干燥狀態(tài)下混凝土孔隙結(jié)構(gòu)研究

張國輝，李肖杭，李常兵，李宗利

(1昆明理工大學(xué) 電力工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2清華大學(xué) 水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點實驗室，北京 100084;3西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

濕度對混凝土的力學(xué)特性存在顯著影響，混凝土干燥處理是濕態(tài)混凝土力學(xué)特性研究的必要前提。然而，目前我國相關(guān)的混凝土試驗規(guī)范并未明確混凝土的干燥控制條件，不同研究者采用的混凝土干燥控制條件存在較大差異。譬如，王海龍等[1-2]在研究不同濕度條件下混凝土力學(xué)特性的變化規(guī)律時，設(shè)置了2種不同的干燥條件使混凝土達到干燥狀態(tài)。李鑫鑫[3]先將混凝土試塊于30 ℃ 烘烤2 d，再于50 ℃ 烘烤2 d，最后于110 ℃ 烘烤直至試件質(zhì)量不變。劉保東等[4]將混凝土試塊放入烘干箱中，于45 ℃ 烘烤直至質(zhì)量不再變化。干燥過程是混凝土內(nèi)部水分逸出的過程，過快的水分逸出將導(dǎo)致混凝土微裂縫的萌生、發(fā)展和擴散[5]等損傷現(xiàn)象，且非均質(zhì)混凝土材料中粗細骨料和水泥膠結(jié)材料的熱工性能不同，這些材料間的物理化學(xué)作用錯綜復(fù)雜，使不同干燥條件作用后的混凝土力學(xué)性能存在較大差異[6-7]。筆者前期通過物理試驗，利用干燥箱系統(tǒng)研究了混凝土在5種不同干燥溫度(60，85，105，120，150 ℃)及2種不同干燥機制(恒溫持續(xù)干燥和間歇循環(huán)干燥)作用下的強度變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)105 ℃恒溫干燥115.5 h后混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度較干燥處理前的變化幅度僅為1.41%和0.05%，該干燥條件對混凝土試件抗壓強度和劈裂抗拉強度的影響均最小，為混凝土強度近似無損的干燥控制條件[8-9]，但前期的研究工作僅分析了不同干燥溫度下混凝土強度的宏觀變化規(guī)律，并未進一步探討105 ℃恒溫干燥115.5 h時對強度的影響機理。

孔隙率和孔隙結(jié)構(gòu)的變化與混凝土強度損傷存在相關(guān)性。杜修力等[10]建立了含孔隙混凝土細觀單元等效力學(xué)模型，認為孔隙率對混凝土宏觀力學(xué)性能有較大的影響，且混凝土的有效宏觀強度隨孔隙率的增大而減小。賈金青等[11]采用回歸系數(shù)方法得到了普遍適用的混凝土抗壓強度與孔隙率關(guān)系公式?；炷翉姸炔粌H受孔隙率影響，還與孔徑分布和孔隙形態(tài)密切相關(guān)，如孔徑越小強度越高，圓孔模型的強度高于方孔模型[12]。陳崇楓等[13]認為，隨著孔徑的變大，剪切面的角度逐漸變大，破壞形式逐漸演變?yōu)樨灤┬云茐?。馮慶革等[14]認為，不同孔徑范圍對混凝土抗壓和抗拉強度的影響不同。孔結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)研究方法包括氣體吸附法、電子顯微鏡觀察法、X射線小角度衍射法、氣泡法、壓汞法、透過法、離心力法、核磁共振法等[15]，然而以上方法多數(shù)適用于研究小孔徑尺寸范圍的孔隙結(jié)構(gòu)，并不能反映混凝土內(nèi)部孔隙的大小、形狀及真實的分布方位。X-ray CT即電子計算機斷層掃描，憑借其優(yōu)異的探傷和無損檢測性能使其被廣泛應(yīng)用于工業(yè)材料結(jié)構(gòu)的檢測。近年來，隨著國內(nèi)外X-ray CT掃描技術(shù)的迅速發(fā)展，在混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)無損的情況下對其進行掃描和重構(gòu)，從而可以獲得混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的三維表征。Lu等[16]采用高分辨率X-ray CT掃描技術(shù)及三維圖像分析技術(shù)對混凝土孔隙進行了尺寸分布和連通性表征，并研究了混凝土氯離子的滲透特性。Bubeck等[17]采用CT掃描技術(shù)確定了巖石內(nèi)部的孔隙形狀特征，并利用數(shù)值模擬方法研究了不同形狀孔隙對巖石強度的影響。王家祿等[18]應(yīng)用三維重建技術(shù)觀察了巖心內(nèi)部的孔隙變化和非均質(zhì)特征。韓建德等[19]應(yīng)用X-ray CT對碳化前后水泥砂漿的內(nèi)部缺陷進行了定量分析，得到了碳化對混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。但綜觀現(xiàn)有研究，基于混凝土孔隙結(jié)構(gòu)與強度損傷的相關(guān)性，探究干燥處理后混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的演化及其對強度的影響研究尚比較少。為了進一步完善筆者前期混凝土近似無損干燥控制條件的研究，揭示105 ℃恒溫干燥條件下混凝土內(nèi)部微觀孔隙結(jié)構(gòu)與強度損傷的相關(guān)性，本研究應(yīng)用X-ray CT對干燥前后的混凝土試件進行了X-ray CT三維掃描，并對掃描數(shù)據(jù)進行三維重構(gòu)，提取混凝土三維孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，以期系統(tǒng)定量地分析混凝土干燥前后內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)特征的變化規(guī)律，進而為混凝土干燥工藝的確定及干燥工藝的機理研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

