基于X-CT的非飽和水泥基材料 水分傳輸與滲透系數(shù)計(jì)算

楊 林，張?jiān)粕瑥埓簳?/p>

(1.鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450001；2.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州 730050；3.中國(guó)人民解放軍軍事科學(xué)院國(guó)防工程研究院工程防護(hù)研究所，洛陽(yáng) 471023)

0 引 言

基于重量法的毛細(xì)吸水測(cè)試是研究水分傳輸?shù)膫鹘y(tǒng)試驗(yàn)方法，它能定量表征吸水量和吸水速率，但是無(wú)法監(jiān)測(cè)水分傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)過(guò)程，也無(wú)法確定水分的傳輸高度[7]。隨著現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，核磁共振、中子成像和伽馬射線成像逐漸被用來(lái)監(jiān)測(cè)多孔材料的水分動(dòng)態(tài)傳輸[8-11]。然而，核磁共振技術(shù)在硅酸鹽水泥基材料中的應(yīng)用存在局限性，水泥中的鐵相會(huì)干擾信號(hào)；伽馬射線成像只適用于吸水率較高的材料(通常大于5 g/100 cm3)；中子成像是研究水泥基材料水分傳輸較為理想的技術(shù)，但是全球的中子源非常有限，限制了該技術(shù)的廣泛應(yīng)用[12]。X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描(X-CT)是近年來(lái)發(fā)展較為迅速的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，東南大學(xué)Zhang等[6]提出了利用X-CT聯(lián)合Cs離子增強(qiáng)技術(shù)原位連續(xù)監(jiān)測(cè)水泥基材料水分傳輸，不僅能觀測(cè)水分傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)過(guò)程，而且能準(zhǔn)確地判定水分傳輸?shù)木嚯x，為研究多孔介質(zhì)的水分傳輸提供了可靠的測(cè)試手段。

本研究利用X-CT聯(lián)合Cs離子增強(qiáng)技術(shù)原位監(jiān)測(cè)非飽和水泥基材料水分傳輸過(guò)程，獲得水分傳輸?shù)拿?xì)吸水系數(shù)，在此基礎(chǔ)上通過(guò)理論推導(dǎo)提出了計(jì)算滲透系數(shù)的模型，并系統(tǒng)研究了水灰比、粉煤灰摻量、礦渣摻量和砂體積摻量對(duì)水泥基材料水分傳輸?shù)挠绊憽?/p>

1 滲透系數(shù)理論模型

在壓力梯度下，多孔介質(zhì)的水分傳輸通常用達(dá)西定律進(jìn)行描述[13-14]：

(1)

式中：VF為水的流速，m/s；K為材料的固有滲透系數(shù)，m2；ΔP為壓力差，Pa；x為水分傳輸?shù)木嚯x，m；η為水的粘滯系數(shù)，0.001 Pa·s(20 ℃)。

若在t時(shí)間內(nèi)，水傳輸?shù)木嚯x為x，則流速VF亦可表示為：

(2)

由式(1)和式(2)聯(lián)立，得到：

(3)

(4)

式(3)給出了水分傳輸距離與時(shí)間的關(guān)系，被命名為L(zhǎng)ucas-Washburn方程[15]。k被稱為毛細(xì)吸水系數(shù)(單位為m/s1/2)，它與材料的孔結(jié)構(gòu)、水的表面張力和粘滯系數(shù)密切相關(guān)，是預(yù)測(cè)材料長(zhǎng)期性能和耐久性的重要參數(shù)[6,10,16]。

當(dāng)干燥的水泥基材料吸水時(shí)，其驅(qū)動(dòng)力為毛細(xì)管作用力，此時(shí)壓力梯度可以用拉普拉斯方程進(jìn)行描述[17]：

(5)

式中：γ為水的表面張力，0.072 3 N/m(20 ℃)；r為毛細(xì)孔半徑，m；θ為水與孔壁的接觸角，對(duì)于水泥基材料，θ=0°。

由式(4)和式(5)聯(lián)立，得到：

(6)

