飽水法測(cè)定混凝土孔隙率的試塊尺寸優(yōu)化研究

張 強(qiáng)，劉紅彪

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 水工構(gòu)造物檢測(cè)、診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456)

混凝土是一種多相的多孔材料，由于受施工工藝、養(yǎng)護(hù)條件、內(nèi)外環(huán)境溫濕度變化等影響，混凝土在未承受外荷載前就存在一定量的孔隙，其物理力學(xué)性能與材料內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系。孔結(jié)構(gòu)可直接影響混凝土材料的強(qiáng)度、滲透性、抗凍性、耐腐蝕性、濕脹干縮、徐變及導(dǎo)熱性能等。同時(shí)，環(huán)境濕度、凍融循環(huán)及高溫作用等外部環(huán)境對(duì)混凝土的作用，也會(huì)影響其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。因此，準(zhǔn)確了解混凝土內(nèi)部的孔隙率對(duì)研究分析混凝土內(nèi)部孔隙與其宏觀力學(xué)性能及耐久性能之間的關(guān)系至關(guān)重要[1-2]。

測(cè)定混凝土內(nèi)部孔隙率的方法主要有掃描電鏡(scanning electronmicroscopy，SEM)法[3]、圖像分析法[4]、甲醇法、壓汞法、氦流法及飽水法等[5-6]。周敏采用掃描電鏡對(duì)不同外加劑使用狀態(tài)下的混凝土孔隙率進(jìn)行了測(cè)試分析，得到了外加劑對(duì)混凝土孔隙率的影響規(guī)律[3]。朱洪波采用圖像分析法對(duì)15種不同含氣量的混凝土孔隙率進(jìn)行了測(cè)試分析，建立了混凝土孔隙率與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系[4]。Rakesh Kumar用壓汞法測(cè)定混凝土中孔隙率一般不低于10%[7]。由于壓汞法試驗(yàn)中試樣體積較小，難以真實(shí)反映混凝土中孔隙大小，而且所施加的壓力不易控制，一定程度上會(huì)使實(shí)測(cè)的孔隙率偏大。劉保東通過(guò)浸泡混凝土的方式，測(cè)定混凝土自由吸收水條件下含水率最大不超過(guò)5%，同時(shí)含水率也側(cè)面反映了混凝土內(nèi)連通孔隙率的大小[8]。Yaman、孫振江通過(guò)在混凝土中添加引氣劑以產(chǎn)生不同含氣量的氣泡來(lái)預(yù)制孔隙，通過(guò)測(cè)定氣泡量以間接測(cè)定混凝土孔隙率，但效果不好[9-10]。葉銘勛采用甲醇法、氦流法、飽水法進(jìn)行了混凝土孔隙率的測(cè)試，這些方法可反映不同水灰比混凝土的孔隙率[5]。盡管混凝土孔隙率的測(cè)定方法很多，但這些方法都存在一定的局限性；并且除了掃描電鏡法、圖像分析法外，多數(shù)試驗(yàn)方法試驗(yàn)過(guò)程中試樣都要經(jīng)過(guò)一定的干燥處理，將試樣孔隙中的水分分離，以便測(cè)試介質(zhì)(如甲醇、汞或氦氣等)的進(jìn)入量，根據(jù)介質(zhì)的進(jìn)入量，得出試樣的孔隙率。同時(shí)，多數(shù)試驗(yàn)方法需要昂貴的測(cè)試設(shè)備才可進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，如掃描電鏡法需要掃描電鏡、壓汞法需要壓汞儀，這些設(shè)備一般價(jià)格較高，普通單位難以配備相應(yīng)設(shè)備，無(wú)法采用相關(guān)方法進(jìn)行混凝土的孔隙率測(cè)試。相對(duì)于其他測(cè)試方法，基于飽水試驗(yàn)原理測(cè)定混凝土孔隙率的試驗(yàn)條件更易達(dá)到。

