高孔隙水壓力環(huán)境下混凝土細(xì)觀孔隙特征研究

張國(guó)輝，顧艷霜，李宗利，楊振東，李常兵

(1昆明理工大學(xué) 電力工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2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)

高滲透水壓力作用下混凝土力學(xué)特性會(huì)發(fā)生顯著變化，原因之一在于其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的演變，混凝土孔隙結(jié)構(gòu)變化引起混凝土力學(xué)特性隨之改變。因此，在高水壓力下混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的變化是混凝土力學(xué)性能改變的本質(zhì)所在。

目前，研究者采用各種方法研究了不同工況下混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。王乾峰等[1-2]基于壓汞法的原理，利用細(xì)觀管道孔隙網(wǎng)絡(luò)模型研究了水壓力變化對(duì)混凝土的影響，結(jié)果表明，水壓力環(huán)境中混凝土的力學(xué)特性與含水量、加載速率、孔隙水流動(dòng)的時(shí)間和空間有關(guān)。劉軍等[3]基于微觀結(jié)構(gòu)中平均孔徑與氯離子快速滲透系數(shù)之間較強(qiáng)的相關(guān)性，利用氮?dú)馕椒y(cè)量混凝土的微觀孔結(jié)構(gòu)，研究混凝土微觀孔結(jié)構(gòu)對(duì)滲透性能的影響。王中平等[4]利用核磁共振冷凍測(cè)孔法測(cè)定了不同齡期、不同水灰比水泥基材料的孔徑分布，發(fā)現(xiàn)該方法測(cè)得的孔徑分布信息較其他方法更為全面，對(duì)封閉微孔的分辨率更高。為了進(jìn)一步對(duì)混凝土展開(kāi)更細(xì)致的研究，田威等[5-6]基于CT技術(shù)研究了凍融循環(huán)下混凝土內(nèi)部孔隙的分布特征，得到了孔隙率和孔隙結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。陳峰賓等[7]利用CT掃描，建立了孔隙網(wǎng)絡(luò)模型和纖維分布模型，定量描述了不同纖維摻量下孔隙特征參數(shù)的變化和纖維分布。張肖寧等[8]基于X-ray CT[9]技術(shù)對(duì)瀝青混凝土混合料進(jìn)行分析，描述了真實(shí)的三維空間結(jié)構(gòu)信息。韓建德等[10]基于三維X-ray CT對(duì)碳化引起的水泥砂漿內(nèi)部缺陷進(jìn)行三維重構(gòu)，通過(guò)對(duì)缺陷體積分?jǐn)?shù)和尺度分布的定量分析，得到了碳化對(duì)水泥砂漿內(nèi)部缺陷分布的影響規(guī)律。顯然，基于工業(yè)CT識(shí)別技術(shù)[11-14]的運(yùn)用，結(jié)合圖像處理技術(shù)[15-16]對(duì)混凝土內(nèi)部的組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，能有效實(shí)現(xiàn)混凝土試件無(wú)損分析，且具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)三維可視化的優(yōu)點(diǎn)，但目前該領(lǐng)域的研究還不夠深入和系統(tǒng)。

為此，本研究基于CT斷層掃描技術(shù)和VG Studio MAX 2.2分析平臺(tái)，研究了試件面層孔隙特征參數(shù)沿高度的變化規(guī)律，驗(yàn)證了CT技術(shù)在混凝土孔隙結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)中的可操作性，然后通過(guò)CT掃描數(shù)據(jù)的三維重構(gòu)，系統(tǒng)研究了不同高孔隙水壓力作用前后混凝土三維孔隙結(jié)構(gòu)特征的變化規(guī)律，以期為揭示高壓水力劈裂的損傷機(jī)理提供支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

水泥，陜西冀東水泥廠生產(chǎn)的盾石牌 P.C 32.5R級(jí)復(fù)合硅酸鹽水泥，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為28.6%，安定性合格，初凝時(shí)間為4.2 h，終凝時(shí)間為5.3 h，28 d抗壓強(qiáng)度為48.58 MPa；粗骨料，陜西渭河的卵石，粒徑為5～40 mm，含泥量0.6%，表觀密度2.65 g/cm3，堆積密度1 563 kg/m3；砂子，陜西渭河砂場(chǎng)的天然中砂，表觀密度為2.59 g/cm3，細(xì)度模數(shù)為2.43，含泥量為 0.8%，堆積密度為1 540 kg/m3，級(jí)配良好，有害物質(zhì)含量均在規(guī)定值以下；拌和水，飲用自來(lái)水。

試驗(yàn)制備的混凝土試件的尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，試件澆筑采用人工插搗與機(jī)械振動(dòng)相結(jié)合的方法。混凝土強(qiáng)度為C20，經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d，混凝土試件的配合比參數(shù)如表1所示，拌和過(guò)程按SL 352-2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[17]進(jìn)行。

