一种基于微生物抗泛碱玻璃纤维增强水泥制品的泛碱均匀度预测评估方法

技术领域

本发明涉及建筑材料领域，特别是涉及一种水泥制品抗泛碱性能的预测评估方法。

背景技术

玻璃纤维增强水泥制品是中国装饰水泥基材料中最有影响，应用最为广泛的产品之一，因其自重轻、安装简单、强度高、可以大量的在工厂中预制、缩短了工期，在现代建筑、室内装饰也同样适用，玻璃纤维增强水泥与其他装饰水泥基材料最大的区别就在于在其结构层中加入耐碱玻璃纤维作为增强材料，使其具有更加良好的力学性能，其装饰美学性能则主要由面层提供。

泛碱问题是制约包括玻璃纤维增强水泥制品在内的装饰水泥基材料使用的一个关键问题，泛碱现象是由水泥基材料内部的水分迁移和表面水分蒸发带出的可溶性盐在水泥基材料表面形成白色沉积物造成的，会严重影响饰面砂浆的装饰效果。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种基于微生物抗泛碱玻璃纤维增强水泥制品的泛碱均匀度预测评估方法，可以对该类水泥制品泛碱均匀度的精准预测，同时可以实现加入微生物抗泛碱剂的玻璃纤维增强水泥制品的定量评估，评估周期短且精度高。

技术方案：本发明所述的一种基于微生物抗泛碱玻璃纤维增强水泥制品的泛碱均匀度预测评估方法，对试件进行加速泛碱处理，紧接着采用图像法并且配合着劳尔色卡来参比泛碱物质颜色，经加速泛碱处理后，得出试件表面泛碱面积率和泛碱均匀度，从而得出玻璃纤维增强水泥制品抗泛碱性能的定量评价指标。

具体包括以下步骤：

(1)对掺有微生物抗泛碱剂的玻璃纤维增强水泥制品进行加速泛碱处理；

(2)对加速泛碱处理后的试件进行图像采集，得到试件表面图像，对试件表面图像进行二值化处理，得到黑白图像，计算试件的泛碱面积率；

(3)将黑白图像按照不同视觉方向进行图像划分，计算划分得到每个区域的泛碱面积率，得到试件的泛碱均匀度。

进一步地，根据面层和基层的泛碱面积率和泛碱均匀度，预测不同掺量下的微生物抗泛碱剂的GRC试件抗泛碱性能的趋势。

优选地，玻璃纤维增强水泥制品的泛碱面积率和泛碱均匀度如下：

掺入微生物抗泛碱剂时，泛碱面积率和泛碱均匀度如下：

式中，E

上述步骤(1)中，微生物抗泛碱玻璃纤维增强水泥制品的制备方法包括：首先在模板上浇筑玻璃纤维增强水泥制品面层，面层中加入微生物抗泛碱剂；然后在面层初凝之前，在面层基础上浇筑基层，基层中加入耐碱玻璃纤维。

步骤(1)中，加速泛碱处理为将成型拆模后的玻璃纤维增强水泥试件置于水槽中，加水至试件高度一半以上且保证试件待测上表面为润湿状态，对表面施以恒定风速，放置24～48h，期间向水槽中补充水量以保证水面位于试件高度一半以上。微生物抗泛碱剂的主要有效成分为微生物菌粉，且施加的恒定风速为2m/s，为缩短试验周期，更好地测试玻璃纤维增强水泥制品的抗泛碱性能。