但目前采用飽水法測(cè)定混凝土孔隙率沒(méi)有通用的測(cè)試步驟，且對(duì)于試塊的尺寸沒(méi)有明確的規(guī)定。葉銘勛進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)時(shí)，將試樣養(yǎng)護(hù)到給定齡期，用切割機(jī)切成2.0 cm×2.0 cm×0.5 cm塊狀試樣，采用飽水法進(jìn)行混凝土孔隙率的測(cè)試[5]。但試塊過(guò)小，實(shí)驗(yàn)室中很難進(jìn)行試塊的切割，即使完成切割，切割后試塊的形狀尺寸也會(huì)造成較大的試驗(yàn)誤差。因此，為了建立基于飽水原理的混凝土孔隙率標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)定方法及確定試驗(yàn)試塊的最優(yōu)化尺寸，開(kāi)展相關(guān)研究是很有必要的。

本文采用理論分析與試驗(yàn)相結(jié)合的方式，針對(duì)基于飽水原理的混凝土孔隙率標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)定方法及試驗(yàn)試塊的最優(yōu)化尺寸進(jìn)行了相關(guān)研究，分析推導(dǎo)了飽水法測(cè)定混凝土孔隙率的計(jì)算公式，建立了基于飽水原理的混凝土孔隙率標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)定方法及試驗(yàn)步驟，確定了試驗(yàn)試塊最優(yōu)化尺寸。

1 飽水法測(cè)試?yán)碚摷霸囼?yàn)步驟

1.1 基本理論

根據(jù)特征尺寸的不同，材料結(jié)構(gòu)可分為3個(gè)層次，即宏觀結(jié)構(gòu)、細(xì)觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)。宏觀結(jié)構(gòu)是指用肉眼或放大鏡能分辨的結(jié)構(gòu)；細(xì)觀結(jié)構(gòu)是指可用光學(xué)顯微鏡能觀察的結(jié)構(gòu)；微觀結(jié)構(gòu)是指原子、分子層次的結(jié)構(gòu)。針對(duì)混凝土孔隙率的研究屬于細(xì)觀層次[11]?；炷敛牧显诩?xì)觀層次上可看作由混凝土基質(zhì)、粗細(xì)骨料、過(guò)渡區(qū)界面、孔隙等組成的多相復(fù)合材料[12-13]?；炷敛牧系目紫斗譃殚_(kāi)口孔隙和閉口孔隙兩種。二者孔隙率之和等于材料的總孔隙率。但影響混凝土材料性能的多是開(kāi)口孔隙，如混凝土的吸水性、抗?jié)B性、抗凍性等等。因此，本研究提出的基于飽水法測(cè)定混凝土孔隙率指的是測(cè)定混凝土開(kāi)口孔隙的孔隙率，即假定測(cè)試時(shí)閉口孔隙不參與作用。飽水法測(cè)定混凝土孔隙率的計(jì)算理論如下。

設(shè)混凝土試樣的飽水孔隙率為ε1，則

(1)

式中：W1為試塊飽和狀態(tài)時(shí)懸吊在水中的質(zhì)量；W2為飽和面干時(shí)的質(zhì)量；W3為試塊烘干后的質(zhì)量；Vv為試塊孔隙的總體積；V為試塊的總體積；ρω為水的密度。

各溫濕度條件下混凝土孔隙飽和度k

(2)

式中：Wn為試塊不同飽和度狀態(tài)下的面干質(zhì)量；其他參數(shù)意義見(jiàn)式(1)所示。

1.2 飽水法測(cè)定混凝土孔隙率的試驗(yàn)步驟

圖1 飽水法測(cè)定混凝土孔隙率的試驗(yàn)流程Fig.1 Test steps of concrete pore porosity measuring with water displacement method

由上述理論分析可知，飽水法測(cè)定混凝土孔隙率的基本原理是通過(guò)相應(yīng)方法將水充滿混凝土孔隙，通過(guò)測(cè)定混凝土飽水前后的質(zhì)量變化來(lái)計(jì)算混凝土的孔隙率。因此，根據(jù)飽水法測(cè)定混凝土孔隙率的測(cè)試原理，測(cè)定混凝土飽水孔隙率時(shí)需獲取試塊飽和狀態(tài)時(shí)懸吊在水中的質(zhì)量W1、飽和面干時(shí)的質(zhì)量W2和試塊烘干后的質(zhì)量W3。為了得到上述參數(shù)，借鑒混凝土抗氯離子滲透試驗(yàn)方法，采用飽水試驗(yàn)機(jī)、天平等相關(guān)設(shè)備，按照如下試驗(yàn)步驟進(jìn)行混凝土孔隙率的測(cè)定：

