对断裂表面能γ0的影响参数；

24、当r＜10nm时，孔隙仅对砂浆基体强度产生影响，且与1-p＜10的3次方有关，抗压强度预测模型的表达式修正如下：

25、

26、式(5)中，含p＞10与p＜10共2个变量，以及n、e0、γ0、rb共4个拟合参数。但对不同砂浆试件，这4个拟合参数中的后3个可视为1个拟合参数，即e0γ0/rb。将拟合参数e0γ0/rb组合为拟合参数x，拟合参数n以拟合参数y代替；

27、s4.3：拟合参数确定：根据实测的标准砂浆试件抗压强度与分级孔隙率p＞10、p＜10，拟合得到模型中的x与y值，保证相关系数的平方r2＞0.99。

28、进一步的，s4.2中当r＜10nm时所述抗压强度预测模型可优化为：

29、

30、进一步的，s2.2中所述测试参数包括：回波间隔、回波个数、等待时间、扫描次数、采样时间间隔、采集点数。

31、进一步的，s1中所述标准砂浆试件的尺寸为20mm×20mm×50mm。

32、进一步的，s1中所述应用环境为干燥环境、高湿环境或水中环境。

33、基于低场磁共振弛豫技术的砂浆抗压强度预测方法，先对待测砂浆试件进行低场磁共振弛豫测试分析，再通过基于低场磁共振弛豫技术的砂浆抗压强度预测模型构建方法获得的抗压强度预测模型对待测砂浆试件抗压强度进行预测。

34、进一步的，所述待测砂浆试件低场磁共振弛豫测试分析是通过以下步骤实现的：

35、s1a：待测砂浆试件钻取：从待检测建筑物、构筑物的各部位，钻取尺寸小于等于标准砂浆试件尺寸的待测砂浆试件；

36、s2a：待测砂浆试件饱水处理：将待测砂浆试件置于饱水设备中，饱水1天以上；

37、s3a：待测砂浆试件低场磁共振弛豫测试：将待测砂浆试件用保鲜膜严密包裹，再放入低场核磁共振弛豫测试设备的样品仓中测试，测试参数与测试标准砂浆试件时保持一致；

38、s4a：低场磁共振弛豫信号采集：利用cpmg脉冲序列对各个待测砂浆试件进行低场磁共振弛豫测试，可获得其脉冲回波信号m(τ)测；

39、s5a：待测砂浆试件孔径分布确定：利用快速弛豫理论将各个待测砂浆试件的弛豫时间谱fi(t2i)测转换为孔径分布fi(ri)测，表面弛豫强度ρ2与测试标准砂浆试件时保持一致；

40、s6a：计算待测砂浆试件分级孔隙率：根据待测砂浆试件孔径分布，计算r＞10nm和r＜10nm孔隙的分级孔隙率p＞10测与p＜10测。

41、本发明的有益效果是：

42、本发明针对长期服役的重要建/构筑物以及重点保护的古建筑中，不同砂浆抗压强度测试方法存在的不同问题，提出一种低场磁共振弛豫技术快速测试表征砂浆孔结构特征并精准预测其抗压强度的模型与方法，基于低场磁共振弛豫技术的砂浆抗压强度预测模型适用性强，稳定性好，拟合精度极高；基于低场磁共振弛豫技术的砂浆抗压强度预测方法在精准预测砂浆抗压强度的同时，最小化对建筑物的损害，满足快速、简单、大量、准确的检测需求，实现降本增效的技术目标。既满足实际的工程需求，又具有重要的应用价值。