水泥，選用陜西冀東水泥廠生產(chǎn)的盾石牌P.C32.5R級復(fù)合硅酸鹽水泥，標準稠度用水量28.6%，安定性合格，初凝時間4.2 h，終凝時間5.3 h，28 d抗壓強度48.6 MPa；砂子，選用陜西渭河砂場的天然中砂，細度模數(shù)為2.43，級配良好，含泥量0.8%，表觀密度2.59 g/cm3，堆積密度1 540 kg/m3，有害物質(zhì)含量均在規(guī)定值以下；粗骨料，選用陜西渭河卵石，粒徑5～40 mm，含泥量0.6%，表觀密度2.65 g/cm3，堆積密度1 563 kg/m3，最大粒徑40 mm。混凝土試件為150 mm×150 mm×150 mm立方體試件，標準養(yǎng)護，拌和過程按SL 352-2006 《水工混凝土試驗規(guī)程》進行[20]，其配合比及主要參數(shù)見表1。

表1 混凝土試件的配合比及其主要參數(shù)

1.2 試驗設(shè)備

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，天津市實驗儀器廠生產(chǎn)，調(diào)溫范圍為室溫～300 ℃，工作尺寸為800 mm×1 000 mm,溫度均勻性≤±2.5%，溫度波動度為±1 ℃；電子天平精度為1 g。X-ray CT掃描儀(YXLON.CT)，德國YXLON(依科視朗)生產(chǎn)，其掃描綜合處理系統(tǒng)和掃描系統(tǒng)分別見圖1,2。該掃描儀的最大管電壓為250 kV，最大管電流為1.0 mA，操作模式為椎束掃描，放大倍數(shù)為100倍，像素尺寸為0.2 mm×0.2 mm，對比度與靈敏度均小于0.2%。工作中實測管電壓為210 kV，管電流為0.63 mA，探測器類型為扁平面板Y.XRD1620，像素大小為0.13 mm×0.13 mm，體素大小為0.13 mm×0.13 mm×0.13 mm，掃描對象的旋轉(zhuǎn)角度為360°。

圖1 X-ray CT的綜合處理系統(tǒng)

