基于CT技術(shù)的摻鋰渣再生混凝土孔隙結(jié)構(gòu)特征

陳潔靜，秦?fù)碥?，肖建莊，盧 義

（1.新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830002；2.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092）

再生混凝土應(yīng)用前景廣闊，但通常認(rèn)為再生骨料的初始缺陷會(huì)對(duì)混凝土整體工作性能造成劣化影響［1-2］.鋰渣（LS）是鋰鹽萃取中產(chǎn)生的工業(yè)廢渣，其堆放占地以及對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題愈發(fā)需要關(guān)注.LS的化學(xué)成分與粉煤灰、高爐礦渣非常相似，其SiO2含量可達(dá)45%～70%，可用于制備不同種類的混凝土［3-5］.Qin等［6］發(fā)現(xiàn)再生混凝土摻入一定量的LS后，其立方體抗壓強(qiáng)度等力學(xué)性能優(yōu)于普通混凝土.摻LS再生混凝土的發(fā)展，可以緩解相關(guān)環(huán)境污染問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)“雙廢再利用”，兼具生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益.

計(jì)算機(jī)層析成像（CT）技術(shù)是一種現(xiàn)代無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，可以非破壞性與非侵入性地進(jìn)行混凝土組分結(jié)構(gòu)特征與空間分布的研究［7］.Wong等［8］利用CT技術(shù)研究了不同加載狀態(tài)下普通混凝土和高強(qiáng)度混凝土圓柱體試樣內(nèi)部孔隙與骨料狀態(tài)的演變；劉京紅等［9］用工業(yè)CT技術(shù)得到不同加載階段下混凝土孔隙和裂紋的三維（3D）可視化模型.CT無(wú)損技術(shù)為研究混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)提供了有利條件.

本文利用CT技術(shù)對(duì)摻鋰渣再生混凝土試塊進(jìn)行細(xì)觀尺度的研究，在計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)與3D可視化模型的輔助下分析了二維（2D）/3D層面下不同再生骨料（RCA）替代率以及LS摻量試塊的孔隙結(jié)構(gòu)特征，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)理論探究了混凝土孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)對(duì)宏觀力學(xué)強(qiáng)度的影響程度.本研究為摻鋰渣再生混凝土的實(shí)際應(yīng)用提供了細(xì)觀層次聯(lián)系宏觀性能的理論支持.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

RCA來(lái)源于烏魯木齊市廢棄建筑的拆遷工地，經(jīng)顎式破碎機(jī)二次破碎、篩分后調(diào)整粒徑為5～31.5 mm連續(xù)級(jí)配.天然粗骨料（NCA）采用當(dāng)?shù)芈咽?，?jīng)過(guò)清洗與篩分后調(diào)整為與再生粗骨料粒徑一致.NCA和RCA物理性能指標(biāo)見表1，其骨料級(jí)配曲線見圖1.

表1 NCA和RCA物理性能指標(biāo)Table 1 Physical indexes of NCA and RCA

圖1 NCA和RCA的骨料級(jí)配曲線Fig.1 Aggregate grading curves of NCA and RCA

采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥（C）；鋰渣取自烏魯木齊鋰鹽廠，經(jīng)過(guò)烘干及研磨處理后投入試驗(yàn)；細(xì)骨料為天然水洗中砂，細(xì)度模數(shù)為3.5.水泥和鋰渣的化學(xué)組成1）文中涉及的組成、替代率、摻量、水灰比等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比.見表2.

表2 水泥和鋰渣的化學(xué)組成Table 2 Chemical components of cement and LS w/%

1.2 試件的制備

試件的具體配合比參考課題組的研究成果［10-11］，RCA部分替代NCA，LS摻入并減少水泥用量，水灰比為0.45，制備C30摻鋰渣再生粗骨料混凝土.將水泥、鋰渣、骨料等采用HJW60型單軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)攪拌均勻，倒入150 mm×150 mm×150 mm的模具中，試件經(jīng)過(guò)28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，每組隨機(jī)取3個(gè)試件，進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度測(cè)試和CT掃描.抗壓強(qiáng)度根據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試，采用定向荷載控制，加載速率為0.5 MPa/s，結(jié)果取平均值.試件配合比與抗壓強(qiáng)度見表3，表中wRCA、wLS分別為RCA的替代率、LS的摻量.

