基于齡期變化的混凝土氣孔結(jié)構(gòu)與抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性分析

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，甘肅 蘭州 730070）

在細(xì)微觀層次上，可以把混凝土看作一種復(fù)雜的骨料-界面-水泥漿三項(xiàng)復(fù)合體系，材料性能和細(xì)觀結(jié)構(gòu)不可避免地成為影響混凝土宏觀性能的最直接因素[1]。然而，細(xì)微觀結(jié)構(gòu)往往隨著養(yǎng)護(hù)環(huán)境、外加劑等因素表現(xiàn)出多樣化的分布狀態(tài)，混凝土的外在性能也隨著不同的細(xì)微觀結(jié)構(gòu)分布呈現(xiàn)出較大差異性。國(guó)內(nèi)外對(duì)混凝土氣孔結(jié)構(gòu)與外在性能的關(guān)系進(jìn)行了大量研究，主要包括混凝土的力學(xué)性能、抗凍性能與氣孔結(jié)構(gòu)等的關(guān)系。JAMBOR等[2]研究了混凝土氣孔結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度之間的關(guān)系，結(jié)果表明，混凝土的強(qiáng)度除了與原材料的性能有關(guān)外，還取決于其氣孔結(jié)構(gòu)的分布狀態(tài)，包括孔隙率、孔尺寸和孔形狀等；Kearsley[3]分析了孔隙率對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響規(guī)律，并嘗試對(duì)多孔材料孔隙率與強(qiáng)度之間的關(guān)系做了定量分析；馮慶革等[4]對(duì)混凝土的孔徑分布與抗壓強(qiáng)度之間關(guān)系的研究表明，小孔含量與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系更高；方永浩[5]、李永鑫[6]等研究了特殊膠凝材料的氣孔結(jié)構(gòu)特征與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系?？箟簭?qiáng)度作為混凝土力學(xué)性能的一種外在表現(xiàn)，受水膠比、添加劑、振搗方式及養(yǎng)護(hù)方式等的影響，而氣孔特征參數(shù)則是表征混凝土內(nèi)部特征的尺度，在不同的水膠比、添加劑等條件下會(huì)表現(xiàn)出一定的變化趨勢(shì)。因此，對(duì)混凝土整體而言，其內(nèi)部氣孔結(jié)構(gòu)與外在性能之間必定存在一定的相關(guān)性。

1 數(shù)據(jù)采集

混凝土是一個(gè)涉及諸多因素的整體，在原材料、水膠比等初始條件一定時(shí)，養(yǎng)護(hù)條件、外加劑等因素對(duì)其的影響會(huì)通過(guò)混凝土的氣孔結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出來(lái)。目前，對(duì)混凝土氣孔特征的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有孔隙率、孔徑分布、孔級(jí)配、孔形貌和不同尺寸孔的空間排列等[5]，均能在一定程度上體現(xiàn)混凝土的外在性能。因此，在表征氣孔結(jié)構(gòu)特征的諸多參數(shù)中選取合理的參數(shù)，是研究氣孔結(jié)構(gòu)與抗壓強(qiáng)度關(guān)系的一個(gè)重點(diǎn)。有研究表明，表征硬化混凝土氣孔特征體系的主要參數(shù)有三個(gè)，即氣孔間距系數(shù)、氣孔平均直徑和孔隙率[7]。氣孔間距系數(shù)指水泥石中的任一氣孔和相鄰任一氣孔球面之間的最大距離[8]，是表征硬化混凝土氣孔體系特征的三個(gè)主要參數(shù)中最重要的[9]，其在一定程度上能夠表征混凝土氣孔的大小規(guī)律與氣孔結(jié)構(gòu)的分布狀態(tài)?？紫堵试谝欢ǔ潭壬象w現(xiàn)的是混凝土氣孔含量的多少，其與混凝土的抗壓強(qiáng)度之間往往存在負(fù)相關(guān)的關(guān)系。就表征混凝土氣孔級(jí)配的分布狀態(tài)的參數(shù)，本文選取了氣孔平均弦長(zhǎng)。由于混凝土的氣孔總是以一種級(jí)配的形式存在，因此氣孔平均弦長(zhǎng)越大，表示混凝土大孔徑的孔含量越多，反之則表示小孔含量更多。

