基于顯微鏡圖像分析的振動作用下混凝土孔結(jié)構(gòu)研究

黃維蓉，習(xí) 磊，易金明，凌 云

(1. 重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400074；2. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；3. 重慶交通大學(xué) 交通土建工程材料國家地方聯(lián)合工程實驗室，重慶 400074；4. 武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，湖北 武漢 430063；5. 廣東省長大公路工程有限公司，廣東 廣州 510620)

0 引 言

目前，我國服役橋梁大部分處于運營養(yǎng)護期，橋梁在修補與加固過程中不可避免的受到外界環(huán)境干擾，研究顯示，行車荷載引起的橋梁振動對修補混凝土性能造成了影響[1-5]，然而現(xiàn)有研究大部分都是基于宏觀力學(xué)試驗，探索振動對混凝土力學(xué)性能的影響程度，而振動對混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化情況以及性能變化機理卻少有研究。蔣正武等[5-6]通過離析程度試驗分析了振動對混凝土骨料顆粒分布的影響，此外，他利用X射線衍射儀來分析振動后混凝土晶體結(jié)構(gòu)與礦物成分的變化。張悅?cè)坏萚7]利用超聲波檢測振動后混凝土不同齡期波速的變化來反映混凝土結(jié)構(gòu)的變化。以上研究從側(cè)面和微觀上反映了混凝土性能變化的原因，作為混凝土中重要組成部分，孔結(jié)構(gòu)對混凝土力學(xué)性能與耐久性影響顯著，但對于振動后混凝土性能變化的研究尚未有相關(guān)報道。

傳統(tǒng)測試和表征孔結(jié)構(gòu)特征的方法(如滲透法、壓汞法等)在測定微觀孔方面有良好適應(yīng)性，但對于混凝土中部分宏觀孔卻不是很合適，因為采用這些方法測定的最大孔徑通常比較小，而且大部分也只能檢測貫通孔[8]，但混凝土中存在孔徑為1～2 mm的非連通孔，且對混凝土宏觀性能具有重要影響。圖像分析技術(shù)近年來在水泥混凝土材料已有相當多的研究，能較好的反映出混凝土結(jié)構(gòu)的細觀結(jié)構(gòu)特性。張雄等[9]通過Image Pro Plus軟件對混凝土孔結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的關(guān)聯(lián)性進行了研究，取得了良好的效果。彭軍芝[8]基于MATLAB圖像分析法對蒸壓加氣混凝土的孔結(jié)構(gòu)進行初步的量化表征，但限于所采用數(shù)碼相機的分辨率，該方法只適合表征蒸壓加氣混凝土中的宏觀孔。陳賢瑞等[10]通過圖像分析技術(shù)對泡沫地質(zhì)聚合物宏觀孔結(jié)構(gòu)進行了研究，結(jié)果表明利用圖像分析方法表征宏觀孔結(jié)構(gòu)的參數(shù)具有良好的適用性。筆者采用圖像分析方法對混凝土振動與未受振動兩種情況下混凝土孔結(jié)構(gòu)參數(shù)進行對比，同時建立孔結(jié)構(gòu)參數(shù)與混凝土強度相關(guān)性，并根據(jù)試驗結(jié)果對混凝土受振后性能變化機理進行分析。

1 振動試驗方案及力學(xué)性能試驗

本次選取C50混凝土配合比為：水146 kg/m3，水泥430 kg/m3，砂720 kg/m3，石子1 125 kg/m3，減水劑5.5 kg/m3。由貫入阻力試驗測得混凝土初凝時間為3.5 h，終凝時間為6.5 h。根據(jù)調(diào)查研究顯示[11-12]：中小跨徑橋梁的自振頻率范圍為1～10 Hz，動撓度(振幅)為1～11 mm，為研究不同振動作用對混凝土的影響程度，筆者既選取9 Hz與8 mm的較大振動，也選取5 Hz，4 mm的較小振動，結(jié)合4 h及1 h兩種不同的成型后施加振動時間，設(shè)置5種試驗方案，在成型7 d后對比各組混凝土抗壓強度大小，如表1。

