基于工業(yè)掃描分析混凝土氣泡結(jié)構(gòu)與抗鹽凍性能

張家科， 袁 捷， 劉文博， 吳 越

(1.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804；2.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

目前混凝土的孔結(jié)構(gòu)主要通過壓汞法和掃描電鏡等測(cè)試方法獲得，而氣泡主要通過直線導(dǎo)線法測(cè)得.壓汞法和掃描電鏡均為取樣測(cè)試，在表征整個(gè)試件的孔結(jié)構(gòu)存在一定的偏差[12].此外，壓汞法只能測(cè)連通孔，不包括封閉的或堵塞的孔，并且在高壓條件下該方法容易破壞低強(qiáng)度混凝土的孔結(jié)構(gòu)，造成較大誤差[13].直線導(dǎo)線法在測(cè)試混凝土氣泡過程中是人為決定導(dǎo)線的走向，具有一定的隨意性.鑒于傳統(tǒng)方法在表征混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)方面存在的局限性，本文采用工業(yè)掃描(computerized tomography,CT)計(jì)算機(jī)層析掃描成像技術(shù)對(duì)混凝土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得到試件的三維立體圖像和氣泡結(jié)構(gòu)參數(shù)，直觀地表征混凝土的微觀結(jié)構(gòu)與抗鹽凍性能之間的關(guān)系.此外，利用CT計(jì)算機(jī)層析掃描無損檢測(cè)的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鹽凍循環(huán)作用下混凝土微觀結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行跟蹤檢測(cè).

1 試驗(yàn)

1.1 原材料及配合比

本次試驗(yàn)采用P·O 52.5的普通硅酸鹽水泥，粗骨料采用玄武巖，細(xì)集料采用中粗砂，砂和粗骨料的各項(xiàng)性能指標(biāo)見表1、表2.

表1 砂的性能指標(biāo)

表2 粗骨料性能指標(biāo)

表3 混凝土的配合比

注：減水劑和引氣劑為水泥含量的百分比.

1.2 試驗(yàn)方法

將成型的A、B、C、D四組試件分別置于濃度為4%醋酸鉀溶液中進(jìn)行鹽凍循環(huán)試驗(yàn)，采用單面浸入溶液的方式，利用快凍/慢凍兩用凍融循環(huán)儀器，設(shè)定每次凍融循環(huán)為6 h，循環(huán)模式如圖1所示.

待試件完成設(shè)定的凍融次數(shù)后進(jìn)行剝落量測(cè)試，本試驗(yàn)選取單位面積剝落量(試件剝落物質(zhì)量與試件接觸溶液的面積之比)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行表征，通過收集混凝土剝落碎片的方法，將接觸溶液面剝蝕的碎片收集，并在100 ℃下烘干至恒重，然后用碎片的質(zhì)量除以表面積即為試件的剝落量.

圖1 凍融循環(huán)模式

(1)

式中:Mn為n次鹽凍循環(huán)后試件的累積單位面積剝落量，kg·m-2；mn為n次鹽凍循環(huán)后累積烘干剝落物質(zhì)量，kg；s為測(cè)試試件接觸溶液的表面積，m2.

對(duì)同一個(gè)試件在25次鹽凍循環(huán)前后分別進(jìn)行CT掃描，采用YXLON.CT Precision工業(yè)CT推薦配置的三維可視化軟件VG Studio Max2.2，軟件可根據(jù)核磁共振圖像(MRI)等數(shù)據(jù)來生成掃描試件的3D模型.硬化水泥混凝土試件掃描后重建數(shù)據(jù)的三維可視化效果，利用VG Studio Max2.2可以獲得試件正面、立面和側(cè)面三個(gè)角度的二維切片圖像，并通過重建算法實(shí)現(xiàn)三維立體效果圖及數(shù)據(jù)分析.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 鹽凍循環(huán)