表1 混凝土試件的配合比參數(shù)Table 1 Mixing parameters of concrete specimens

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)控制因素為水壓力，12塊試件分為4組(A0、A1、A2、A3)，每組3塊。X-ray CT掃描儀的掃描尺寸為直徑110 mm、高度110 mm的圓柱體，為此采用鉆芯取樣的方法，利用鉆芯機(jī)對(duì)28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件進(jìn)行鉆芯處理，得到直徑110 mm、高度110 mm的圓柱體試件。由于試件周圍和空氣交接，對(duì)試件取芯會(huì)擾動(dòng)表層混凝土而影響其孔隙結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性，為消除該影響，掃描時(shí)選擇高度為100 mm、直徑為100 mm的分析區(qū)域。

試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)并取芯處理之后，為了定量考慮濕度損傷，即高壓水環(huán)境下進(jìn)入試件的水分多少，且最大程度上減少干燥工藝對(duì)混凝土的影響，將圓柱體試件放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，在105 ℃下恒溫持續(xù)干燥115.5 h直至試件達(dá)到干燥狀態(tài)，然后于自然環(huán)境中冷卻[18-19]。預(yù)設(shè)0，1，2和3 MPa 4種不同水壓力處理,分別記為T0、T1、T2和T3，其中T0作為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照組，取干燥后的T1、T2、T3組試件放入恒定水壓加載系統(tǒng)(圖1)中，將3組混凝土分別在1，2，3 MPa的恒定高孔隙水壓力下作用240 h[20]。圖1所示的恒定水壓加載系統(tǒng)主要由1個(gè)補(bǔ)壓容器(A)和2個(gè)恒壓容器(B、C)組成，該系統(tǒng)可提供的最大孔隙水壓力為4.0 MPa，水壓力誤差為±0.01 MPa。加載系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，向補(bǔ)壓容器充滿水，水通過(guò)高壓管流向恒壓容器中，使恒壓容器的水壓力增大達(dá)到預(yù)設(shè)值，補(bǔ)壓容器的壓力來(lái)源于不溶于水的氮?dú)?，?dāng)水壓低于預(yù)設(shè)值時(shí)，可打開(kāi)高壓閥門向恒壓容器內(nèi)輸送高壓水，恒壓容器將輸水管充滿水后放入混凝土試件，試驗(yàn)過(guò)程中緊固恒壓容器法蘭盤，確保密封，完成高孔隙水壓力作用，取出試件擦去表面水分作為CT掃描試件。

本試驗(yàn)使用德國(guó)YXLON(依科視朗)國(guó)際射線有限公司生產(chǎn)的YXLON.CT設(shè)備(圖2)，分別對(duì)干燥后的T0組試件及干燥并經(jīng)高孔隙水壓力作用后的T1、T2、T3組試件進(jìn)行掃描，以0.13 mm的厚度按由上至下、由前至后、由左至右的方式進(jìn)行掃描，各方向掃描后得到844張CT圖像，3個(gè)方向掃描共計(jì)得到2 532張CT圖像。掃描儀的最大電流為1.0 mA，最大管電壓為225 kV，體素大小為0.13 mm×0.13 mm×0.13 mm，像素大小為0.13 mm×0.13 mm，放大倍數(shù)為100倍，對(duì)比度和靈敏度均小于0.2%，操作模式為錐束掃描和數(shù)字成像，工作中掃描對(duì)象的旋轉(zhuǎn)角為360°。該設(shè)備在對(duì)檢測(cè)物體無(wú)損傷的條件下，以二維斷層圖像或三維立體圖像的形式，清晰、準(zhǔn)確、直觀地展示被檢測(cè)物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組成、材質(zhì)及缺損狀況。

經(jīng)掃描后各組試件沿高度由上到下分成20段，每段高約5 mm，選取每段中間的斷面作為研究對(duì)象，各試件共選取20個(gè)斷面，求取各試驗(yàn)組中的3塊試件相同斷面位置的面層孔隙率平均值。

由于受CT設(shè)備掃描精度的限制，本研究分析孔隙結(jié)構(gòu)特征時(shí)的孔徑范圍為≥0.13 mm，故為細(xì)觀孔隙特征分析。基于X-ray CT掃描圖像的三維重構(gòu)模型，選擇高度100 mm、直徑100 mm的分析區(qū)域，將掃描后的CT圖像導(dǎo)入VG Studio MAX 2.2 分析平臺(tái)進(jìn)行三維模型重構(gòu)，可獲得試件在二維空間上的平面圖和三維結(jié)構(gòu)模型的立體圖。該分析平臺(tái)主要基于灰度識(shí)別來(lái)進(jìn)行掃描處理，利用不同密度的物質(zhì)具有不同的灰度閾值，利用“表面測(cè)定”設(shè)定不同灰度范圍[21-22]，采用雙峰法對(duì)圖像進(jìn)行材質(zhì)分類；在“缺陷檢測(cè)”模塊對(duì)分析參數(shù)降噪處理后,基于孔隙分析模式得到在不同高孔隙水壓力作用下試件的總孔隙體積以及每個(gè)孔隙的直徑、體積、球度、三維坐標(biāo)等參數(shù)來(lái)研究孔隙結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，本研究描述的各項(xiàng)孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)均為各組3塊試件的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 試件孔隙結(jié)構(gòu)分布特征分析