混凝土氣孔特征參數(shù)的采集采用孔結(jié)構(gòu)分析儀，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所示。其中，“A”表示標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的混凝土140d內(nèi)的試驗(yàn)結(jié)果，P1至P4分別為孔徑d＜20μm，20μm＜d＜100μm，100μm＜d＜200μm，d＞200μm的孔含量，即不同孔徑的孔隙率。

表1 氣孔特征參數(shù)與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2 抗壓強(qiáng)度及氣孔結(jié)構(gòu)的變化分析

水泥的水化過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，當(dāng)溫度、原材料等條件恒定時(shí)，反應(yīng)時(shí)間（即養(yǎng)護(hù)齡期）對(duì)混凝土而言就是一個(gè)重要的影響因素。有研究表明，無(wú)論宏觀的力學(xué)性能，還是微觀的孔隙結(jié)構(gòu)，都會(huì)在不同的測(cè)試齡期下表現(xiàn)出相當(dāng)?shù)牟町怺10-11]。圖1和圖2給出了標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下抗壓強(qiáng)度、孔隙率、氣孔間距系數(shù)、氣孔平均弦長(zhǎng)隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化情況。從圖中可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增大，混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸增大，直至趨于穩(wěn)定，具體表現(xiàn)為早期增長(zhǎng)速率大，后期增長(zhǎng)速率小，大概經(jīng)歷了初始增長(zhǎng)、加速增長(zhǎng)、穩(wěn)定增長(zhǎng)三個(gè)階段[12]；氣孔間距系數(shù)隨著齡期的增長(zhǎng)則呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，與之相反的是總孔隙率與氣孔平均弦長(zhǎng)呈現(xiàn)出逐漸減小的變化趨勢(shì)，這是因?yàn)樵诨炷琉B(yǎng)護(hù)過(guò)程中，早齡期內(nèi)的混凝土內(nèi)部的自由水更多，單個(gè)水泥分子周圍的水分子更多，水化反應(yīng)更加劇烈，抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)快，氣孔結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為較為不利的狀態(tài)。隨著混凝土養(yǎng)護(hù)齡期的增大，混凝土內(nèi)部的水化反應(yīng)程度越高，抗壓強(qiáng)度越大，孔徑朝著小孔徑的方向發(fā)展，氣孔平均弦長(zhǎng)變小，氣孔間距系數(shù)變大，最終表現(xiàn)出混凝土由一種松散的混合物體系轉(zhuǎn)變?yōu)楣橇?界面-水泥漿三項(xiàng)復(fù)合體系。

圖1 抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化

圖2 氣孔特征參數(shù)隨齡期的變化

3 抗壓強(qiáng)度與氣孔結(jié)構(gòu)的相關(guān)性分析

3.1 抗壓強(qiáng)度與孔隙率的相關(guān)性分析

圖3給出了抗壓強(qiáng)度隨總孔隙率的變化曲線。從圖中可以看出，隨著孔隙率的增大，抗壓強(qiáng)度逐漸減小?？紫独碚撜J(rèn)為混凝土作為一種多孔材料，孔隙率是其抗壓強(qiáng)度的主要決定因素[14]?；炷恋目紫堵试酱?，其內(nèi)部的相對(duì)受力面積就越小，單位面積承受的壓力就越小，在宏觀層面表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度隨著孔隙率的增大而越小。許多學(xué)者對(duì)孔隙率、氣孔孔徑大小與抗壓強(qiáng)度之間關(guān)系的研究得出了一些經(jīng)驗(yàn)公式[15-16]。公式（1）對(duì)本實(shí)驗(yàn)的結(jié)論擬合更好，這也符合公式（1）對(duì)較小孔隙率的混凝土有較好的擬合性，而公式（2）更適合較高孔隙率的混凝土[17]。