A、B、C、D四組試件的統(tǒng)計(jì)剝落量結(jié)果如表4和圖2所示，并計(jì)算25次凍融循環(huán)后，剝落量與混凝土含氣量之間的關(guān)系如圖3所示.通過圖表可以看出，混凝土鹽凍過程中的剝落量開始隨混凝土含氣量的增加而降低，但當(dāng)含氣量大于6.4%時(shí)，剝落量基本保持恒定，C組和D組的剝落量幾乎一樣，這說明混凝土的含氣量不是越高就越好，過度引氣反而會(huì)降低其抗凍性.25次鹽凍循環(huán)后混凝土的剝落量M25(kg·m-2)隨著混凝土含氣量A(%)變化的回歸方程如下所示:

M25=0.02A2-0.31A+1.69,R2=0.99

(2)

表4混凝土試件在鹽凍循環(huán)次數(shù)下的剝蝕量

Tab.4Materiallossofsamplesaftercyclicfreeze-thawtestinsaltsolution

試件編號(hào)含氣量/%剝落量/(kg·m-2)5次10次15次20次25次A1．10．210．430．701．051．38B3．60．090．160．260．480．81C6．40．080．120．160．280．52D9．30．060．110．160．240．50

圖2 剝落量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系

Fig.2Relationshipbetweenmateriallossandfreeze-thawcycles

圖3 剝落量隨含氣量的變化關(guān)系

美國聯(lián)邦航空管理局規(guī)定25次鹽凍循環(huán)試驗(yàn)剝落量小于等于0.75 kg·m-2為合格，并且規(guī)定當(dāng)剝落量大于1.5 kg·m-2時(shí)即可停止試驗(yàn)[15].因此，由回歸方程可以得到，在此配合比下混凝土抗鹽凍性能要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，即25次鹽凍循環(huán)剝落量M25小于0.75 kg·m-2時(shí)，混凝土的含氣量要大于4.1%，結(jié)合機(jī)場(chǎng)道面混凝土強(qiáng)度、坍落度、經(jīng)濟(jì)效應(yīng)等指標(biāo)和公路相關(guān)規(guī)范，含氣量應(yīng)在5%～7%之間.

2.2 混凝土細(xì)觀孔結(jié)構(gòu)

從A、B、C、D四組試件中切取尺寸為40 cm×40 cm×40 cm的樣本進(jìn)行CT掃描，然后從掃描試件中選取10 cm×5 cm×4 cm的區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到不同引氣劑摻量混凝土的三維立體效果圖，如圖4所示.圖像中混凝土內(nèi)部黑色的陰影為孔隙，可以看出，隨著引氣劑摻量的增加，混凝土內(nèi)部黑色面積增加，說明氣泡逐漸增多.

2.2.1含氣量

根據(jù)分析軟件可以直接得出試件的含氣量，將工業(yè)CT裝置和含氣量測(cè)定儀得出的混凝土孔隙率進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表5所示，工業(yè)CT得到的孔隙率要略大于含氣量測(cè)定儀測(cè)得的含氣量.

表5 含氣量測(cè)定儀和CT測(cè)定的孔隙率對(duì)比

2.2.2氣孔數(shù)量及孔徑分布

高品質(zhì)引氣劑引入的氣泡孔徑一般在50～300 μm，氣泡的體積小于0.015 mm3，且為比較規(guī)則的圓形氣泡[16].為避免把混凝土中集料周圍的裂隙作為被測(cè)對(duì)象，需要通過設(shè)置合理的球形度將小于設(shè)置值的孔隙去除，本文球形度取0.6，將球形度小于0.6的孔隙去除后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.

按照要求篩選孔隙后，利用分析軟件對(duì)混凝土內(nèi)部不同孔徑氣孔數(shù)量、平均孔徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果如表6和圖5所示，可以看出混凝土內(nèi)部氣泡數(shù)量隨引氣劑摻量的提高而增多，但不同大小氣孔的數(shù)量分布并不均勻，氣孔越小數(shù)量越多；當(dāng)混凝土摻入了引氣劑，小孔徑的氣孔數(shù)量明顯增加，三組引氣混凝土孔徑小于134 μm氣孔數(shù)量占?xì)饪卓倲?shù)98%以上.由剝蝕量測(cè)試結(jié)果(表4)可知，B、C、D三組引氣混凝土抗鹽凍性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于未引氣的A組，正因?yàn)橐龤馑氪罅啃∏揖鶆虻臍馀?，這些氣泡在正常環(huán)境下不易被水完全充滿，導(dǎo)致混凝土飽水度降低，能夠釋放更多的結(jié)冰壓，從而提高混凝土的抗鹽凍性能[17].