混凝土試件的二維CT掃描圖片如圖3所示。由圖3的混凝土二維掃描圖可以直觀看出孔隙的分布情況，其中灰色光滑塊狀為骨料，黑色小點(diǎn)為孔隙，其余灰色部分為砂漿，但是僅限于平面結(jié)構(gòu)?；炷猎嚰娜S孔隙結(jié)構(gòu)模型如圖4所示，圖中各顏色分別代表了不同體積的孔隙，與圖3相比，從圖4中的三維孔隙模型圖可以直觀看出孔隙的大小、位置，且混凝土中的各成分均勻分布于試件中。為研究不同高孔隙水壓力下孔隙結(jié)構(gòu)之間的本質(zhì)差異，再進(jìn)一步對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量分析。

2.2 試件面層孔隙特征參數(shù)分析

試件沿高度方向的面層孔隙率及其離散特性分析結(jié)果見(jiàn)圖5和圖6。

由圖5可知，試件的面層孔隙率呈不斷變化趨勢(shì)，基本為2%～5%，試件2個(gè)相鄰代表層孔隙率的差值小于3.5%，說(shuō)明在不同高孔隙水壓力作用下，各試件孔隙分布連續(xù)性較好。試件在不同高孔隙水壓力環(huán)境下，底層孔隙率均小于其他斷層的孔隙率，且水壓力作用前后孔隙率沿高度分布趨勢(shì)相似，這是因?yàn)樵谠嚰仓^(guò)程中，骨料在自重作用下均會(huì)產(chǎn)生沉降，下部漿體受平板振動(dòng)作用的影響增大，振動(dòng)使底部出現(xiàn)少量的沉降現(xiàn)象，從而導(dǎo)致底部孔隙率較低。在不同水壓力作用下，CT掃描后沿高度方向的面層孔隙率分布較為均勻，與真實(shí)的孔隙分布規(guī)律相吻合，為三維孔隙結(jié)構(gòu)分析提供了科學(xué)依據(jù)。

由圖6可知，除T1試驗(yàn)組有1個(gè)異常值之外，其他斷面的面層孔隙率均在非異常值最大上限和最小下限范圍內(nèi)[22]，不同水壓力下面層孔隙率的均值與最大、最小值之間的差值均小于3%，面層孔隙率的平均值與中位值之間的差值均小于0.5%。

對(duì)圖6不同高孔隙水壓力環(huán)境下各處理的各斷面孔隙率進(jìn)行綜合分析可以看出，隨著水壓力的增大，試件平均孔隙率逐漸增大。箱體的高度(圖中25%～75%的矩形高度)表示一組數(shù)據(jù)中50%的面層孔隙率，同時(shí)四分位點(diǎn)(箱體的上下邊緣)與非異常值范圍內(nèi)的最大上限和最小下限的差距很大，剩下25%的孔隙率離中位數(shù)很遠(yuǎn)，對(duì)整體的均勻程度、集中程度影響很大，說(shuō)明在高孔隙水壓力環(huán)境下各組試件面層孔隙率的離散性為：T0>T1>T2>T3。

2.3 試件體積孔隙特征分析

為研究不同高孔隙水壓力環(huán)境下的體積孔隙分布特征，基于CT掃描數(shù)據(jù)重構(gòu)三維模型提取三維孔隙結(jié)構(gòu)，分析孔隙數(shù)量、孔隙率、三維孔隙直徑、孔隙體積和球度等結(jié)構(gòu)特征。

2.3.1 孔隙數(shù)量 表2所示為不同高水壓力下混凝土孔隙數(shù)量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表2 不同高孔隙水壓力下混凝土的孔隙數(shù)量Table 2 Statistics of numbers of concrete pores under different high pore water pressures

由表2可知，隨高孔隙水壓力的增大，孔隙數(shù)量呈先增后降趨勢(shì)，但與高孔隙水壓力作用前相比，1，2，3 MPa水壓力作用后的孔隙數(shù)量均有所增多，分別較作用前增加了46.99%，78.53%和55.12%。