表1 混凝土配合比

表1 各組混凝土7 d抗壓強度

以上結(jié)果表明，振動施加后混凝土7 d抗壓強度有一定變化，對于較大振動組1和2，混凝土強度出現(xiàn)了一定程度下降，而對于較小振動組3和4強度則有略有增加。可以看出，較大振動會對混凝土強度產(chǎn)生不利影響，而較小振動反而能提升混凝土強度。

2 孔結(jié)構(gòu)圖像分析試驗

2.1 圖像分析試驗過程及結(jié)果

為研究振動對混凝土孔結(jié)構(gòu)的影響程度，本次采用圖像分析方法對5個試驗組分別取樣進行分析計算，同時采用硬化混凝土氣泡間距分析儀對靜置組進行孔結(jié)構(gòu)參數(shù)分析，以對比圖像分析結(jié)果的準確性，具體試驗過程如下：

2.1.1 試樣制備

以混凝土7 d凝期立方體抗壓試件(100 mm×100 mm)為原始試件，切割成4塊50 mm×50 mm尺寸小試塊，并進行拋光打磨，盡量保證試樣表面平整光滑，表面無劃痕。硬化混凝土氣泡間距分析儀測試的第1組試件采用100 mm×100 mm尺寸試件，并采取與圖像分析相同的處理方法。

2.1.2 孔與界面的對比處理

為使試樣測試表面的孔與界面區(qū)分開，便于后期圖像處理分析，先將準備好的試樣浸泡在黑色墨水中，待測試面全部(包括孔里面)被墨水覆蓋后晾干表面，再將納米級的白色碳酸鈣粉末撒在表面，并使得粉末全部填充孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部，最后將試樣表面多余的碳酸鈣粉末輕輕刮去，形成孔與測試面對比鮮明的效果如圖1。

圖1 處理后的試樣界面

2.1.3 孔圖像采集

本次采用實體顯微鏡對混凝土表面進行測試，測試倍數(shù)為40倍，采用800萬像素的數(shù)碼相機放在目鏡處進行拍照取樣，硬化混凝土氣泡間距分析儀中設(shè)定好參數(shù)后，可由系統(tǒng)軟件自動采集數(shù)據(jù)并自動計算得到孔徑分布、孔面積等結(jié)果。

2.1.4 圖像分析處理

本次采取Image Pro Plus(后文簡稱IPP)軟件進行圖像分析，分析過程如圖2。

以第1組試樣為例，由于放大40倍，拍照后的原始照片較大，為此選取采集的照片中一塊較小區(qū)域Ⅰ為例，如圖2(a)，其像素尺寸大小為750×480像素，利用IPP軟件進行二值化處理得到灰度圖像如圖2(b)，在界面處理過程中，由于撒布碳酸鈣粉或因拍照時可能導(dǎo)致有些孔與孔之間相連接，為此進行連接孔的分割處理，利用IPP中Split Objects功能自動進行連接孔分離，如圖2(c)，最后，通過選定要測量的統(tǒng)計參數(shù)，包括孔個數(shù)、面積、直徑以及孔面積百分比等進行最后的數(shù)據(jù)采集，如圖2(d)，接著利用導(dǎo)出數(shù)據(jù)功能將統(tǒng)計參數(shù)的所有數(shù)據(jù)導(dǎo)入到EXCEL中進行處理。

圖2 體視顯微鏡

圖3 硬化混凝土氣泡間距分析儀

圖2 圖像采集儀器

圖2 圖樣Ⅰ的IPP圖像處理過程

2.1.5 標尺的換算

在IPP軟件中可以進行尺寸的標定，本次采取的顯微鏡由于目鏡上沒有標尺，故采取像素值換算法進行標尺的換算，在測量時以相同的拍照方法將刻度尺放置于顯微鏡下進行拍照取樣，如圖3，利用IPP軟件中標尺工具進行測量得出1 mm的像素值約為152 Pixels，這樣換算出1個Pixels值對應(yīng)1/152 mm，然后對拍照取樣的圖像進行尺寸測量，見圖4。