a 未引氣

b 0.01%引氣劑

c 0.015%引氣劑

d 0.02%引氣劑

表6 混凝土內(nèi)部氣泡孔徑分布

圖5混凝土的單位體積氣孔數(shù)和平均孔徑隨含氣量的變化關(guān)系

Fig.5Relationshipsbetweenairvoidsandaverageairvoidsizeversusaircontent

從圖5可以得到氣孔平均孔徑和混凝土含氣量呈遞減關(guān)系，引氣劑摻量越大，混凝土含氣量越大，氣孔平均孔徑越小，但含氣量為9.3%的D組試件的平均孔徑要略大于含氣量為6.4%的C組試件，因?yàn)镈組引氣劑的摻量過大，混凝土無法容納更多的微小氣泡，振搗成型的時(shí)候這些小氣泡容易形成大氣泡(圖4d)，導(dǎo)致平均孔徑增大，從而進(jìn)一步證實(shí)D組試件出現(xiàn)了過度引氣的情況.

2.2.3氣泡間距系數(shù)

通過計(jì)算A、B、C、D四組混凝土試件的氣泡間距系數(shù)，并與25次鹽凍循環(huán)剝落量進(jìn)行擬合，可以得到剝落量與氣泡間距系數(shù)的擬合關(guān)系曲線，如圖6所示.根據(jù)剝落量0.75 kg·m-2的合格臨界值，計(jì)算得到混凝土氣泡間距系數(shù)小于238 μm時(shí)，具有良好的抗鹽凍性能.

Fig.6Regressionrelationshipbetweenmateriallossandairvoidspacecoefficient

2.3 鹽凍作用下混凝土孔結(jié)構(gòu)變化

基于工業(yè)CT技術(shù)無損檢測(cè)的特點(diǎn)，對(duì)同一個(gè)試件在25次鹽凍作用前后分別進(jìn)行掃描，得到其孔結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律.由于鹽凍破壞僅發(fā)生在混凝土表面，故選取溶液接觸面5 mm深度的區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.

2.3.1接觸面總孔隙率的變化

鹽凍循環(huán)前后總孔隙率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表7所示，由表可知，C組試件混凝土孔隙率變化較小，而非引氣A組孔隙率變化是引氣型C組的3倍左右，這是由于非引氣混凝土發(fā)生嚴(yán)重的鹽凍破壞，凍結(jié)時(shí)所產(chǎn)生結(jié)冰壓足以使混凝土表面產(chǎn)生大量的微裂紋和孔隙，使孔隙率變大，而在引氣型混凝土內(nèi)由于飽水度較低產(chǎn)生的結(jié)冰壓對(duì)混凝土造成的影響較小.

表7鹽凍循環(huán)前后總孔隙率變化

Tab.7Airvoidschangeaftercyclicfreeze-thawtestinsaltsolution

試件編號(hào)試驗(yàn)前孔隙率/%試驗(yàn)后孔隙率/%變化率/%A(非引氣)1．011．3735．6C(引氣)4．965．5912．7

2.3.2氣泡間距系數(shù)的變化

鹽凍循環(huán)前后氣泡間距系數(shù)的計(jì)算結(jié)果如表8所示，鹽凍循環(huán)后非引氣混凝土氣泡間距系數(shù)繼續(xù)增大，在鹽凍過程中混凝土微觀孔隙發(fā)生劣化.

