基于X-CT的蒸養(yǎng)大摻量礦物摻合料砂漿孔結(jié)構(gòu)

郭玉柱, 陳徐東, *, 寧英杰, 陳育志

（1.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院, 江蘇南京 210098；2.浙江交工集團(tuán)股份有限公司, 浙江杭州 310051；3.金陵科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院, 江蘇 南京 211169）

蒸汽養(yǎng)護(hù)（蒸養(yǎng)）是混凝土預(yù)制構(gòu)件工業(yè)化生產(chǎn)中一種常用的養(yǎng)護(hù)方式[1］.高溫、高濕度的蒸養(yǎng)環(huán)境不僅可以加速膠凝材料水化反應(yīng)和微觀結(jié)構(gòu)的形成, 使蒸養(yǎng)混凝土預(yù)制構(gòu)件具有較高的早期強(qiáng)度[2］, 而且可以有效提高混凝土預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)率.但是, 過快的水化反應(yīng)速率會使膠凝材料在局部形成致密的殼狀水化產(chǎn)物, 造成水化產(chǎn)物的不均勻分布[3-4］.Lothenbach等[5］的研究也表明, 水化產(chǎn)物的不均勻分布和鈣礬石含量的減少增加了蒸養(yǎng)混凝土中的毛細(xì)氣孔數(shù)量.因此, 由蒸養(yǎng)過程造成的熱損傷會導(dǎo)致混凝土孔結(jié)構(gòu)的劣化[6］, 甚至影響工程結(jié)構(gòu)的耐久性[7］.

礦物摻合料的火山灰效應(yīng)可以改善混凝土孔結(jié)構(gòu), 從而降低蒸養(yǎng)過程中造成的熱損傷[8-10］.粉煤灰-礦渣粉復(fù)摻體系不僅能有效降低膠凝材料水化熱, 改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu), 而且可以保證混凝土構(gòu)件在蒸養(yǎng)后達(dá)到足夠的強(qiáng)度[11-12］.此外, 后續(xù)養(yǎng)護(hù)中保證足夠的濕度也可以改善蒸養(yǎng)階段對混凝土微觀結(jié)構(gòu)造成的不利影響[13］.為了提高預(yù)制混凝土構(gòu)件蒸養(yǎng)質(zhì)量, 保證工程結(jié)構(gòu)的耐久性, 研究高溫蒸養(yǎng)以及后續(xù)養(yǎng)護(hù)方式對蒸養(yǎng)大摻量礦物摻合料砂漿孔結(jié)構(gòu)的影響具有重要的工程意義.

然而, 目前關(guān)于高溫蒸養(yǎng)及后續(xù)養(yǎng)護(hù)方式對大摻量礦物摻合料砂漿孔結(jié)構(gòu)影響的相關(guān)研究較少.X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（X-CT）是一種具有較高分辨率的無損檢測技術(shù), 能清晰直觀地檢測砂漿內(nèi)部細(xì)觀孔隙分布和孔隙形態(tài)[14］, 可用于蒸養(yǎng)砂漿孔結(jié)構(gòu)的分析.本研究以80℃下恒溫蒸養(yǎng)12 h的大摻量礦物摻合料砂漿作為研究對象, 后續(xù)養(yǎng)護(hù)制度采用自然養(yǎng)護(hù)、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)（標(biāo)養(yǎng)）和水養(yǎng)3種方式, 同時設(shè)置全程標(biāo)養(yǎng)砂漿作為對照組.基于X-CT技術(shù)對各養(yǎng)護(hù)制度下的砂漿孔結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了分析, 并將孔隙參數(shù)與砂漿的宏觀力學(xué)性能建立了聯(lián)系, 研究結(jié)果可以為改善蒸養(yǎng)混凝土的性能提供有益參考.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料及配合比

C50是預(yù)制構(gòu)件混凝土最常見的強(qiáng)度等級之一, 摻加礦物摻合料可以降低混凝土成本且對其耐久性有利, 因此大摻量礦物摻合料混凝土用于生產(chǎn)混凝土預(yù)制構(gòu)件具有極大優(yōu)勢.高溫蒸養(yǎng)會使水泥砂漿孔結(jié)構(gòu)劣化, 這是其不利影響的主要表現(xiàn)形式之一.而X-CT的高精度掃描需要樣品體積足夠小, 為了避免粗骨料的存在對小體積樣品均勻性的影響, 本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了C50強(qiáng)度等級的大摻量礦物摻合料砂漿, 對其進(jìn)行蒸養(yǎng)和孔結(jié)構(gòu)研究.