面层和基层的长度为200～400mm，宽度为200～400mm，高度为10～20mm。

优选地，为了保证试件中的Ca

步骤(2)包括以下步骤：

(1)在恒定光源条件下，同屏采集色号为RAL9010的劳尔色卡和经加速泛碱处理后的GRC试件表面图像，将图像转换为仅存在灰度变化的黑白图像；

(2)读取RAL9010色卡的灰度值记为G，统计GRC制品表面二值化图像中灰度值小于G的区域面积A

(3)计算泛碱面积率E

式中，E

其中，泛碱面积率的检测采用图像法，使用四千万像素的照相机进行图像采集，并以劳尔色卡作为泛碱物质颜色的参比，为了直观的得出玻璃纤维增强水泥制品的抗泛碱性能。

步骤(3)包括将采集到的GRC表面图像划分为不同区域，分别计算每个区域的泛碱面积率E

式中，E

步骤(3)中，采用五个视觉方向进行图像划分，图像划分线分别沿竖直方向、水平方向、45°方向、135°方向和中心发散方向。

发明原理：本发明以面层与基层分别制备微生物抗泛碱玻璃纤维增强水泥制品，其中面层添加微生物抗泛碱剂，基层添加耐碱玻璃纤维，在进行抗泛碱性能测试前，先对试件进行加速泛碱处理以缩短试验周期，紧接着采用图像法并且配合着劳尔色卡来参比泛碱物质颜色，随之从五个视觉方向上玻璃纤维增强水泥表面不同单元区域泛碱面积率的离散程度，经加速泛碱处理后，得出试件泛碱面积率，并对试件从不同的视角进行划分并分别计算泛碱面积率，求标准差得到泛碱均匀度。

本发明的技术难点为：微生物抗泛碱玻璃纤维增强水泥制品中引入了微生物抗泛碱剂和耐碱玻璃纤维，相对与普通水泥基材料而言，内部微观结构和传输机理极为复杂。由于二者对制品内部孔隙率、孔径分布等孔结构的影响，微生物抗泛碱玻璃纤维增强水泥制品的抗泛碱性能难以进行定量评估和预测，且泛碱测试周期长、不稳定，加大了对其抗泛碱性能表征测试的难度。

有益效果：

本发明通过结合理论模拟和试验验证，提出一种全新的抗泛碱性能测试方法、定量评价指标和预测模型，填补了本领域的技术空白，实现了微生物抗泛碱玻璃纤维增强水泥制品的定量评估和精准预测。

玻璃纤维增强水泥制品的泛碱均匀度采用不同视觉方向上玻璃纤维增强水泥表面不同单元区域泛碱面积率的离散程度，全面进行分析泛碱均匀度测试图像，大幅提高准确度。

附图说明

图1为本发明的原理流程图。

图2为本发明同屏采集试件与色卡图像。

图3为本发明泛碱均匀度测试图像视觉方向划分图，(a)为竖直方向，(b)为水平方向， (c)为45°方向，(d)为135°方向，(e)为中心发散方向；

图4为本发明玻璃纤维增强水泥制品砂浆面层(M组)泛碱面积率测试图，(a)为 M0灰度图，(b)为M0二值化处理后的图，(c)为M2灰度图，(d)为M2二值化处理后的图，(e)为M4灰度图，(f)为M4二值化处理后的图，(g)为M6灰度图，(h)为M6二值化处理后的图；

图5为本发明玻璃纤维增强水泥制品砂浆面层(M组)抗泛碱性能图；

图6为本发明玻璃纤维增强水泥制品砂浆面层(J组)泛碱面积率测试图，(a)为J0灰度图，(b)为J0二值化处理后的图，(c)为J1灰度图，(d)为J1二值化处理后的图，(e) 为J3灰度图，(f)为J3二值化处理后的图，(g)为J5灰度图，(h)为J5二值化处理后的图；

图7为本发明玻璃纤维增强水泥制品砂浆面层(J组)抗泛碱性能图；

图8为本发明M0J0和M2J0二值化处理后的图，(a)为M0J0灰度图，(b)为M0J0 二值化处理后的图，(c)为M2J0灰度图，(d)为M2J0二值化处理后的图；

图9为本发明M4J0和M6J0二值化处理后的图，(a)为M4J0灰度图，(b)为M4J0 二值化处理后的图，(c)为M6J0灰度图，(d)为M6J0二值化处理后的图；

图10为本发明M0J1和M2J1二值化处理后的图，(a)为M0J1灰度图，(b)为M0J1 二值化处理后的图，(c)为M2J1灰度图，(d)为M2J1二值化处理后的图；

图11为本发明M4J1和M6J1二值化处理后的图，(a)为M4J1灰度图，(b)为M4J1 二值化处理后的图，(c)为M6J1灰度图，(d)为M6J1二值化处理后的图；