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗方法 掃描試件為經(jīng)標準條件養(yǎng)護28 d的混凝土試件。制備尺寸為150 mm×150 mm×150 mm混凝土標準立方體試件12塊，利用鉆芯機分別從12塊標準立方體試件中部的同一位置鉆芯取樣，得到12塊直徑為110 mm、高度為110 mm的圓柱體試件。鉆芯取樣時采用特制的薄壁圓桶鉆頭，并持續(xù)加水降溫，以免鉆芯取樣過程溫度升高而對混凝土造成損傷。為降低檢測試驗結(jié)果的離散性，檢測樣本的重復(fù)次數(shù)為6次。將6塊圓柱體試件放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，在105 ℃ 恒溫干燥115.5 h直至試件質(zhì)量恒定, 自然冷卻后對6塊圓柱體試件進行X-ray CT掃描，其余6塊不經(jīng)過干燥直接進行X-ray CT掃描。X-ray CT三維掃描尺寸為直徑110 mm×高度110 mm,掃描后三維重構(gòu)模型選擇的分析區(qū)域尺寸為直徑100 mm，高度100 mm。圓柱體試件10 mm表層混凝土重構(gòu)模型并未進行孔隙結(jié)構(gòu)分析，目的是消除鉆芯取樣操作對試件表層混凝土的擾動而影響其孔隙結(jié)構(gòu)檢測的準確性。通過對干燥處理前后掃描結(jié)果進行對比研究，探討干燥處理前后混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律。

1.3.2 X-ray CT成像 X-ray CT掃描儀是應(yīng)用于重要工業(yè)領(lǐng)域的先進無損檢測設(shè)備，其為可以借助計算機將X射線斷層掃描斷面再現(xiàn)出來的一種全新X射線成像技術(shù)，可用于非透明物體組成結(jié)構(gòu)的無損檢測[21-22]。在射線穿透物質(zhì)的過程中，其強度呈指數(shù)關(guān)系衰減，由于不同物質(zhì)對射線的吸收系數(shù)不同[23]，因而物質(zhì)的密度可由物質(zhì)對于射線的衰減系數(shù)來體現(xiàn)。在X射線穿透被檢測物體時，其輻射照度遵循：

I=I0exp(-μmρx)。

(1)

式中：I為射線穿透物體后的輻射照度，W/m2；I0為射線穿透物體前的輻射照度，W/m2；μm為被檢測物體單位質(zhì)量的吸收系數(shù)，cm2/g；ρ為物質(zhì)的密度，g/cm3；x為入射射線的穿透長度，cm。

在一般情況下，μm只與入射射線的波長有關(guān)。所以按公式(2)引入μ作為物體對射線的吸收系數(shù)更方便。則有：

μ=μm/ρ。

(2)

式中：μ為物體對射線的吸收系數(shù)，cm-1。

在研究X-ray CT圖像時，人們更關(guān)心的是物體內(nèi)各部位密度間的差異，而不是密度的絕對值。因此CT數(shù)H的概念被采用，其定義為：

(3)

式中：H為被測物質(zhì)的CT數(shù)，Hu；μ水為X射線穿過水時的吸收系數(shù)，cm-1；μi為X射線穿過被測物質(zhì)的吸收系數(shù)，cm-1。

即某物質(zhì)的CT數(shù)H等于該物質(zhì)的吸收系數(shù)與水的吸收系數(shù)之差再與水的吸收系數(shù)相比之后乘以1 000。其單位名稱為Hu(Housfield unit)，1 000即為Hu的分度因數(shù)(scaling factor)。顯然，這里是以水為標準，各個物質(zhì)結(jié)構(gòu)的CT數(shù)均與之比較[24]。水的CT數(shù)為0，空氣的CT數(shù)為-1 000 Hu。物質(zhì)的CT數(shù)可以反映物質(zhì)的密度，即物質(zhì)的CT數(shù)越高相當于其密度越高。