水泥采用海螺牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥, 礦物摻合料為S95?；郀t礦渣粉, 粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰, 砂子采用細(xì)度模數(shù)為2.6的河砂, 水為實(shí)驗(yàn)室自來水, 減水劑采用聚羧酸高效減水劑.砂漿配合比為m（水泥）∶m（礦渣粉）∶m（粉煤灰）∶m（砂子）∶m（水）∶m（減水劑）=250.0∶150.0∶100.0∶1 350.0∶160.0∶3.5.膠凝材料的化學(xué)組成見表1.砂子的粒徑級配如圖1所示.

表1 膠凝材料的化學(xué)組成Table 1 Chemical composition of cementitious materials w/%

圖1 砂子的粒徑級配Fig.1 Grading curve of sand particle size

1.2 蒸養(yǎng)制度

參照GB/T 17671—2021《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》拌制砂漿, 將攪拌均勻后的砂漿裝入尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的鋼模中振搗成型.對于成型后的砂漿, 其中1組放入標(biāo)養(yǎng)箱內(nèi)進(jìn)行標(biāo)養(yǎng)（編號為SD）, 另外3組放入蒸養(yǎng)箱內(nèi)進(jìn)行蒸養(yǎng).蒸養(yǎng)制度的制定主要考慮2個因素：一方面考慮實(shí)際生產(chǎn)過程中為了加快模具的循環(huán)利用, 應(yīng)盡量在24 h之內(nèi)結(jié)束整個蒸養(yǎng)過程；另一方面考慮預(yù)制構(gòu)件后續(xù)預(yù)應(yīng)力的張拉要求, 在蒸養(yǎng)結(jié)束后強(qiáng)度應(yīng)盡量達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%左右, 這樣可以實(shí)現(xiàn)在拆模后2～3 d內(nèi)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉工序.最后, 通過預(yù)試驗(yàn)確定了基本滿足上述需求的蒸養(yǎng)制度, 即：20℃下靜置3 h、升溫2 h、80℃下恒溫12 h和降溫2 h共4個階段, 如圖2所示.蒸養(yǎng)結(jié)束的砂漿在1 h內(nèi)拆模, 然后分成3組分別進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)（編號為ST-NA）、標(biāo)養(yǎng)（編號為ST-SD）和水養(yǎng)（編號為ST-WA）.

圖2 蒸養(yǎng)制度Fig.2 Steam curing system

1.3 抗壓強(qiáng)度測試

參照GB/T 17671—2021標(biāo)準(zhǔn), 采用萬測微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)對各養(yǎng)護(hù)制度下砂漿1、3、7、14、28 d齡期的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測試.

1.4 X-CT測試

X-CT掃描采用德國Vtomexs微焦點(diǎn)X-CT系統(tǒng), 設(shè)置電壓為120 kV, 電流為150 μA, 功率為18 W.砂漿養(yǎng)護(hù)28 d后取樣進(jìn)行X-CT掃描, 樣品采用邊長20 mm的立方體, 獲得的2D圖像分辨率為38.8 μm/體素, 像素?cái)?shù)量為1 024×1 024.

由于射束硬化, CT圖像會出現(xiàn)中間黑、邊緣亮的偽影, 此時若直接通過一個固定的灰度閾值分割來提取孔隙, 將使CT圖像上較亮區(qū)域的部分孔隙被漏掉或者較暗區(qū)域的孔隙被過度放大.為了更好地對孔隙進(jìn)行提取分割, 采用活動輪廓模型（active contour model）對圖像進(jìn)行預(yù)處理.該方法是通過在目標(biāo)周圍區(qū)域構(gòu)造1條可變形的初始活動輪廓曲線, 并建立相應(yīng)的能量泛函方程, 曲線在自身變形能和輪廓外部勢能的共同作用下, 通過最小化能量泛函, 使輪廓曲線收斂到目標(biāo)圖像的邊緣, 找出最佳可能的邊界輪廓曲線[15］.初始活動輪廓曲線控制點(diǎn)上的能量函數(shù)Etot定義為[16］：

式中：Eint為內(nèi)部能量, 控制著活動輪廓曲線的彈性變形；Eext為外部勢能, 外部勢能吸引活動輪廓曲線到圖像上的目標(biāo)特征區(qū)域；s為歸一化弧長；v(s)=(x(s),y(s)), 為活動輪廓曲線控制點(diǎn)的二維坐標(biāo).