其中，fc-混凝土的抗壓強(qiáng)度，p-混凝土的孔隙率，fc,0-假設(shè)混凝土孔隙率為零時(shí)的抗壓強(qiáng)度，p0-假設(shè)抗壓強(qiáng)度為零時(shí)混凝土的孔隙率，m、n均為與孔隙形狀、大小等有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

圖3 總孔隙率與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

圖4給出了不同孔徑的孔含量（即不同孔徑的孔隙率）與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系。從圖中可以看出，隨著P1含量的增大，混凝土的抗壓強(qiáng)度會(huì)有一定的增大；隨著P2、P3、P4含量的增大，混凝土的抗壓強(qiáng)度會(huì)有一定的減?。豢箟簭?qiáng)度隨P1、P2的變化趨勢(shì)要大于P3和P4，且P4的變化趨勢(shì)較P3也略大。這說(shuō)明混凝土內(nèi)部的孔徑分布狀態(tài)確實(shí)對(duì)力學(xué)性能造成影響，即小孔含量越多，抗壓強(qiáng)度越大，反之則越??；不同孔徑的孔含量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響程度不同：小孔徑的孔（d＜20μm）含量越多時(shí)，抗壓強(qiáng)度較大，而大孔徑的孔（d＞20μm）較多時(shí)，抗壓強(qiáng)度較小，但是當(dāng)大孔徑的孔（d＞200μm）含量較多時(shí)，其對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響也變得顯著起來(lái)。此外，有研究表明，當(dāng)混凝土的總孔隙率相近時(shí)，小孔徑的孔所占比例越大，氣孔與骨料的間距就會(huì)減小，骨料與水泥漿體界面過(guò)渡區(qū)Ca(OH)2晶體富集量也會(huì)減小，Ca(OH)2晶體取向指數(shù)減小，從而使混凝土的界面過(guò)渡區(qū)寬度減小，混凝土的抗壓強(qiáng)度就會(huì)越高[18]。

圖4 孔徑分布與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

3.2 抗壓強(qiáng)度與氣孔結(jié)構(gòu)的相關(guān)性分析

圖5(a)、(b)是抗壓強(qiáng)度隨氣孔間距系數(shù)及氣孔平均弦長(zhǎng)的變化規(guī)律。從圖中可以看出，氣泡間距系數(shù)和氣泡平均弦長(zhǎng)隨抗壓強(qiáng)度的變化表現(xiàn)出較大的離散型。這是因?yàn)榛炷潦且环N多孔材料，其氣孔結(jié)構(gòu)特征除了與外加劑、養(yǎng)護(hù)方式有較大關(guān)系外，還與其自身的施工工藝有關(guān)，攪拌振搗運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程的差異都會(huì)對(duì)混凝土的氣孔分布狀態(tài)、不同孔徑的氣孔含量有較大的影響[19]。通過(guò)對(duì)氣泡間距系數(shù)、氣泡平均弦長(zhǎng)與抗壓強(qiáng)度的散點(diǎn)分布圖進(jìn)行擬合分析，結(jié)果表明，抗壓強(qiáng)度與氣泡間距系數(shù)之間為正相關(guān)關(guān)系，與氣泡平均弦長(zhǎng)之間為負(fù)相關(guān)關(guān)系。這說(shuō)明混凝土的強(qiáng)度值越大，氣泡間距系數(shù)也越大，氣泡平均弦長(zhǎng)則越小。結(jié)合圖3還可以看出，抗壓強(qiáng)度與總孔隙率之間的相關(guān)性比其與氣泡間距系數(shù)、氣泡平均弦長(zhǎng)的相關(guān)性明顯，這也說(shuō)明孔隙率對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響要遠(yuǎn)大于氣泡間距系數(shù)、氣泡平均弦長(zhǎng)。