表3 試件配合比與抗壓強(qiáng)度Table 3 Mix proportions and compressive strength of specimens

1.3 CT掃描

采用YXLON的Y.CT Compact設(shè)備對(duì)試件進(jìn)行掃描，掃描電壓為430 V，掃描電流為1.55 mA，最大工作功率為0.70 k W，掃描間距為0.50 mm，放大系數(shù)為2.02，掃描方式為線陣掃描.掃描所得混凝土CT圖像的分辨率高達(dá)3 000×2 084，三相組分在圖像上能夠相對(duì)清晰區(qū)分.

1.4 圖像處理與2D/3D數(shù)據(jù)提取

用Matlab函數(shù)對(duì)CT圖像進(jìn)行預(yù)處理［12］.預(yù)處理步驟主要包括：增強(qiáng)，以凸顯各相形貌信息；濾波除噪，以減少分割的誤差；形態(tài)學(xué)處理.預(yù)處理后的CT圖像轉(zhuǎn)化為灰度模式，有256個(gè)灰度級(jí)，根據(jù)孔隙所占灰度級(jí)的不同，利用最大類間方差法計(jì)算出孔隙的閾值，提取出只余孔隙相的二值化圖像.利用Image Pro Plus軟件對(duì)圖像進(jìn)行孔徑、表面積等2D孔隙特征參數(shù)提?。ㄒ妶D2），同時(shí)使用VG Studio軟件，將主視圖（front），俯視圖（top），右視圖（right）三視角度的CT切片構(gòu)建成孔隙結(jié)構(gòu)的3D模型（見圖3）.

圖2 圖像處理及2D孔結(jié)構(gòu)提取Fig.2 Image processing and 2D pore structure extraction

圖3 基于三視圖的3D模型構(gòu)建Fig.3 3D model construction based on three views

2 2D孔隙結(jié)構(gòu)

2.1 孔隙率

沿Z軸等間距選取30張CT圖片進(jìn)行孔隙結(jié)構(gòu)特征的提取與分析.圖4為試件沿Z軸的孔隙率，圖中L為距Z軸原點(diǎn)的距離.由圖4可見：試件孔隙率沿Z軸變化明顯；孔隙率在接近試件上下表面時(shí)表現(xiàn)出了離散性波動(dòng)，而60～100 mm間逐漸趨向于平均值附近.