實(shí)際計(jì)算過程中, 常采用能量函數(shù)的離散方程來計(jì)算Etot[17］：

式中：vi為活動輪廓曲線上第i個離散的控制點(diǎn)；vivi-1為活動輪廓曲線控制點(diǎn)的1階導(dǎo)數(shù)；vi+1-2vi+vi-1為活動輪廓曲線控制點(diǎn)的2階導(dǎo)數(shù)；n為控制點(diǎn)數(shù)；α為彈力系數(shù)；β為強(qiáng)度系數(shù).

利用歐拉方程求解能量函數(shù)的最小值：

式中：v″(s)、v(4)(s)分別為控制點(diǎn)在圖像空間中的2階微分和4階微分.

此時, 圖像分割問題轉(zhuǎn)化為變分問題, 在灰度數(shù)字圖像離散條件下, 通過構(gòu)造線性方程組, 采用Matlab軟件進(jìn)行迭代計(jì)算求解.通過活動輪廓模型分割出孔隙后, 對孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維重構(gòu), 并對孔結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析.上述CT圖像處理流程如圖3所示.

圖3 CT圖像處理流程Fig.3 CT image processing flow

2 結(jié)果與討論

2.1 孔隙率與抗壓強(qiáng)度

為了分析不同養(yǎng)護(hù)制度對大摻量礦物摻合料砂漿孔隙率的影響, 沿著豎直方向（z軸）由表及里對4種養(yǎng)護(hù)制度下砂漿的二維孔隙率進(jìn)行了分析, 結(jié)果如圖4所示.由圖4可見, 蒸養(yǎng)制度對砂漿不同深度范圍的二維孔隙率產(chǎn)生了較明顯的影響.從ST-NA、ST-WA和ST-SD這3種砂漿二維孔隙率的變化趨勢可知, 高溫蒸養(yǎng)導(dǎo)致砂漿表層的孔隙率明顯變大, 二維孔隙率沿著砂漿z軸由表及里逐漸減小, 直至14 mm深度時基本趨于一致, 表明蒸養(yǎng)使其表層孔結(jié)構(gòu)粗化, 這與文獻(xiàn)[18］的結(jié)論一致.而全程標(biāo)養(yǎng)砂漿SD的二維孔隙率較為均衡, 孔隙率也最小.計(jì)算二維孔隙率的平均值可以得出砂漿的三維孔隙率, ST-NA、ST-WA、ST-SD和SD砂漿的三維孔隙率分別為2.41%、2.03%、2.09%、1.63%.對比蒸養(yǎng)后自然養(yǎng)護(hù)、標(biāo)養(yǎng)和水養(yǎng)的砂漿孔隙率發(fā)現(xiàn), 合理的后續(xù)養(yǎng)護(hù)制度對粗化后的孔結(jié)構(gòu)有明顯改善作用.以全程標(biāo)養(yǎng)砂漿的平均孔隙率為基礎(chǔ), 蒸養(yǎng)后自然養(yǎng)護(hù)的砂漿孔隙率增大了0.78%, 而通過后續(xù)標(biāo)養(yǎng)和水養(yǎng), 砂漿孔隙率的增長值降低至0.40%、0.46%.這是由于后續(xù)標(biāo)養(yǎng)和水養(yǎng)為膠凝材料的水化反應(yīng)提供了必要的濕度和水分, 充分的水化反應(yīng)生成了大量水化產(chǎn)物, 使砂漿的孔隙率明顯降低.