1.3.3 混凝土三維模型重構(gòu)及孔隙結(jié)構(gòu)提取 對尺寸為φ110 mm×110 mm的混凝土圓柱體試件，以0.13 mm的厚度由上至下、由前至后、由左至右分別掃描，每個方向掃描得到846張CT圖像，3個掃描方向總計為2 538張CT圖像。對CT圖像進行中值及高斯濾波處理，以降低CT圖像的噪點。將降噪處理的CT圖像導(dǎo)入VG Studio MAX 2.2分析平臺，按最初掃描次序進行三維模型重構(gòu)。VG Studio MAX 2.2是目前X-ray CT數(shù)據(jù)顯示和分析的權(quán)威平臺，將X-ray CT掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入該軟件后能以3D效果和三視圖的斷層切片圖像顯示。然后可按照需要的方向作平面及立體切割，從而可以獲取各個切面上的詳細信息[25-26]。

基于X-ray CT掃描圖像的三維重構(gòu)模型，選擇φ100 mm×100 mm三維重構(gòu)模型為研究區(qū)域。利用雙峰法進行試算，確定孔隙的灰度值范圍，基于VG Studio MAX 2.2平臺中的“體積分析模塊”計算孔隙的總體積與表面積，根據(jù)孔隙的體積與試件體積，可按公式(4)計算孔隙率。同時提取混凝土試件內(nèi)每個孔隙的三維坐標、體積、表面積、直徑等幾何參數(shù)，以干燥前后混凝土孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)的6次重復(fù)的平均值，分析105 ℃恒溫干燥115.5 h前后混凝土內(nèi)部孔隙數(shù)量和分布的變化規(guī)律。

(4)

式中：VV為混凝土內(nèi)部孔隙率，%；VP為混凝土內(nèi)部孔隙體積，mm3；VS為混凝土總體積，mm3。

2 結(jié)果與分析

2.1 混凝土X-ray CT掃描圖像及其三維重構(gòu)

對混凝土試件進行X-ray CT三維掃描，得到其3個方向的典型X-ray CT掃描圖像見圖3。

a.由上至下;b.由前至后;c.由左至右

基于X-ray CT掃描圖像的混凝土三維重構(gòu)模型見圖4，三維孔隙結(jié)構(gòu)模型見圖5。

圖4 混凝土試件的三維重構(gòu)模型

2.2 干燥前后混凝土的孔隙率與孔隙數(shù)量

混凝土干燥前后孔隙率及孔隙數(shù)量的統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。由表2可知，經(jīng)105 ℃恒溫干燥處理115.5 h后，混凝土孔隙率和孔隙數(shù)較干燥前均有所提高，孔隙率較標準混凝土增加了19.77%，孔隙數(shù)增加了41.61%，單個最大孔隙體積增大了4.72%。

2.3 干燥前后混凝土孔隙的體積尺度分布

混凝土干燥前后孔隙體積尺度的分布情況如表3所示。由表3可知，在干燥前后的混凝土中，均以體積小于0.2 mm3的孔隙數(shù)占孔隙總數(shù)的較大部分，分別占其孔隙總數(shù)的65.39%和70.23%，且總體而言隨孔隙體積的增大，相應(yīng)孔隙數(shù)占孔隙總數(shù)的比例均逐漸下降。譬如體積20.0～200.0 mm3孔隙所占比例僅為干燥前后總孔隙個數(shù)的0.83%和0.65%。105 ℃恒溫干燥處理后，混凝土中體積0.1～0.2 mm3孔隙數(shù)的增長較為顯著，其孔隙個數(shù)是干燥處理前的1.61倍；孔隙體積0.4～0.5 mm3的孔隙數(shù)是干燥處理前的1.53倍，可見大體積孔隙個數(shù)的增長幅度較小體積孔隙有所降低，如體積10.0～20.0 mm3的孔隙數(shù)僅為干燥處理前的1.05倍。