圖3 標尺標定

圖4 圖樣尺寸測量

2.2 試驗結(jié)果分析

通過以上處理后，將統(tǒng)計的數(shù)據(jù)換算后可以看出試樣Ⅰ的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)測量結(jié)果，見表2，此外通過詳細數(shù)據(jù)的處理可以得到圖5的孔面積大小的分布情況。

表2 試樣Ⅰ163個孔的孔結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)統(tǒng)計

以試樣Ⅰ為例介紹了圖像分析的整個過程，為了研究整個 試件斷面孔結(jié)構(gòu)的特性，本次采取抽樣的方法，在切取的其余4個50 mm×50 mm試塊中，分別如 試樣Ⅰ一樣均勻取10個750×480像素區(qū)域，以抽取樣本的數(shù)據(jù)信息反映整體孔結(jié)構(gòu)的參數(shù)分布情況。采用上述步驟依次對5個試驗組進行測試，各參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果如圖6和表3。分別用不同儀器測定第1組孔結(jié)構(gòu)參數(shù)并進行對比，如圖7。

圖6 圖像分析孔徑分布統(tǒng)計

圖7 硬化混凝土氣泡間距分析儀與圖像分析方法對比結(jié)果(第1組)

由圖8可見，針對第一組試樣，硬化混凝土氣泡間距分析儀測出的結(jié)果與圖像分析測試出的孔結(jié)構(gòu)各參數(shù)上相差很小，孔徑分布也沒有明顯的差別，可能是由于拍照取樣的誤差，圖像處理中有小部分孔未識別出來，導(dǎo)致圖像分析測試的孔數(shù)比硬化混凝土氣泡間距分析僅測出的孔數(shù)略小，但總體來說，采用圖像分析進行孔結(jié)構(gòu)參數(shù)提取效果較好。

另外，采用圖像分析方法測定的不同試驗組的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)果存在明顯差異，第1組(靜置組)相對于第2～5組，孔的最大面積、直徑以及面積比例和孔個數(shù)都較多，說明振動作用在一定程度減少了混凝土中孔的個數(shù)，也使得部分大孔消除，孔結(jié)構(gòu)特征有所改變。此外，如圖7，通過對每組孔直徑的分布進行統(tǒng)計，從中可以發(fā)現(xiàn)，混凝土中小于600 μm的小孔是混凝土孔結(jié)構(gòu)的主要形式，以10～100 μm的小孔為主。此外各試驗組孔徑分布也略有差異，第1組和第3組相對于其余幾組，在1 200 μm以上的大孔最多，分別達到2.1%和2.3%，這也是第1和第3組孔面積較大的原因。而第2、4和5組孔的最大面積、最大孔徑、孔數(shù)和抗面積比例均相對較小，說明振動對混凝土孔結(jié)構(gòu)的良性改善作用。

混凝土孔結(jié)構(gòu)對力學(xué)性能影響至關(guān)重要，分別建立五種情況下混凝土7 d抗壓強度與孔結(jié)構(gòu)面積比例、孔數(shù)的相關(guān)關(guān)系，通過線性擬合得到混凝土強度與孔結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性，如圖9。由圖9可知，混凝土孔結(jié)構(gòu)面積比例與強度之間具有較好的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R2達到0.914 7，說明通過孔結(jié)構(gòu)參數(shù)可以大致反映混凝土強度大小。同樣，5個試驗組下孔數(shù)與混凝土強度大小相關(guān)系數(shù)R2達到0.897 1，孔數(shù)同樣可以體現(xiàn)混凝土強度特征。

圖8 強度與孔面積比例、孔數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性

3 振動對混凝土性能影響機理分析

不同試驗組的孔結(jié)構(gòu)存在差異與試驗組振動條件密切相關(guān)。實驗結(jié)果表明，不同的振幅，頻率對混凝土性能影響不一樣。同樣，不同凝結(jié)時間段，混凝土受擾動后性能變化也有明顯差異。