图12为本发明M0J3和M2J3二值化处理后的图，(a)为M0J3灰度图，(b)为M0J3 二值化处理后的图，(c)为M2J3灰度图，(d)为M2J3二值化处理后的图；

图13为本发明M4J3和M6J3二值化处理后的图，(a)为M4J3灰度图，(b)为M4J3 二值化处理后的图，(c)为M6J3灰度图，(d)为M6J3二值化处理后的图；

图14为本发明M0J5和M2J5二值化处理后的图，(a)为M0J5灰度图，(b)为M0J5 二值化处理后的图，(c)为M2J5灰度图，(d)为M2J5二值化处理后的图；

图15为本发明M4J5和M6J5二值化处理后的图，(a)为M4J5灰度图，(b)为M4J5 二值化处理后的图，(c)为M6J5灰度图，(d)为M6J5二值化处理后的图；

图16为本发明玻璃纤维增强水泥制品整体泛碱面积率；

图17为本发明泛碱均匀度计算区域划分示例图，(a)(b)为竖直方向划分的第1、2部分，(c)(d)为水平方向划分的第3、4部分，(e)(f)为45°方向划分的第5、6部分，(g)(h) 为135°方向划分的第7、8部分，(i)为中心发散方向划分的第10部分；

图18为本发明泛碱均匀度计算结果图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步地详细描述。

如图1所示为本发明的发明原理流程图，首先对试件进行加速泛碱处理，紧接着采用图像法并且配合着劳尔色卡来参比泛碱物质颜色，经加速泛碱处理后，得出试件表面泛碱面积率和泛碱均匀度，从而得出玻璃纤维增强水泥制品抗泛碱性能的定量评价指标；根据面层和基层的泛碱面积率和泛碱均匀度，预测不同掺量下的微生物抗泛碱剂的 GRC试件抗泛碱性能的趋势。

其中，玻璃纤维增强水泥制品的泛碱面积率和泛碱均匀度如下：

掺入微生物抗泛碱剂时，泛碱面积率和泛碱均匀度如下：

式中，E

具体步骤如下：

(1)先在表面光滑的模具内成型玻璃纤维增强水泥面层，即将P.W.42.5级白水泥、中砂、着色剂、微生物抗泛碱剂混合，将水与减水剂混合后与粉体拌合，浇注于模具上；然后在面层初凝前，在其的基础上成型玻璃纤维增强水泥基层，即将P.W.42.5级白水泥、中砂、着色剂混合，将水与减水剂混合后与粉体拌合，拌合过程中向其中加入耐碱玻璃纤维，浇注与面层之上；

其中，本实施例中加入的微生物抗泛碱剂主要成分为胶质芽孢杆菌，纤维为短切耐碱玻璃纤维丝，长度约为2cm，直径约0.2～0.3mm。

(2)将拆模后的试件置于水槽中，加水至试件高度一半以上且保证试件待测上表面为润湿状态，对表面施以恒定风速，放置24h后取出进行抗泛碱性能测试；

(3)在恒定光源条件下，同屏采集色号为RAL9010的劳尔色卡(纯白色)和经加速泛碱处理后的GRC试件表面图像，将图像导入计算机，使用Image-J软件将图像转换为仅存在灰度变化的黑白图像，读取RAL9010色卡的灰度值记为G，然后统计GRC制品表面灰度值小于G的区域面积A

式中：E

(4)将采集到的GRC表面图划分为不同区域，分别计算每个区域的泛碱面积率Eai，泛碱均匀度用下式进行计算：

式中：E

(5)设计玻璃纤维增强水泥制品面层配合比包括M0、M2、M4和M6，设计玻璃纤维增强水泥制品基层配合比包括J0、J1、J3和J5；

表1、玻璃纤维增强水泥制品面层配合比

表2、玻璃纤维增强水泥制品基层配合比

(6)从面层与基层中分别选取一组配合比成型玻璃纤维增强水泥制品，成型时组合试件时，先在表面光滑的模具内成型玻璃纤维增强水泥面层，再在面层的基础上成型玻璃纤维增强水泥基层；