1)將試樣養(yǎng)護(hù)到給定齡期，用切割機(jī)切成相應(yīng)尺寸的塊狀試樣；2)將每組4塊的試樣放入飽水試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行飽水，飽水試驗(yàn)機(jī)的用法見(jiàn)下文介紹。飽水后，采用靜水天平測(cè)量試樣懸吊在水中的質(zhì)量(飽和)W1，采用電子天平測(cè)量飽和面干時(shí)的質(zhì)量W2；3)將試樣移入100 ℃的烘箱中烘24 h，得到試塊的烘干質(zhì)量W3，然后按照計(jì)算公式(1)計(jì)算試塊的孔隙率即可。4)對(duì)于計(jì)算不同飽和程度試塊的飽和度時(shí)，試塊飽水前應(yīng)測(cè)量試塊濕態(tài)時(shí)的面干質(zhì)量Wn，然后采用公式(2)按計(jì)算不同飽和狀態(tài)下的試塊飽和度。具體試驗(yàn)流程見(jiàn)圖1所示。

在進(jìn)行混凝土試塊孔隙率及飽和度測(cè)試時(shí)，飽水試驗(yàn)機(jī)的使用應(yīng)按照下述步驟和控制指標(biāo)進(jìn)行：

1)將切割好的混凝土試件垂直碼放于真空室內(nèi)，試件間要留有空隙，如果試件分兩層，則上層與下層之間應(yīng)通氣；2)試驗(yàn)水位應(yīng)高過(guò)所裝混凝土試塊的高度，真空室蓋要蓋好，固定螺栓擰緊，確保其密封性；3)打開(kāi)飽水試驗(yàn)機(jī)機(jī)箱，將連接真空室底部進(jìn)水電磁閥門(mén)的膠管一端放入盛有蒸餾水的容器內(nèi)中；4)開(kāi)啟飽水試驗(yàn)機(jī)，將試件無(wú)水真空狀態(tài)保持3 h，真空壓強(qiáng)不大于133 Pa；然后，上水電磁閥自動(dòng)開(kāi)啟自動(dòng)上水到液位計(jì)設(shè)定位置后，上水電磁閥自動(dòng)關(guān)閉，1 h后，進(jìn)氣閥自動(dòng)打開(kāi)進(jìn)氣，進(jìn)氣2～3 min至真空室內(nèi)為常壓狀態(tài)后自動(dòng)關(guān)閉；然后按要求使試件在常壓下再浸水18 h[14]，此時(shí)認(rèn)為試塊處于飽和狀態(tài)，即可取出進(jìn)行下一階段的試驗(yàn)之用。

2 飽水法測(cè)定混凝土孔隙率的試塊尺寸優(yōu)化選擇

根據(jù)上文內(nèi)容介紹，飽水法測(cè)定混凝土孔隙率時(shí)，首先應(yīng)將養(yǎng)護(hù)完成的混凝土切成相應(yīng)尺寸的試塊，再開(kāi)展下一步的試驗(yàn)。因此，合理的試驗(yàn)試塊尺寸非常重要。但目前采用飽水法測(cè)定混凝土孔隙率的試驗(yàn)方法，針對(duì)混凝土試塊的尺寸沒(méi)有統(tǒng)一定論。葉銘勛將混凝土切成20 mm×20 mm×5 mm的尺寸，采用飽水法進(jìn)行了混凝土孔隙率及飽和度的測(cè)試[5]。但項(xiàng)目組在后期的試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，20 mm×20 mm×5 mm尺寸的混凝土試塊在實(shí)驗(yàn)室中很難通過(guò)切割實(shí)現(xiàn)，切割總發(fā)生試塊斷角、局部破損等情況，嚴(yán)重影響試驗(yàn)的精度。因此，為了進(jìn)一步確定飽水法測(cè)定混凝土孔隙率時(shí)的試塊最優(yōu)尺寸，確保混凝土切塊的可行性、易操作性及試驗(yàn)精度，本項(xiàng)目采用2種不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，4種不同尺寸的、實(shí)驗(yàn)室中易操作的混凝土試塊尺寸，進(jìn)行混凝土孔隙率的測(cè)試，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，確定飽水法測(cè)定混凝土孔隙率的最優(yōu)試塊尺寸，并推薦相應(yīng)的試驗(yàn)步驟和控制指標(biāo)。