圖4 試件沿Z軸的孔隙率Fig.4 Porosity along the Z axis of specimens

方差越大，說(shuō)明孔隙率離散程度越大，孔隙分布越不均勻.試件的平均孔隙率與方差見表4.由表4可見：方差最小值出現(xiàn)在R30L 20組；在30%RCA替代率下，方差隨著LS的摻入而降低，而25%摻量的LS使試件方差發(fā)生了回升，說(shuō)明適量的LS摻入可有效改善孔隙分布的均勻性，但過(guò)量的LS卻不利于孔隙分布均勻；R30L 0的平均孔隙率最大，比LZ增大了17.213%，這是因?yàn)镽CA比NCA更粗糙，棱角更分明，其表面包裹的老舊水泥砂漿使其孔隙率有所增加［13-14］；30%RCA替 代 率 下，R30L 15、R30L 20、R30L 25的平均孔隙率分別比LZ減少了34.321%、53.017%、16.765%，這是因?yàn)長(zhǎng)S的火山灰效應(yīng)，使其與水泥水化作用產(chǎn)生的Ca（OH）2進(jìn)行二次水化，生成的水化硅酸鈣（C-S-H）膠凝體有填充孔隙作用［4］，此外，經(jīng)過(guò)研磨后的LS粒徑小于45μm，達(dá)到了微集料效應(yīng)的條件.但LS對(duì)平均孔隙率的正面效應(yīng)影響有遞減現(xiàn)象，這意味著其摻量在優(yōu)化孔隙結(jié)構(gòu)方面有一個(gè)極值，可以使再生混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)達(dá)到最佳.對(duì)此較恰當(dāng)?shù)慕忉屖牵篖S具有形態(tài)效應(yīng)［15］，表現(xiàn)為適量的LS能使混凝土需水量不增加或者減少，也會(huì)在體系中起到潤(rùn)滑作用，但同時(shí)LS具有多孔、疏松結(jié)構(gòu)，顆粒微觀形貌不規(guī)則，過(guò)量的LS會(huì)喪失形態(tài)效應(yīng)的優(yōu)越性，對(duì)混凝土孔隙結(jié)構(gòu)、性能造成不利影響；再者，水泥用量的減少極有可能會(huì)發(fā)生水化不完全的情況，使LS無(wú)法與足夠的Ca（OH）2發(fā)生有效反應(yīng).LS摻量為20%的試件平均孔隙率均低于LZ，且R30L 20的平均孔隙率最小.這是因?yàn)镽30L 20中RCA與LS的用量達(dá)到了一個(gè)較理想的平衡，且R50L20、R70L20均表現(xiàn)出比普通混凝土更致密的孔隙結(jié)構(gòu)，平均孔隙率比LS分別減少了30.369%、16.568%.

表4 試件的平均孔隙率與方差Table 4 Mean porosity and variance of specimens

2.2 孔徑

有學(xué)者根據(jù)孔徑范圍將孔隙分為無(wú)害孔、少害孔、危害孔等，并認(rèn)為一定尺寸的小尺寸孔隙對(duì)混凝土的負(fù)面影響不明顯，而大尺寸孔隙的負(fù)面影響較為顯著［16］.基于體視學(xué)原理的2D層面研究中，一般會(huì)把孔隙定義為圓或橢圓［17-18］，利用孔徑表征孔隙尺寸，結(jié)果見表5，表中dmean、dmax分別為孔隙的平均孔徑、最大孔徑.

表5 試件的孔隙尺寸Table 5 Pore size of specimens

由表4、5可見：不同配合比試件中孔徑的發(fā)展趨勢(shì)與平均孔隙率不同；平均孔隙率最大的R30L0試件平均孔徑也最大；30%RCA替代率下，隨著LS摻量的增大，試件最大孔徑和平均孔徑均先減小后增大，證明了LS對(duì)縮小孔隙尺寸所發(fā)揮的積極作用；最大孔徑出現(xiàn)在LZ組，與孔隙結(jié)構(gòu)最優(yōu)的R30L 20以及RCA替代率最大的R70L 20相比，LZ的最大孔徑分別提高了48.059%、38.018%.由此推測(cè)，NCA的堆積方式與大孔徑的出現(xiàn)幾率可能有一定的關(guān)系.平均孔徑是評(píng)價(jià)試件孔隙結(jié)構(gòu)整體優(yōu)劣的指標(biāo).由表5還可見：R30L 0的平均孔徑比LZ增大了1.673%；除了R30L 0，其他試件的平均孔徑均比LZ有一定程度的降低；當(dāng)LS摻量為20%時(shí)，隨著RCA替代率的增大，試件的平均孔徑先減小后增大，這表明適量的RCA帶來(lái)的負(fù)面影響是可以在一定程度上被LS所緩解.