表3 干燥前后混凝土孔隙的體積尺度分布

2.4 干燥前后混凝土孔隙的直徑尺度分布

混凝土干燥前后不同直徑孔隙的分布情況如表4所示。由表4可知，在干燥處理前后的混凝土中，均以直徑0.5～1.0 mm的孔隙占較大部分，分別占干燥前后孔隙總數(shù)的56.40%和57.94%；其次為直徑0.1～0.5 mm的孔隙，分別占干燥前后孔隙總數(shù)的13.74%和12.87%。且隨孔隙直徑的增大，相應(yīng)徑級孔隙數(shù)所占比例逐漸下降，如直徑5.0～15.0 mm孔隙所占比例僅為干燥前后孔隙總數(shù)的0.90%和0.73%。105 ℃ 恒溫干燥115.5 h后，以直徑0.5～1.0 mm和1.7～2.0 mm孔隙的增加最為顯著，其中直徑0.5～1.0 mm孔隙數(shù)為干燥處理前的2.08倍，直徑1.7～2.0 mm孔隙數(shù)為干燥處理前的1.28倍。

表4 干燥前后混凝土孔隙的直徑尺度分布

2.5 干燥處理混凝土孔隙結(jié)構(gòu)與強度變化機理

混凝土經(jīng)過105 ℃ 恒溫干燥115.5 h后，一方面，其內(nèi)部水化硅酸鈣凝膠結(jié)構(gòu)完整、密實，氫氧化鈣結(jié)晶完整，水泥水化物較常溫條件下多，混凝土基體密實度增加，強度相應(yīng)增大，對混凝土抗壓強度的提高有益[8-9]。這種增長效應(yīng)主要是由于水泥水化產(chǎn)物的強度增長，在某種程度抵消了混凝土干縮損傷引起的強度降低。另一方面，105 ℃恒溫干燥處理后，混凝土內(nèi)部孔隙率增加了19.77%，孔隙總數(shù)增加了41.61%，這是混凝土內(nèi)部水分的快速蒸發(fā)擴散以及混凝土內(nèi)部砂漿、骨料熱工性能的差異所致?？偪紫堵试龃?，則混凝土凈截面積減小，在一定荷載作用下組成復(fù)合體的各個單體所受的壓應(yīng)力就越大，因而整體強度有所降低。雖混凝土總孔隙率有所增加，但小孔徑孔隙比例增大，其中直徑0.5～1.0 mm的小孔隙數(shù)為干燥處理前的2.08倍，孔隙直徑趨于減小，對其強度有增大效應(yīng)?？傊?，105 ℃恒溫干燥處理后，混凝土的總孔隙率有所增加，但孔隙直徑趨于減小，孔隙率增大對混凝土強度有降低效應(yīng)，而大直徑孔隙率的下降和小孔徑孔隙率的提高卻對強度有增大效應(yīng)，兩種效應(yīng)的綜合疊加使混凝土強度損傷達到最小化。

3 結(jié) 論

基于X-ray CT三維掃描技術(shù)對105 ℃ 恒溫干燥115.5 h處理前后的混凝土試件進行三維掃描，并對掃描數(shù)據(jù)進行三維重構(gòu)，研究了混凝土干燥前后內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)特征的演化規(guī)律，得到以下結(jié)論：

1) 經(jīng)105 ℃恒溫115.5 h干燥處理后，混凝土孔隙率和孔隙數(shù)較干燥前均有所提高，孔隙率較干燥前混凝土增加了19.77%，孔隙數(shù)增加了41.61%，單個最大孔隙體積增大了4.72%。

2) 干燥前后的混凝土中，均以直徑0.5～1.0 mm孔隙數(shù)占較大部分，分別占干燥前后孔隙總數(shù)的56.40%和57.94%；干燥處理后，隨孔隙直徑的增大，大孔徑孔隙所占比例逐漸下降，直徑5.0～15.0 mm的大孔徑孔隙所占比例僅為干燥后總孔隙數(shù)量的0.73%；干燥后以直徑0.5～1.0 mm小孔徑孔隙增長最為顯著，為干燥前的2.08倍。

3) 經(jīng)105 ℃恒溫干燥115.5 h后，混凝土的總孔隙率有所增加，但孔隙直徑趨于減小。孔隙率增大對混凝土強度有降低效應(yīng)，但大直徑孔隙比例的下降卻對強度有增大效應(yīng)，兩種效應(yīng)的疊加使混凝土強度損傷趨于最小化。