基于式(6)，水泥基材料的固有滲透系數(shù)可以由毛細(xì)吸水系數(shù)k和孔徑r計(jì)算得到。其中，k可利用X-CT聯(lián)合Cs離子增強(qiáng)技術(shù)得到；通過(guò)壓汞法測(cè)得材料的孔信息，r等價(jià)于最可幾孔徑。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 原材料

采用P·Ⅱ 52.5 硅酸鹽水泥，其基本性能如表1所示。粉煤灰(FA)為某發(fā)電廠產(chǎn)出的二級(jí)灰，礦渣為市售的S95級(jí)磨細(xì)?；郀t礦渣(GGBFS)。以上原材料的化學(xué)成分和粒度分布分別如表2、圖1所示。采用河砂制備砂漿，細(xì)度模數(shù)為2.96。

圖1 原材料的粒度分布Fig.1 Particle size distribution of raw materials

表1 水泥的基本性能Table 1 Basic properties of cement

表2 原材料的主要化學(xué)成分Table 2 Main chemical composition of raw materials

2.2 配合比與試樣制備

表3為設(shè)計(jì)的9組配合比。其中：PP1、PP2、PP3用于研究水灰比(W/C)對(duì)水分傳輸?shù)挠绊懀辉赑P2配比的基礎(chǔ)上，采用粉煤灰等質(zhì)量取代水泥，取代率分別為10%、30%、50%，用于研究粉煤灰摻量對(duì)水分傳輸?shù)挠绊?，即PF1、PF2、PF3；同樣地，采用30%的礦渣等量取代水泥，與同等摻量的粉煤灰進(jìn)行對(duì)比;MP1、MP2是砂體積摻量(VS)分別為20%、40%的砂漿，水灰比為0.45不變，用于探究砂體積摻量對(duì)水分傳輸?shù)挠绊憽?/p>

按照表3所示配合比成型尺寸為100 mm × 100 mm × 100 mm的試件，其中PP1、PP2、PP3、MP1、MP2在(20±1) ℃、相對(duì)濕度≥95%的養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)至60 d，而PF1、PF2、PF3、PS在相同的條件下養(yǎng)護(hù)至90 d，使膠凝材料充分水化。

表3 配合比Table 3 Mix proportions

2.3 測(cè)試方法

2.3.1 壓汞法

采用壓汞法測(cè)試硬化水泥凈漿和砂漿的孔結(jié)構(gòu)。首先從養(yǎng)護(hù)完畢的試件中切割出尺寸為8 mm × 8 mm × 16 mm 的試樣，在干燥箱中于60 ℃干燥72 h以上，然后利用AutoPore IV 9500壓汞儀測(cè)試其孔結(jié)構(gòu)，汞的表面張力和接觸角分別為0.485 N/m、130°。

2.3.2 X-CT聯(lián)合Cs離子增強(qiáng)技術(shù)

采用文獻(xiàn)[6,18]所述的X-CT聯(lián)合Cs離子增強(qiáng)技術(shù)原位連續(xù)監(jiān)測(cè)水分在非飽和水泥凈漿和砂漿中的傳輸。從養(yǎng)護(hù)完畢的試件中切割出尺寸為20 mm × 20 mm × 80 mm 的試樣，在干燥箱中于60 ℃干燥至恒重，然后采用環(huán)氧樹(shù)脂將試樣的四個(gè)側(cè)面和一個(gè)端面密封，另一個(gè)未密封的端面作為吸水面，使水分沿一維方向傳輸，如圖2所示。所用設(shè)備為德國(guó)YXLON公司的Y.CT Precision S X-CT，X射線管工作的電壓、電流分別為195 kV、0.34 mA，將樣品放置在樣品臺(tái)上加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的CsCl水溶液后開(kāi)始計(jì)時(shí)，原位連續(xù)監(jiān)測(cè)，每間隔30 min掃描一次，基于獲得的CT圖像判定水分的傳輸高度，具體參見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。