圖5 抗壓強(qiáng)度與氣孔結(jié)構(gòu)的關(guān)系

3.3 氣孔結(jié)構(gòu)特征的權(quán)重分析

為了更加具體地研究混凝土氣孔特征參數(shù)與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系，對(duì)混凝土的孔隙率、氣孔間距系數(shù)、氣孔平均弦長(zhǎng)與抗壓強(qiáng)度之間的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果如表2所示。相關(guān)系數(shù)是不同數(shù)據(jù)序列之間相關(guān)程度的量化體現(xiàn)[20]，其值恒在[-1,1]之間。其值為正表示比較序列與參考序列之間為正相關(guān)關(guān)系，為負(fù)則表示比較序列與參考序列之間為負(fù)相關(guān)關(guān)系；絕對(duì)值越大，表明比較序列與參考序列的相關(guān)性越大，反之則表明比較序列與參考序列的相關(guān)性越小。從表中可以看出，就氣泡特征參數(shù)而言，氣孔間距系數(shù)與抗壓強(qiáng)度之間的相關(guān)系數(shù)均為正，且系數(shù)并不大，這說(shuō)明隨著抗壓強(qiáng)度的增大，氣孔間距系數(shù)的發(fā)展趨勢(shì)會(huì)表現(xiàn)出一定程度的增大；總孔隙率、氣孔平均弦長(zhǎng)與抗壓強(qiáng)度之間的相關(guān)系數(shù)均為負(fù)，并且相關(guān)系數(shù)也有一定的差距，這表明孔隙率、氣孔平均弦長(zhǎng)與抗壓強(qiáng)度的發(fā)展趨勢(shì)相反，其中總孔隙率對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響更明顯。就孔徑分布而言，P1相關(guān)系數(shù)為正，其余相關(guān)系數(shù)基本為負(fù)，這表明在總孔隙率一定時(shí)，小孔(d＜20μm)含量越多，抗壓強(qiáng)度越大，較大的孔(d＞100μm)越多，抗壓強(qiáng)度降低越明顯，而孔徑在20μm～100μm之間的孔含量雖然會(huì)對(duì)強(qiáng)度有影響，但并不明顯。

表2 相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)混凝土的氣孔特征參數(shù)與抗壓強(qiáng)度及孔徑分布與抗壓強(qiáng)度之間相關(guān)性的分析，得出以下結(jié)論：

1)由于養(yǎng)護(hù)齡期會(huì)改變混凝土內(nèi)部水泥的水化程度及自由水含量，導(dǎo)致混凝土氣孔結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生顯著變化。在水膠比一定的條件下，混凝土內(nèi)部水泥的水化程度越大，自由水含量越少，由于自由水聚集形成的孔及自由水遷移形成的孔隙就會(huì)相對(duì)減少，氣孔結(jié)構(gòu)進(jìn)一步朝著小孔徑的方向移動(dòng)。于是，氣孔平均弦長(zhǎng)與孔隙率會(huì)相對(duì)減小，氣孔間距系數(shù)會(huì)相對(duì)增大。

2)表征混凝土氣孔結(jié)構(gòu)特征的三個(gè)參數(shù)中，孔隙率對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響很大，變化趨勢(shì)也最明顯，孔隙率越大，抗壓強(qiáng)度越低；由于混凝土振搗等過(guò)程中的差異性，氣孔間距系數(shù)、氣孔平均弦長(zhǎng)與抗壓強(qiáng)度之間的相關(guān)關(guān)系則相對(duì)不明顯。通過(guò)分析可知，氣孔間距系數(shù)與抗壓強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)相同，氣孔平均弦長(zhǎng)與抗壓強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)相反。

3)孔徑分布與混凝土的抗壓強(qiáng)度之間也存在較明顯的相關(guān)性，不同孔徑的孔含量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響不同，具體表現(xiàn)為小孔徑的孔(d＜20μm)越多，對(duì)抗壓強(qiáng)度越有利，而較大孔徑的孔(d＞100μm)越多，抗壓強(qiáng)度降低越明顯，此外，孔徑在20～100μm之間的孔含量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響較小。