圖4 沿豎直方向的二維孔隙率Fig.4 2D porosity along vertical direction

4種養(yǎng)護(hù)制度下, 砂漿不同齡期抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果如圖5所示.由圖5可見：80℃下恒溫12 h蒸養(yǎng)使砂漿的1 d抗壓強(qiáng)度增長到35.5 MPa, 達(dá)到了全程標(biāo)養(yǎng)SD砂漿28 d抗壓強(qiáng)度的67.1%；而全程標(biāo)養(yǎng)SD砂漿1 d抗壓強(qiáng)度僅僅達(dá)到了其28 d抗壓強(qiáng)度的30.5%.這是由于高溫蒸養(yǎng)使水泥水化反應(yīng)速率加劇, 生成了堆積密度更加致密的C-S-H凝膠[19］；同時, 高溫蒸養(yǎng)促進(jìn)了礦渣粉和粉煤灰的火山灰效應(yīng), 短時間內(nèi)生成了更多的C-S-H凝膠[11, 20］.這種雙重促進(jìn)作用使砂漿在蒸養(yǎng)后獲得了較高的抗壓強(qiáng)度.而全程標(biāo)養(yǎng)條件下, 水化反應(yīng)速率相對較慢, 礦物摻合料的活性也相對較低, 此時水化反應(yīng)易生成絮狀或顆粒狀的C-S-H凝膠, 其聚合度低于蒸養(yǎng)條件下生成的蜂窩狀或網(wǎng)狀C-S-H凝膠[21-22］, 導(dǎo)致全程標(biāo)養(yǎng)砂漿的早期強(qiáng)度明顯低于蒸養(yǎng)砂漿.對比ST-NA、ST-WA和ST-SD砂漿的強(qiáng)度增長規(guī)律還可以發(fā)現(xiàn), 蒸養(yǎng)后的不同養(yǎng)護(hù)制度對砂漿后續(xù)強(qiáng)度的增長有明顯影響.ST-NA砂漿在后續(xù)自然養(yǎng)護(hù)過程中, 由于缺少膠凝材料水化反應(yīng)所需要的濕度條件, 導(dǎo)致后續(xù)水化反應(yīng)不充分, 其28 d抗壓強(qiáng)度最低.ST-WA和ST-SD砂漿的后續(xù)養(yǎng)護(hù)制度保證了充分的濕度, 更好地促進(jìn)了膠凝材料的水化, 兩者后續(xù)強(qiáng)度增長明顯優(yōu)于ST-NA砂漿.然而, 蒸養(yǎng)后不同后續(xù)養(yǎng)護(hù)制度下砂漿28 d抗壓強(qiáng)度均小于全程標(biāo)養(yǎng)砂漿28 d抗壓強(qiáng)度.這是由于高溫蒸養(yǎng)砂漿的孔隙率較大, 密實(shí)度低于全程標(biāo)養(yǎng)砂漿.

圖5 砂漿不同齡期抗壓強(qiáng)度Fig.5 Compressive strength of mortar at different ages

為了驗(yàn)證砂漿孔隙率與抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性, 在每個掃描的砂漿樣品中提取4個部位的代表體積元素（REV）, 計(jì)算其孔隙率, 并與對應(yīng)砂漿28 d抗壓強(qiáng)度進(jìn)行相關(guān)性分析, 如圖6所示.由圖6可見, 隨著孔隙率的增大, 蒸養(yǎng)砂漿的28 d抗壓強(qiáng)度線性降低, 文獻(xiàn)[23］也得到了相同的結(jié)論.

圖6 砂漿28 d抗壓強(qiáng)度與孔隙率的關(guān)系Fig.6 Relationship between 28 d compressive strength and porosity of mortar

2.2 孔徑分布

采用X-CT技術(shù)分析了不同養(yǎng)護(hù)制度下砂漿的孔徑分布特征, 結(jié)果如圖7所示.由圖7可見：與蒸養(yǎng)后自然養(yǎng)護(hù)相比, 蒸養(yǎng)后水養(yǎng)或標(biāo)養(yǎng)均可有效減少蒸養(yǎng)砂漿中的微米級孔隙；與蒸養(yǎng)后標(biāo)養(yǎng)相比, 蒸養(yǎng)后水養(yǎng)對孔隙直徑為100～250 μm的孔隙作用更明顯, 而當(dāng)孔隙直徑大于250 μm時, 蒸養(yǎng)后標(biāo)養(yǎng)的作用更明顯；對比蒸養(yǎng)砂漿與全程標(biāo)養(yǎng)砂漿的孔徑分布可以發(fā)現(xiàn), 蒸養(yǎng)有利于消除500 μm以上的大孔.

圖7 基于X-CT的孔徑分布圖Fig.7 Pore diameter distribution diagram based on X-CT

2.3 孔體積分布特征

為了從三維視角分析不同養(yǎng)護(hù)制度下砂漿的孔隙特征, 對砂漿孔體積分布特征進(jìn)行了分析, 結(jié)果如圖8所示.根據(jù)圖8的孔體積-數(shù)量擬合結(jié)果, 4種砂漿的孔體積-數(shù)量關(guān)系在對數(shù)坐標(biāo)下均符合單指數(shù)分布.當(dāng)孔體積小于0.01 mm3時, 隨著孔體積的減小, 孔數(shù)量呈指數(shù)形式增加.圖8同時還統(tǒng)計(jì)了不同體積孔隙的累計(jì)總體積.由圖8可以看出：雖然統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)孔體積處于10-4～10-2mm3的孔隙數(shù)量隨著孔體積的減小呈指數(shù)增加, 但是該范圍內(nèi)孔隙的累計(jì)孔體積卻基本維持平穩(wěn), 處在0.02～0.20 mm3之間；當(dāng)孔體積大于0.10 mm3時, 單個孔隙的體積占據(jù)了絕對優(yōu)勢（單孔體積遠(yuǎn)大于孔體積小于0.01 mm3的孔隙）, 累計(jì)孔體積在對數(shù)坐標(biāo)下呈指數(shù)增加.