表8鹽凍循環(huán)前后氣泡間距系數(shù)變化

Tab.8Airvoidspacingchangeaftercyclicfreeze-thawtestinsaltsolution

試件編號(hào)試驗(yàn)前氣泡間距系數(shù)/μm試驗(yàn)后氣泡間距系數(shù)/μmA(非引氣)468605C(引氣)179193

2.3.3可視化軟件生成效果圖中孔隙分布的變化

利用可視化軟件VG Studio Max2.2，根據(jù)混凝土內(nèi)部孔隙大小對(duì)其渲染，從圖中可以直觀地看到孔隙分布和孔隙大小，標(biāo)定孔隙從大到小的顏色依次為紅>橙>黃>綠>藍(lán).

凍融前后試件與溶液相接觸面的二維切片圖像如圖7所示.從圖中可以看出引氣混凝土相比于非引氣混凝土內(nèi)部有大量小氣孔，引氣效果明顯.對(duì)比鹽凍前后的照片發(fā)現(xiàn)兩組試件中部分孔隙的體積都有所增大，發(fā)生變化的孔隙已用箭頭標(biāo)出，其中未引氣型混凝土孔隙變化較為明顯，許多小孔隙經(jīng)過鹽凍環(huán)變成了較大的孔隙，而引氣型混凝土孔隙變化較小,少量攪拌過程中生成的氣泡變大,而通過引氣劑引入的氣泡未發(fā)生明顯變化.

通過三維立體效果圖可以得到鹽凍前后混凝土試件孔隙的變化，凍融前后與溶液相接觸面的三維效果圖如圖8所示.可以看出未引氣混凝土在鹽凍前孔隙數(shù)量很少，且分布較為稀疏，經(jīng)過25次鹽凍循環(huán)后孔隙數(shù)量明顯增多，小孔隙布滿了整個(gè)試件，孔隙體積較大的模塊也出現(xiàn)在效果圖當(dāng)中，說明混凝土劣化嚴(yán)重，出現(xiàn)了大量裂紋和大孔隙.而引氣型混凝土試件兩張圖片的變化并不大，說明沒有發(fā)生嚴(yán)重的鹽凍破壞，試件自身含有大量的氣孔，試驗(yàn)前后孔隙模塊都布滿了整個(gè)試件，從而進(jìn)一步說明大量微小的氣泡有助于提高混凝土的抗鹽凍性能[18].

3 結(jié)論

(1)引氣是提高混凝土抗鹽凍性能的重要手段.混凝土的含氣量存在一個(gè)最佳值，過度引氣將引起負(fù)面效應(yīng)，研究結(jié)果表明混凝土的含氣量為5%～7%時(shí)抗凍性較好.

(2)通過工業(yè)CT技術(shù)可以測(cè)得混凝土氣泡結(jié)構(gòu)參數(shù)：孔隙率、氣孔數(shù)量、氣孔分布情況、平均孔徑和氣泡間距系數(shù)，且工業(yè)CT測(cè)得的氣泡結(jié)構(gòu)參數(shù)略大于傳統(tǒng)含氣量測(cè)定儀測(cè)得的氣泡結(jié)構(gòu)參數(shù).

a A組凍融循環(huán)前

b A組25次凍融循環(huán)后

c C組凍融循環(huán)前

d C組25次凍融循環(huán)后

a 凍融循環(huán)前(未引氣)

b 25次凍融循環(huán)(未引氣)

c 凍融循環(huán)前(引氣)

d 25次凍融循環(huán)(引氣)

(3)混凝土的孔隙率、氣孔數(shù)量隨引氣劑摻量的增加而增大，平均孔徑和氣泡間距系數(shù)隨引氣劑摻量的增加而減小.其中氣泡間距系數(shù)與混凝土抗鹽凍性能有較好的相關(guān)性，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)混凝土的氣泡間距系數(shù)小于238 μm時(shí)其抗鹽凍性能較好.

(4)工業(yè)CT技術(shù)測(cè)試發(fā)現(xiàn)引氣混凝土相比于非引氣混凝土內(nèi)部有大量小氣孔，鹽凍前后未引氣混凝土孔隙變化較為明顯，而引氣混凝土孔隙變化較小.因此，進(jìn)一步說明大量微小的氣泡有助于提高混凝土的抗鹽凍性能.

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