圖2 基于X-CT的試樣吸水Fig.2 Water absorption of sample based on X-CT

3 結(jié)果與討論

3.1 水灰比對(duì)水分傳輸?shù)挠绊?/h3>

圖3為采用X-CT聯(lián)合Cs離子增強(qiáng)技術(shù)獲得的不同水灰比硬化水泥漿體吸水過(guò)程中水分傳輸距離x與暴露時(shí)間t的關(guān)系。顯然，x與t1/2呈線性關(guān)系，直線的斜率即為毛細(xì)吸水系數(shù)k。如圖3所示，當(dāng)水灰比從0.35增加到0.55時(shí)，硬化水泥漿體的毛細(xì)吸水系數(shù)從2.07×10-4m/s1/2增大到3.22×10-4m/s1/2，增長(zhǎng)率達(dá)到56%。水灰比大小直接影響硬化漿體的孔結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步影響漿體的吸水性能。通過(guò)孔結(jié)構(gòu)測(cè)試，結(jié)果如圖4所示，當(dāng)水灰比從0.35增加到0.55時(shí)，硬化漿體的最可幾孔徑從34.3 nm增加到113.5 nm，且總孔隙率從12.01%增加到29.24%。水灰比增大，漿體的孔徑與總孔隙率增大，且孔的連通性增加，漿體吸水過(guò)程中的毛細(xì)吸水系數(shù)增大。

圖3 不同水灰比硬化水泥漿體水分傳輸距離與時(shí)間的關(guān)系Fig.3 Water uptake distance as a function of exposed time for cement pastes with different W/C

圖4 不同水灰比硬化漿體的孔結(jié)構(gòu)Fig.4 Pore structures of hardened cement pastes with different W/C

根據(jù)獲得的毛細(xì)吸水系數(shù)和孔結(jié)構(gòu)信息，采用本文所構(gòu)建的理論模型，計(jì)算得到不同水灰比硬化漿體的固有滲透系數(shù)，如圖5所示。當(dāng)水灰比從0.35增加到0.55時(shí)，硬化漿體的固有滲透系數(shù)從2.54×10-18m2增加到2.03×10-17m2，增大了1個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，降低水灰比是提高水泥基材料抗?jié)B透性能的關(guān)鍵，也是保證嚴(yán)酷環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)壽命的有效手段。

圖5 不同水灰比硬化水泥漿體的固有滲透系數(shù)Fig.5 Intrinsic permeability coefficients of hardened cement pastes with different W/C

3.2 礦物摻合料對(duì)水分傳輸?shù)挠绊?/h3>

圖6為摻粉煤灰、礦渣硬化水泥漿體的水分傳輸距離與時(shí)間的關(guān)系。可以看出，當(dāng)粉煤灰的摻量從10%增加到30%時(shí)，漿體的毛細(xì)吸水系數(shù)從1.85×10-4m/s1/2下降到9.93×10-5m/s1/2，下降了46%；然而，當(dāng)粉煤灰摻量增加到50%時(shí)，漿體的毛細(xì)吸水系數(shù)又有所增加，達(dá)到1.29×10-4m/s1/2，但仍小于摻10%粉煤灰的硬化漿體，且遠(yuǎn)小于同水灰比純水泥漿體。圖7為漿體的孔結(jié)構(gòu)，當(dāng)粉煤灰摻量為10%、30%、50%時(shí)，硬化漿體的最可幾孔徑分別為27.8 nm、18.2 nm、16.6 nm，總孔隙率分別為17.35%、17.83%、25.75%。根據(jù)孔結(jié)構(gòu)與毛細(xì)吸水理論分析，當(dāng)粉煤灰摻量從10%增加到30%時(shí)，雖然漿體的總孔隙率無(wú)顯著變化，但孔徑明顯變小，故毛細(xì)吸水系數(shù)下降；而當(dāng)粉煤灰摻量增加到50%時(shí)，硬化漿體的孔徑?jīng)]有明顯下降，但總孔隙率顯著增加，提高了孔的連通性，降低了水分傳輸通道的曲折度，因此毛細(xì)吸水系數(shù)再次增大。

圖6 摻粉煤灰、礦渣硬化水泥漿體的水分傳輸距離與時(shí)間的關(guān)系Fig.6 Water uptake distance as a function of exposed time for cement pastes with FA and GGBFS