圖8 砂漿孔體積分布Fig.8 Pore volume distribution of mortars

2.4 球形度-孔體積特征

水泥基材料中的孔隙形態(tài)非常復(fù)雜, 并不都是圓形或橢圓形孔隙.為了評價養(yǎng)護(hù)制度對孔隙三維形態(tài)的影響, 采用球形度（S）對孔隙進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.孔隙的球形度是孔隙的表面積與孔體積對應(yīng)的球體表面積之比[24］.根據(jù)球形度的大小可以對孔隙形態(tài)的不規(guī)則程度進(jìn)行描述.球形度S的計(jì)算公式為[25］：

式中：V為孔隙三維體積；A為孔隙三維表面積.

圖9給出了砂漿孔隙球形度與孔體積的關(guān)系.由圖9可以直觀地看出, 絕大多數(shù)孔隙的球形度均大于0.6, 且各個體積范圍內(nèi)均有球形度較大的孔隙, 而球形度較小的孔隙僅僅分布于孔體積較大的孔隙.

圖9 砂漿孔隙球形度與孔體積的關(guān)系Fig.9 Relationship between sphericity and pore volume of mortar

圖10為砂漿孔隙球形度分布圖.由圖10可知, 砂漿孔隙球形度在0.9～1.0區(qū)間分布最多, ST-NA、ST-WA和ST-SD這3種砂漿的孔隙球形度在該區(qū)間的占比均超過了50.0%, 分別為52.6%、55.9%、52.3%, 而全程標(biāo)養(yǎng)砂漿SD在該區(qū)間的占比僅為40.8%.這說明蒸養(yǎng)可以使球形度在0.9～1.0區(qū)間的孔隙占比增加, 但是后續(xù)不同養(yǎng)護(hù)制度對蒸養(yǎng)砂漿孔隙球形度的分布并沒有明顯的影響.此外, 全程標(biāo)養(yǎng)并沒有使砂漿孔隙球形度提高.

圖10 砂漿孔隙球形度分布Fig.10 Sphericity distribution of mortar pore

為了研究3種蒸養(yǎng)砂漿與全程標(biāo)養(yǎng)砂漿孔隙球形度的區(qū)別, 采用箱線圖分析了孔隙球形度與孔體積的關(guān)系, 如圖11所示.圖11中IQR為四分位差, 分布在±1.5IQR以外的值為異常值.由圖11可以看出：砂漿的孔隙球形度與孔體積存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系, 文獻(xiàn)[26-27］對泡沫混凝土的研究也得出了類似的結(jié)論；與全程標(biāo)養(yǎng)砂漿孔隙球形度統(tǒng)計(jì)結(jié)果的不同之處在于, 3種蒸養(yǎng)砂漿孔隙球形度分布中的異常值較多, 且異常值與均值的偏離度較大.這可能是蒸養(yǎng)導(dǎo)致砂漿性能劣化的原因之一.因此, 對于實(shí)際C50蒸養(yǎng)混凝土, 蒸養(yǎng)導(dǎo)致的孔隙球形度變化也可能是影響蒸養(yǎng)混凝土服役性能的原因之一.

圖11 球形度-孔體積關(guān)系箱線圖Fig.11 Box diagram of sphericity-pore volume relationship

3 結(jié)論

（1）相對于全程標(biāo)養(yǎng)砂漿, 80℃下恒溫12 h蒸養(yǎng)會使砂漿孔隙率增大, 對砂漿的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響, 導(dǎo)致蒸養(yǎng)砂漿的28 d抗壓強(qiáng)度低于全程標(biāo)養(yǎng)砂漿.蒸養(yǎng)后水養(yǎng)和標(biāo)養(yǎng)對后續(xù)水化反應(yīng)有促進(jìn)作用, 可以有效降低蒸養(yǎng)砂漿的孔隙率, 有利于抗壓強(qiáng)度的增長.

（2）蒸養(yǎng)有利于消除500 μm以上的大孔, 蒸養(yǎng)后再水養(yǎng)或標(biāo)養(yǎng)可以有效減少蒸養(yǎng)砂漿中的微米級孔隙.因此合理的后續(xù)養(yǎng)護(hù)制度對蒸養(yǎng)砂漿的孔結(jié)構(gòu)改善具有重要意義.

（3）砂漿孔隙的孔體積與球形度存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系.孔隙的孔體積越小, 球形度越好, 而蒸養(yǎng)會使孔體積-球形度分布規(guī)律中的異常值增多, 這可能是蒸養(yǎng)導(dǎo)致砂漿性能劣化的原因之一.