對(duì)孔徑與抗壓強(qiáng)度、孔徑與平均孔隙率的關(guān)系進(jìn)行分析，其結(jié)果見圖5.由圖5可見：在圖示范圍內(nèi)隨著最大孔徑的增大，試件的抗壓強(qiáng)度逐漸降低，二者基于二次方程擬合優(yōu)度達(dá)0.904 2；最大孔徑與平均孔隙率的正相關(guān)趨勢(shì)較明顯，平均孔隙率隨著最大孔徑的增大而增大；平均孔徑與平均孔隙率亦為正相關(guān)，但平均孔徑與抗壓強(qiáng)度基于二次方程的擬合優(yōu)度不佳.

圖5 孔徑與抗壓強(qiáng)度、孔徑與平均孔隙率的關(guān)系Fig.5 Relation among pore diameter，compressive strength and porosity

2.3 表面積分布

孔隙在數(shù)量與形態(tài)大小上的表征較復(fù)雜，以單一均值或極值進(jìn)行分析難以表現(xiàn)其尺寸分布規(guī)律.本文基于統(tǒng)計(jì)結(jié)果將孔隙表面積S從0開始進(jìn)行分級(jí)統(tǒng)計(jì)，獲得不同表面積下的孔隙占比，結(jié)果見圖6，圖中Save為平均孔隙表面積.由圖6可見：整體上看，孔隙面積大都集中在0～3 mm2，其占比超過(guò)了60%；隨著表面積分級(jí)的提高，其占比大致呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)；在0～2 mm2范圍的小表面積孔中，小表面積孔占比隨著LS摻量的增大表現(xiàn)出先增加再減少的趨勢(shì)，而此范圍內(nèi)R30L 20的小表面積孔占比R30L 0減少了42.710%，證明了20%摻量的LS能顯著影響孔隙生長(zhǎng)規(guī)律，使孔隙總體趨于小孔分布.

圖6 孔隙表面積分布直方圖Fig.6 Frequency histogram of pore area distribution

綜上，適量LS的加入可以優(yōu)化再生混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，促進(jìn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密化與孔隙分布均勻化.

3 孔隙3D形態(tài)表征

在2D層面的研究中，有學(xué)者常用外接橢圓的長(zhǎng)軸與短軸之比來(lái)量化孔隙偏離橢圓的程度；也有學(xué)者提出形狀因子［19］，但都是基于與標(biāo)準(zhǔn)圓相比較的思想來(lái)實(shí)現(xiàn).基于孔隙3D模型的建立，可以直觀孔隙真實(shí)形態(tài)，可使用密實(shí)度（C）與球體度（Sp）2個(gè)形態(tài)特征參數(shù)對(duì)真實(shí)孔隙形狀進(jìn)行描述.孔隙的球體度與密實(shí)度越接近1，則形態(tài)越接近標(biāo)準(zhǔn)圓，其計(jì)算公式為：

式中：Vdefect為孔隙3D體積；Vsphere即以孔隙3D幾何體最長(zhǎng)軸的1/2為半徑的外接球體體積；A為孔隙3D表面積.

試件的平均密實(shí)度Cmean與平均球體度Sp，mean見表6.由表6可見：30%RCA替代率下，隨著LS摻量的增加，試件平均密實(shí)度有輕微的下降，而這個(gè)趨勢(shì)在平均球體度中并不明顯；在20%LS摻量下，隨著RCA替代率的增加，平均球體度也呈現(xiàn)下降趨勢(shì).

表6 試件的平均密實(shí)度與平均球體度Table 6 Mean compactness and mean sphericity of specimens

以0.1為間隔對(duì)孔隙球體度進(jìn)行劃分，0～0.4與0.8～1.0區(qū)間的球體度占比較小且差異不明顯，因此將其合并.試件球體度分布見圖7.由圖7可見：大部分孔隙的球體度在0.5～0.7之間，0.8以上球體度的孔隙占比極少，說(shuō)明越接近標(biāo)準(zhǔn)圓的孔隙數(shù)量越少，因此以標(biāo)準(zhǔn)圓規(guī)范孔隙形態(tài)的設(shè)計(jì)與計(jì)算存在一定誤差；所有試件中球體度大于0.6的孔隙占比均超過(guò)50%，可以認(rèn)為大多數(shù)孔隙形態(tài)較為理想；摻LS再生混凝土試件的球體度大于0.6的孔隙占比均超過(guò)60%，比LZ組提高了12.506%.