圖7 摻粉煤灰、礦渣硬化漿體的孔結(jié)構(gòu)Fig.7 Pore structures of hardened cement pastes with FA and GGBFS

為進(jìn)一步研究礦渣對(duì)硬化漿體水分傳輸?shù)挠绊?，?0%的粉煤灰替換為同等摻量的礦渣，其硬化漿體的毛細(xì)吸水系數(shù)為1.46×10-4m/s1/2，如圖6所示。顯然，在同等摻量的情況下，摻礦渣硬化漿體的毛細(xì)吸水系數(shù)大于摻粉煤灰漿體。從孔結(jié)構(gòu)上看，當(dāng)摻入30%礦渣時(shí)，硬化漿體的最可幾孔徑為62 nm，總孔隙率為14.97%，盡管總孔隙率稍小于摻入30%粉煤灰的硬化漿體，但孔徑要遠(yuǎn)大于后者，因此其毛細(xì)吸水系數(shù)較大。

圖8為摻粉煤灰、礦渣硬化水泥漿體的固有滲透系數(shù)。從圖中可以看出，粉煤灰摻量對(duì)硬化水泥漿體固有滲透系數(shù)的影響與對(duì)毛細(xì)吸水系數(shù)的影響具有一致性，當(dāng)粉煤灰摻量從10%增加到30%時(shí)，硬化漿體的固有滲透系數(shù)從1.64×10-18m2下降到3.08×10-19m2，而當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)到50%時(shí)，固有滲透系數(shù)再次增加。當(dāng)?shù)V渣摻量為30%時(shí)，硬化漿體的固有滲透系數(shù)為2.28×10-18m2，比同等粉煤灰摻量的硬化漿體高1個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖8 摻粉煤灰、礦渣硬化水泥漿體的固有滲透系數(shù)Fig.8 Intrinsic permeability coefficients of hardened cement pastes with FA and GGBFS

以上結(jié)果表明，粉煤灰的摻入能有效降低漿體的水分傳輸速率，減緩有害介質(zhì)向材料內(nèi)部的遷移速率，但粉煤灰的摻量宜控制在合適的范圍內(nèi)，以不超過(guò)30%為最佳。同等摻量時(shí)，礦渣的摻入對(duì)漿體的孔徑?jīng)]有表現(xiàn)出細(xì)化作用，它對(duì)水泥基材料抵抗有害介質(zhì)侵蝕的能力差于粉煤灰。在工程應(yīng)用時(shí)，粉煤灰與礦渣復(fù)摻是提高水泥基材料長(zhǎng)期性能和耐久性的有效措施，前者能細(xì)化孔徑，后者對(duì)降低總孔隙率有利。

3.3 砂體積摻量對(duì)水分傳輸?shù)挠绊?/h3>

圖9為砂體積摻量分別是0%、20%、40%時(shí)砂漿的水分傳輸距離與時(shí)間的關(guān)系。隨著砂體積摻量的增加，砂漿的毛細(xì)吸水系數(shù)從2.83×10-4m/s1/2下降到1.65×10-4m/s1/2。砂體積摻量不同時(shí)砂漿的孔結(jié)構(gòu)如圖10所示，當(dāng)砂體積摻量從0%增加到40%時(shí)，砂漿的最可幾孔徑從65.4 nm增加到108 nm，而總孔隙率沒(méi)有表現(xiàn)出顯著的變化，分別是18.13%、19.78%、15.47%。如果單獨(dú)從孔結(jié)構(gòu)分析，隨著砂體積摻量的增加，砂漿的毛細(xì)吸水系數(shù)應(yīng)呈增大的趨勢(shì)，但這與試驗(yàn)結(jié)果相反。另一個(gè)不容忽視的原因是，砂的吸水性與漿體相比可以忽略，砂摻入后對(duì)漿體的吸水起到了稀釋作用，同時(shí)增大了水分傳輸路徑的曲折度，降低了水分的傳輸速率[5]。

圖10 砂體積摻量不同時(shí)砂漿的孔結(jié)構(gòu)Fig.10 Pore structures of mortars with different volume fractions of sand