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了檢驗(yàn)上述建立的飽水法測(cè)定混凝土孔隙率的可行性并確定試驗(yàn)試塊的最優(yōu)化尺寸，本文設(shè)計(jì)了兩種強(qiáng)度等級(jí)的混凝土C30和C40進(jìn)行孔隙率測(cè)試試驗(yàn)，混凝土配合比見(jiàn)表1所示。

表1 混凝土配合比設(shè)計(jì)(質(zhì)量比)Tab.1 The mix proportion design of concrete (mass ratio)

混凝土宏觀力學(xué)性能試驗(yàn)是較為常規(guī)的試驗(yàn)，相應(yīng)試驗(yàn)?zāi)＞咭草^為容易得到，由此，本試驗(yàn)制作了一批150 mm×150 mm×150 mm的立方體試塊和300 mm×150 mm×150 mm的棱柱體兩種試塊，供基于飽水法的混凝土孔隙率測(cè)定試驗(yàn)時(shí)切割試塊用。

為了確定飽水法測(cè)定混凝土孔隙率時(shí)的試塊最優(yōu)尺寸，基于混凝土切塊的可行性、易操作性及試驗(yàn)精度，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)4種不同尺寸的混凝土試塊進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)，尺寸分別為30 mm×30 mm×30 mm、50 mm×50 mm×50 mm、80 mm×80 mm×80 mm、100 mm×100 mm×100 mm。通過(guò)不同尺寸試塊下的孔隙率數(shù)據(jù)對(duì)比，確定試塊的最優(yōu)尺寸。其中，試驗(yàn)時(shí)每種尺寸的混凝土試塊4塊一組進(jìn)行試驗(yàn)，取4塊試塊孔隙率測(cè)試值的平均值作為每種尺寸試塊的測(cè)試值。由此，采用C30、C40兩種混凝土，4種試塊尺寸，2種被切割試塊尺寸，共計(jì)64塊試塊用于混凝土孔隙率測(cè)試試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)上述設(shè)計(jì)的混凝土試塊尺寸，采用飽水法，按照建立的試驗(yàn)方法及步驟，開(kāi)展了不同強(qiáng)度等級(jí)、不同試塊尺寸的混凝土孔隙率對(duì)比測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程見(jiàn)圖1所示。由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)量較大，試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)僅提供一種試塊尺寸的數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2～表5所示，C30和C40兩種等級(jí)混凝土的孔隙率測(cè)定值分別匯總于表6和表7所示。其中，30 mm×30 mm×30 mm的試塊尺寸在實(shí)驗(yàn)切割中很難操作，作者認(rèn)為試驗(yàn)數(shù)據(jù)精度不夠，數(shù)據(jù)參考價(jià)值有所降低。

根據(jù)混凝土孔隙率的試驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，獲取了不同試塊尺寸下混凝土孔隙率測(cè)試值的變化規(guī)律，其中試塊尺寸與孔隙率測(cè)定值的趨勢(shì)變化分別見(jiàn)圖2和圖3所示。由試驗(yàn)結(jié)果及孔隙率測(cè)定值的趨勢(shì)變化曲線圖(圖2和圖3)可知，不論何種等級(jí)的混凝土，其孔隙率測(cè)定值隨試塊尺寸的增大而減小，但當(dāng)試塊尺寸大到一定尺寸后，混凝土的孔隙率測(cè)定值趨于穩(wěn)定。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，由邊長(zhǎng)80 mm的立方體試塊測(cè)定的混凝土孔隙率與邊長(zhǎng)100 mm的立方體試塊測(cè)定的混凝土孔隙率基本一致，根據(jù)圖2和圖3的變化曲線可判斷，基于飽水法使用不同尺寸試塊測(cè)定混凝土孔隙率時(shí)，基于邊長(zhǎng)100 mm的混凝土立方體試塊測(cè)試時(shí)，孔隙率測(cè)定值趨于穩(wěn)定。并且，根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)的操作難度及試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，30 mm×30 mm×30 mm尺寸的混凝土試塊在實(shí)驗(yàn)中很難制備，切割操作困難，很難保證試驗(yàn)的精度。而其他尺寸的試塊制備難度及試驗(yàn)操作難度隨試塊尺寸的增加而降低，且試驗(yàn)精度隨試塊尺寸的增加逐步提高。