(7)按照步骤(6)所示配比成型不同抗泛碱剂掺量的璃纤维增强水泥制品面层试件，经加速泛碱处理后，得出试件泛碱面积率和泛碱均匀度；

(8)对试件从五个不同的视角进行划分并分别计算泛碱面积率，求标准差得到泛碱均匀度，最终分析得出结果。

如图3-5所示，微生物抗泛碱剂的主要有效成分为微生物菌粉，且施加的恒定风速为2m/s，为缩短试验周期，更好地测试玻璃纤维增强水泥制品的抗泛碱性能，泛碱面积率的检测采用图像法，使用四千万像素的照相机进行图像采集，并以劳尔色卡作为泛碱物质颜色的参比，为了直观的得出玻璃纤维增强水泥制品的抗泛碱性能用泛碱面积率和泛碱均匀度进行表征，便于下道步骤中数据的对比分析，玻璃纤维增强水泥制品的泛碱均匀度为五个视觉方向上玻璃纤维增强水泥表面不同单元区域泛碱面积率的离散程度，为了全面的进行分析泛碱均匀度测试图像，使得结论更为准确。

如图4-5所示，玻璃纤维增强水泥制品面层的成型尺寸300mm×300mm×10mm，玻璃纤维增强水泥制品基层的成型尺寸为300mm×300mm×20mm，两层浇筑的时间间隔不超过10min，成型后的试件置于温度为20±2℃的标准养护室，且养护室的相对湿度大于 95％，为了保证试件中的Ca

如图6-16所示，按照表4所示的配合比成型不同抗泛碱剂掺量的玻璃纤维增强水泥制品基层试件，经加速泛碱处理后和二值化处理的图像如图5所示，其泛碱面积率和泛碱均匀度计算结果如图6所示，仅存在厚度为20mm的玻璃纤维增强水泥制品基层，纤维掺量为0％、1％、3％、5％时，试件泛碱面积率分别为58.44％、70.37％、71.16％、 80.4％，泛碱均匀度分别为0.149、0.129、0.123、0.121。按照表1和表2所示配合比，成型基层与面层组合的玻璃纤维增强水泥制品，如图8-15所示为部分试件经加速泛碱处理以及二值化处理后的图像，图15为泛碱面积率计算结果，从测试结果可以看到，在包含面层和基层的GRC制品中，微生物抗泛碱剂对GRC制品的抗泛碱性能提升效果仍然十分明显：当面层微生物抗泛碱剂掺量为0％和0.2％时，各组GRC制品试件泛碱面积率均在60％以上甚至达到80％；当面层微生物抗泛碱剂掺量达到0.4％，M4J0和 M4J1组的泛碱面积率均已降至10％以下，分别为4.42％和6.08％，M4J3和M4J5组的泛碱面积率也从70％～80％降低至18.00％和23.17％；当面层微生物抗泛碱剂掺量达到 0.6％时，各组GRC制品试件泛碱面积率均降低至3％左右。此外，在面层微生物抗泛碱剂掺量一定时，泛碱面积率呈现随着基层纤维掺量增加而增大的趋势，这与前述试验结果是一致的，但由于完整的GRC制品中由面层覆盖了基层，基层泛碱对整体泛碱的影响有限，这一趋势不如前述仅存在基层时显著。

如图16-18所示，对试件从不同的视角进行划分并分别计算泛碱面积率，求标准差得到泛碱均匀度，计算结果如图18所示，结合图16、18可以发现，泛碱面积率较大时，泛碱均匀度数值也会偏大，但总体偏差很小，这种偏差与泛碱均匀度的定义和计算方法有关，而其他因素如微生物抗泛碱剂、耐碱玻璃纤维等，对泛碱均匀度没有直接影响。

综上所述，该玻璃纤维增强水泥制品抗泛碱性能的测试表征方法，通过进行抗泛碱性能测试前，先对试件进行加速泛碱处理，缩短了测试周期，紧接着采用图像法并且配合着劳尔色卡来参比泛碱物质颜色，随之从五个视觉方向上玻璃纤维增强水泥表面不同单元区域泛碱面积率的离散程度，从面层与基层中分别选取一组配合比成型玻璃纤维增强水泥制品，经加速泛碱处理后，得出试件泛碱面积率和泛碱均匀度，并对试件从不同的视角进行划分并分别计算泛碱面积率，求标准差得到泛碱均匀度。