圖9 砂體積摻量不同時(shí)砂漿水分傳輸距離與時(shí)間的關(guān)系Fig.9 Water uptake distance as a function of exposed time for mortars with different volume fractions of sand

為了進(jìn)一步分析砂體積摻量對(duì)砂漿水分傳輸?shù)挠绊懀x了相對(duì)毛細(xì)吸水系數(shù)k/k0，其中k0是砂體積摻量為0%時(shí)的毛細(xì)吸水系數(shù)。砂體積摻量對(duì)相對(duì)毛細(xì)吸水系數(shù)的影響如圖11所示。從圖中可以看出，隨著砂體積摻量的增加，k/k0逐漸減小，二者的關(guān)系可以用式(7)進(jìn)行表達(dá)：

(7)

從圖11可以看出，當(dāng)砂的體積摻量從0%增加到40%時(shí)，k/k0<1-VS，這是砂的曲折度效應(yīng)所致。當(dāng)砂的體積摻量為20%時(shí)，k/k0與1-VS的差距最大，而后隨著砂體積摻量的增加，k/k0與1-VS的差距逐漸縮小，這是因?yàn)樯皾{的界面過(guò)渡區(qū)體積分?jǐn)?shù)逐漸增大。由式(7)計(jì)算得到，當(dāng)VS=42.4%時(shí)，k/k0=1-VS，此時(shí)砂漿的界面過(guò)渡區(qū)完全連通。該研究結(jié)果較好地驗(yàn)證了Hall等[19]提出的分析模型，且為Abyaneh等[5]的數(shù)值模擬結(jié)果提供了有力的證據(jù)。

圖11 砂體積摻量對(duì)砂漿相對(duì)毛細(xì)吸水系數(shù)的影響Fig.11 Effect of sand volume fractions on the relative capillary coefficient of mortar

圖12為砂體積摻量不同時(shí)砂漿的固有滲透系數(shù)。當(dāng)砂體積摻量從0%增加到20%時(shí)，砂漿的固有滲透系數(shù)從9.06×10-18m2下降到5.38×10-18m2，下降了40.6%；而當(dāng)砂體積摻量達(dá)到40%時(shí)，砂漿的固有滲透系數(shù)為5.07×10-18m2，相對(duì)于砂體積摻量為20%時(shí)幾乎無(wú)變化。

圖12 砂體積摻量不同時(shí)砂漿的固有滲透系數(shù)Fig.12 Intrinsic permeability coefficients of mortars with different volume fractions of sand

4 結(jié) 論

(1)X-CT聯(lián)合Cs離子增強(qiáng)技術(shù)是研究水泥基材料水分傳輸?shù)目煽糠椒?，在此基礎(chǔ)上通過(guò)理論模型的構(gòu)建，可進(jìn)一步計(jì)算材料的固有滲透系數(shù)。

(2)當(dāng)水灰比從0.35增大到0.55時(shí)，硬化水泥漿體的毛細(xì)吸水系數(shù)從2.07×10-4m/s1/2增大到3.22×10-4m/s1/2，而固有滲透系數(shù)增大1個(gè)數(shù)量級(jí)。

(3)粉煤灰的摻入能有效降低漿體的水分傳輸速率，但粉煤灰的摻量宜控制在合適的范圍內(nèi)，最佳摻量為30%；當(dāng)?shù)V渣摻量為30%時(shí)，對(duì)漿體的孔徑?jīng)]有表現(xiàn)出細(xì)化作用，其固有滲透系數(shù)比同等粉煤灰摻量的硬化漿體高1個(gè)數(shù)量級(jí)。

(4)當(dāng)砂體積摻量從0%增加到40%時(shí)，因稀釋效應(yīng)和曲折度效應(yīng)的存在，砂漿的毛細(xì)吸水系數(shù)和固有滲透系數(shù)均明顯下降；而當(dāng)砂體積摻量大于42.4%時(shí)，砂漿的界面過(guò)渡區(qū)完全連通，砂對(duì)水分傳輸失去了曲折度效應(yīng)的影響。