同時(shí)，考慮到實(shí)際結(jié)構(gòu)的尺寸一般較大，且針對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)試驗(yàn)時(shí)，多采用邊長(zhǎng)100 mm尺寸的立方體試塊進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，因此，考慮到試驗(yàn)的方便性并與常規(guī)的試驗(yàn)規(guī)定相統(tǒng)一，本文建議：當(dāng)采用飽水法進(jìn)行混凝土孔隙率測(cè)試試驗(yàn)時(shí)，宜采用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。該尺寸的試驗(yàn)結(jié)果與混凝土的實(shí)際狀態(tài)更為接近，且與相關(guān)的混凝土試驗(yàn)規(guī)程相統(tǒng)一，方便試驗(yàn)操作。

表2 C30混凝土孔隙率測(cè)定值(150 mm×150 mm×150 mm)Tab.2 The pore porosity testing results of C30 concrete(150 mm×150 mm×150 mm)

表3 C30混凝土孔隙率測(cè)定值(300 mm×150 mm×150 mm)Tab.3 The pore porosity testing results of C30 concrete(300 mm×150 mm×150 mm)

表4 C40混凝土孔隙率測(cè)定值(150 mm×150 mm×150 mm)Tab.4 The pore porosity testing results of C40 concrete(150 mm×150 mm×150 mm)

表5 C40混凝土孔隙率測(cè)定值(300 mm×150 mm×150 mm)Tab.5 The pore porosity testing results of C40 concrete(300 mm×150 mm×150 mm)

表6 C30混凝土孔隙率測(cè)定值匯總Tab.6 The all pore porosity testing results of C30 concrete

表7 C40混凝土孔隙率測(cè)定值匯總Tab.7 The all pore porosity testing results of C40 concrete

圖2 C30混凝土孔隙率測(cè)試對(duì)比Fig.2ResultscomparisonofC30concreteporeporosity圖3 C40混凝土孔隙率測(cè)試對(duì)比Fig.3ResultscomparisonofC40concreteporeporosity

3 結(jié)論

混凝土的孔隙率對(duì)其宏觀力學(xué)性能及耐久性有較大影響，準(zhǔn)確測(cè)定混凝土孔隙率對(duì)分析混凝土的宏觀力學(xué)性能至關(guān)重要。本文通過(guò)調(diào)研分析、理論推導(dǎo)、對(duì)比試驗(yàn)等手段，對(duì)混凝土孔隙率的測(cè)定方法及孔隙率測(cè)定時(shí)的混凝土試塊尺寸選擇方法進(jìn)行了系統(tǒng)研究，研究結(jié)論如下：

(1)目前，混凝土孔隙率的測(cè)定方法很多，但多數(shù)方法都存在一定的局限性；并且除了部分方法外，多數(shù)試驗(yàn)方法均是通過(guò)介質(zhì)填充置換的方式進(jìn)行混凝土孔隙率的測(cè)試。且不同的測(cè)試方法需要的測(cè)試設(shè)備不同，操作的難度和危險(xiǎn)性不同。相對(duì)于其他方法，飽水法測(cè)定混凝土孔隙率在設(shè)備價(jià)格、操作難度方面均具有明顯的優(yōu)勢(shì)。因此，本文基于調(diào)研分析及理論推導(dǎo)，提出了基于混凝土飽水試驗(yàn)的混凝土孔隙率測(cè)定方法，推導(dǎo)了飽水法測(cè)定混凝土孔隙率的計(jì)算公式，并建立了相應(yīng)的試驗(yàn)步驟。

(2)飽水法測(cè)定混凝土孔隙率時(shí)，采用的試塊尺寸沒(méi)有統(tǒng)一的定論。不同尺寸試塊的制備難度，測(cè)試精度也不同。因此，本文基于飽水法、通過(guò)采用不同混凝土試塊尺寸測(cè)定混凝土孔隙率的對(duì)比試驗(yàn)，獲取了不同試塊尺寸對(duì)混凝土孔隙率測(cè)定結(jié)果的影響，基于試驗(yàn)的可操作性、方便性及與常規(guī)試驗(yàn)規(guī)定的統(tǒng)一性，建議了基于飽水法測(cè)定混凝土孔隙率的最優(yōu)化試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊。本研究對(duì)推動(dòng)混凝土孔隙率測(cè)定方法的進(jìn)步與標(biāo)準(zhǔn)化具有積極作用。

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