圖7 球體度分布直方圖Fig.7 Proportion histogram of pore sphericity

4 關(guān)聯(lián)性評(píng)估

由于孔隙尺寸、分布的復(fù)雜性，很難建立每個(gè)單一孔隙特征與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系.因此，本文利用灰色關(guān)聯(lián)度理論，基于所提取的多個(gè)孔隙特征來(lái)量化其對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響程度.將孔隙特征相關(guān)參數(shù)設(shè)為比較序列，將抗壓強(qiáng)度設(shè)為參考序列.根據(jù)文獻(xiàn)［20］，計(jì)算各孔隙特征參數(shù)與抗壓強(qiáng)度的灰色關(guān)聯(lián)度，結(jié)果見表7、8.由表7可見：除了2～3 mm2孔隙表面積外，所有試件孔隙表面積與抗壓強(qiáng)度的灰色關(guān)聯(lián)度均達(dá)到了0.700以上；表面積為0～1、1～2 mm2的孔隙對(duì)其抗壓強(qiáng)度影響最明顯，比平均表面積與抗壓強(qiáng)度的灰色關(guān)聯(lián)度分別提高了2.660%、16.888%.由表8可見：在孔隙形態(tài)特征參數(shù)中，平均密實(shí)度、平均球體度與抗壓強(qiáng)度灰色關(guān)聯(lián)度達(dá)了0.886、0.968，比平均表面積與抗壓強(qiáng)度的灰色關(guān)聯(lián)度分別高了17.819%、28.732%，說(shuō)明除孔隙的數(shù)量與大小之外，孔隙的形態(tài)特征對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響也值得關(guān)注；隨著球體度的增大，其與抗壓強(qiáng)度的灰色關(guān)聯(lián)度持續(xù)提高，說(shuō)明孔隙越接近標(biāo)準(zhǔn)圓，其與抗壓強(qiáng)度關(guān)系更密切.

表7 孔隙表面積與抗壓強(qiáng)度的灰色關(guān)聯(lián)度Table 7 Grey correlation between pore area and compressive strength

表8 孔隙形態(tài)特征參數(shù)與抗壓強(qiáng)度的灰色關(guān)聯(lián)度Table 8 Grey correlation between pore morphological characteristic and compressive strength

5 結(jié)論

（1）30%再生骨料（RCA）替代率下，再生混凝土的平均孔隙率隨著鋰渣（LS）摻量增大先降低后提高；在20%鋰渣摻量下，再生混凝土的平均孔隙率隨RCA替代率增加先降低后提高，R30L 20平均孔隙率最低且分布最均勻；平均孔徑與平均孔隙率呈正相關(guān)，最大孔徑與抗壓強(qiáng)度擬合優(yōu)度達(dá)0.904 2；適量的LS可以優(yōu)化再生混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，促進(jìn)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密化與孔隙分布均勻化.

（2）在三維孔隙表征的基礎(chǔ)上，大部分孔隙的球體度在0.5～0.7之間，極少出現(xiàn)接近標(biāo)準(zhǔn)圓形態(tài)的孔隙，LS與RCA的共同作用可以提高孔隙整體球體度.

（3）平均球體度、平均密實(shí)度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系緊密，孔隙球體度越接近1，與抗壓強(qiáng)度關(guān)聯(lián)性越好；在二維表面積特征參數(shù)中，0～1、1～2 mm2的表面積分布與抗壓強(qiáng)度關(guān)聯(lián)性較好.

（4）建議采用適用于高密度部件的高壓扇束型工業(yè)CT掃描技術(shù)輔以數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)混凝土進(jìn)行細(xì)觀結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)，以實(shí)現(xiàn)其強(qiáng)度預(yù)測(cè)分析.