2.3.2 孔隙率 由圖7可知，隨高孔隙水壓力的增大，混凝土試件的孔隙率呈現(xiàn)逐漸上升趨勢(shì)，1，2，3 MPa水壓力作用后的孔隙率較作用前分別增加了2.79%，8.38%，23.46%，水壓力為3 MPa時(shí)的孔隙率較2 MPa增加了13.92%。說(shuō)明高孔隙水壓力將水分帶入混凝土的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生水力劈裂，使混凝土孔隙數(shù)量增多，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，孔隙體積增大。

2.3.3 孔隙直徑 不同高孔隙水壓力作用下混凝土孔隙直徑的分布如表3所示。由表3可知，在不同高孔隙水壓力環(huán)境下，孔隙數(shù)量隨孔隙直徑的增大呈先增加后減少的趨勢(shì)，峰值均出現(xiàn)在孔徑≥0.5～<1.0 mm時(shí)，表明供試混凝土中該孔徑的孔隙數(shù)量占比最大。在0，1，2，3 MPa水壓力作用下，孔徑≥0.5～<1.0 mm孔隙的數(shù)量分別占孔隙總數(shù)的52.28%，61.87%，62.03%和59.72%；孔徑為≥0.13～<0.5 mm和≥10～<25 mm的孔隙數(shù)量隨高孔隙水壓力的增大而增加，3 MPa時(shí)孔徑≥0.13～<0.5 mm的孔隙數(shù)量較水壓力作用前增加了55.47%。

表3 不同高孔隙水壓力下混凝土的孔隙直徑分布Table 3 Pore diameter distribution of concrete under different high pore water pressures

2.3.4 孔隙體積 由表4可知，混凝土的孔隙體積在高孔隙水壓力作用下變化明顯。在0，1，2，3 MPa水壓力作用下，體積<0.1 mm3的孔隙數(shù)均占孔隙總數(shù)的較大部分，分別為總孔隙數(shù)的61.98%，77.79%，77.48%和72.39%。當(dāng)高孔隙水壓力逐漸增大，體積≥20 mm3的大體積孔隙數(shù)量增加明顯。當(dāng)水壓力增加到3 MPa時(shí)，體積<0.2 mm3的孔隙數(shù)量降低；但體積≥20 mm3的孔隙數(shù)量一直遞增,且3 MPa水壓力下的孔隙數(shù)量較水壓力作用前增加了24.68%。0，1，2，3 MPa水壓力作用下各組試件的內(nèi)部孔隙總體積分別為14 058.63，14 451.33，15 236.72，17 357.30 mm3。

表4 不同高孔隙水壓力下混凝土的孔隙體積尺寸分布Table 4 Pore volume size distribution of concrete under different high pore water pressures

2.3.5 孔隙球度 球度是指碎屑顆粒接近球體的程度，球度的大小是指顆粒三度空間的形狀與球體的相似程度，球度取值是0～1，孔隙球度值越接近1，則孔的三維形狀越接近球體，說(shuō)明其形狀越規(guī)則。供試混凝土試件在不同高孔隙水壓力作用下孔隙直徑與孔隙球度[23-25]的關(guān)系如圖8所示。圖8反映了高孔隙水壓力下對(duì)應(yīng)孔隙直徑范圍內(nèi)的平均孔隙球度值。由圖8可知，參試混凝土試件的孔隙球度值集中分布在0.16～0.66，當(dāng)孔隙直徑逐漸增大時(shí)，孔隙球度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，0，1，2和3 MPa水壓力作用下孔徑在≥20～<25 mm的孔隙球度分別較≥0.13～<0.5 mm孔徑降低了75.87%，68.18%，71.04%和74.64%。說(shuō)明無(wú)論是否存在水壓力，混凝土試件孔隙直徑越大，孔隙形狀越不規(guī)則；孔隙直徑<0.5 mm時(shí)，孔隙形狀較為規(guī)則且接近球體；當(dāng)孔隙直徑為≥20～<25 mm時(shí)，孔隙為不規(guī)則折線形或裂縫，孔隙形狀接近片狀和柱狀。

3 結(jié) 論

1)混凝土孔隙總體積隨高孔隙水壓力的增大而增大，使混凝土試件的孔隙率持續(xù)增加，1，2，3 MPa水壓力作用后的孔隙率較作用前分別增加了2.79%，8.38%和23.46%。

2)與作用前相比，高孔隙水壓力作用后的混凝土孔隙數(shù)量均有所增多，孔隙總數(shù)呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，在3 MPa水壓力作用下，孔徑≥0.5～<1.0 mm孔隙數(shù)量較2 MPa降低了16.35%，而孔徑≥20～<25 mm孔隙的數(shù)量增加了33.33%。故當(dāng)高孔隙水壓力增加時(shí)，孔隙結(jié)構(gòu)因受水壓力作用而發(fā)生改變，部分小尺寸孔隙擴(kuò)展延伸形成大尺寸孔隙和裂縫。