根據(jù)混凝土內(nèi)分層理論[13]，混凝土澆筑成型后如圖9。

圖9 混凝土內(nèi)分層現(xiàn)象

在粗集料的下方區(qū)域1位置形成充水區(qū)域，此區(qū)域水含量最大，且蒸發(fā)后形成空隙，裂紋由此產(chǎn)生。區(qū)域2位置，砂與水泥漿含量比較均勻，結(jié)構(gòu)較為正常。區(qū)域3則是混凝土中最密實的部位，砂漿比例較多。由于混凝土的內(nèi)分層會使得混凝土內(nèi)部泌水現(xiàn)象更為嚴重，在混凝土初凝前，混凝土?xí)捎谒嗨?，水分蒸發(fā)而出現(xiàn)裂紋和體積收縮，此時(1 h)再次施加振動會使得結(jié)構(gòu)內(nèi)部物質(zhì)運動，部分成團結(jié)塊的水泥水化更加充分，顆粒分布更加均勻，同時也會消除骨料下部水蒸發(fā)后留下的裂縫和一部分空隙、氣泡，亦可細化部分大孔，使結(jié)構(gòu)更加密實穩(wěn)固，導(dǎo)致混凝土早期抗壓強度得到提高。但過于強烈的振動作用會使混凝土結(jié)構(gòu)不均勻，骨料界面出現(xiàn)一定缺陷，也可能導(dǎo)致空氣進入混凝土中，產(chǎn)生更多有害氣孔，從而使后期強度有一定下降。因此第4組較第2組孔數(shù)少，最大孔徑小，從而強度也相對較高。

4 h后施加振動，此時混凝土進入初凝，從流變學(xué)上看，混凝土的流變特性可近似的用賓漢姆模型來描述：

τ=τ0+η(dv/dt)

(1)

式中：τ為剪切應(yīng)力；τ0為屈服強度；η為塑性黏度；dv/dt為剪切率。

混凝土內(nèi)部顆粒之間的相互作用形成三維網(wǎng)狀的絮凝結(jié)構(gòu)，當給混凝土施加載荷時，網(wǎng)狀的絮凝結(jié)構(gòu)會阻止混凝土發(fā)生流動。但此刻(4 h)水化形成的凝膠結(jié)構(gòu)尚不穩(wěn)定，特別是界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，局部孔隙率較大。若此時施加振動過大，振動作用產(chǎn)生的剪切應(yīng)力達到混凝土屈服強度，則混凝土內(nèi)部漿體產(chǎn)生流動，拌和物顆粒發(fā)生摩擦、碰撞，會破壞已形成的絮凝結(jié)構(gòu)，使得混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)新的缺陷，產(chǎn)生一定有害孔與裂隙，導(dǎo)致抗壓強度降低，且振動頻率和振幅越大，這種破壞越明顯[14]。從而第3組與靜置組相比，孔隙均有所增大，早期強度有一定幅度降低，但第5組由于振動尚未造成結(jié)構(gòu)破壞，強度與孔隙率變化不大。

4 結(jié) 論

1)不同工況振動方式導(dǎo)致混凝土孔結(jié)構(gòu)有所差異。在初凝前低頻、低振幅振動作用對混凝土孔結(jié)構(gòu)有改善作用，但初凝前施加較大頻率、較大振幅(9 Hz、8 mm)振動作用對混凝土結(jié)構(gòu)有不利影響，孔數(shù)與孔面積比將有所增加。初凝至終凝期間施加振動會導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)一定裂紋與微小孔隙，導(dǎo)致強度降低。

2)混凝土孔面積比例與孔數(shù)與混凝土強度具有良好的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R2分別達到0.914 7和0.897 1，通過混凝土孔結(jié)構(gòu)面積比例或孔數(shù)能反映出混凝土強度特性。

3)根據(jù)混凝土內(nèi)分層理論，初凝前期施加適當?shù)恼駝?，外界振動可能進一步促進水泥水化從而導(dǎo)致混凝土更加密實，導(dǎo)致混凝土強度有所提高。初凝至終凝期間施加振動會破壞已經(jīng)形成的水泥不化物結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致混凝土強度有所下降。

4)通過圖像分析技術(shù)，利用IPP分析和計算功能對處理后的混凝土界面進行孔結(jié)構(gòu)分析具有較好效果，但試樣的制備以及拍照取樣對后續(xù)孔結(jié)構(gòu)參數(shù)測量統(tǒng)計至關(guān)重要。