輔助振搗后自密實(shí)重晶石混凝土表面氣孔特征

姚建華，顏 維,王進(jìn)峰

(蘇交科集團(tuán)檢測(cè)認(rèn)證有限公司，江蘇 蘇州 215000)

自密實(shí)重晶石混凝土因其良好的防輻射性能在核電站項(xiàng)目中有著廣泛的應(yīng)用前景。但施工時(shí)因自密實(shí)重晶石混凝土骨料較重、膠凝材料用量高、砂率高[1]等特點(diǎn)，易產(chǎn)生氣孔附著在混凝土的表面，不僅影響了混凝土結(jié)構(gòu)的美觀，同時(shí)還對(duì)混凝土的耐久性產(chǎn)生了重要的影響。

田培云、張武宗等[2-3]研究表明為了獲得表面質(zhì)量較好的自密實(shí)混凝土，可以適當(dāng)犧牲一些混凝土的流動(dòng)性，采用輔助振搗的技術(shù)幫助混凝土排出氣泡。胡俊等[4]研究表明，在振搗過程中，通常通過調(diào)整振搗的時(shí)間、頻率等因素來觀察不同輔助振搗情況下混凝土表面氣孔的變化情況。孟書靈[5]研究表明在振搗10 s時(shí)自密實(shí)清水混凝土的表面性能達(dá)到最好。輔助振搗對(duì)自密實(shí)混凝土表面氣孔的影響研究正在逐步展開，但關(guān)于輔助振搗對(duì)自密實(shí)重晶石混凝土表面氣孔影響的研究尚未展開。因此探究輔助振搗對(duì)自密實(shí)重晶石混凝土表面氣孔的影響顯得十分重要。

為了研究不同振搗狀態(tài)下混凝土表面氣孔的變化情況，本文采用25振搗棒以不振搗、電壓70 V時(shí)間8 s的振搗以及電壓100 V時(shí)間10 s的振搗進(jìn)行試驗(yàn)，采用數(shù)碼相機(jī)對(duì)不同方式成型的混凝土試塊表面進(jìn)行拍照，獲得混凝土表面圖像，并結(jié)合圖像分析軟件Image-pro Plus對(duì)混凝土表面氣孔進(jìn)行分析處理，以獲得混凝土在不同振搗方式下其表面氣孔的表面積、數(shù)量、孔徑等變化特點(diǎn)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

水泥為P.O42.5硅酸鹽水泥；粗骨料為衡陽產(chǎn)的重晶石，5 mm～20 mm連續(xù)級(jí)配，表觀密度為4 089 kg/m3；細(xì)骨料為衡陽產(chǎn)的重晶石砂，細(xì)度模數(shù)為2.8，表觀密度為4 148 kg/m3；外加劑為衡陽某建材廠生產(chǎn)的高效聚羧酸減水劑；粉煤灰為湖南耒陽電廠的Ⅱ級(jí)粉煤灰。

1.2 混凝土配合比

試驗(yàn)設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度為C30，基于文獻(xiàn)[6]研究，并結(jié)合試驗(yàn)原材料的情況試配調(diào)整自密實(shí)重晶石混凝土配合比參數(shù)：水膠比(質(zhì)量比)為0.37，砂率46%，粉煤灰用量25%，詳細(xì)配合比見表1。

表1 自密實(shí)重晶石混凝土試驗(yàn)配合比

1.3 試驗(yàn)方法

按GB/T 50080—2016普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行混凝土的坍落度、擴(kuò)展度、T500及V形漏斗實(shí)驗(yàn)，得到自密實(shí)重晶石混凝土流動(dòng)性參數(shù)，詳見表2，滿足《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中自密實(shí)混凝土坍落擴(kuò)展度550 mm～650 mm，T500時(shí)間2 s～5 s以及V形漏斗時(shí)間5 s～25 s的規(guī)定。

表2 自密實(shí)重晶石混凝土工作性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

為了觀察不同面積混凝土表面狀況，一組試樣采用尺寸為100 mm×250 mm×300 mm塑料模具，另外兩組試樣采用150 mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)模具。輔助振搗振搗棒為手提式25振搗棒，正常振動(dòng)(簡(jiǎn)稱ZD)設(shè)置電壓為70 V、振搗時(shí)間為8 s，過振(簡(jiǎn)稱GZ)設(shè)置電壓為100 V、振搗時(shí)間為10 s，不輔助振搗(簡(jiǎn)稱BZ)的試樣作為對(duì)照。試塊養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，并標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d，然后采用數(shù)碼相機(jī)對(duì)混凝土的表面進(jìn)行拍照，其中BZ1組、ZD1組和GZ1組試塊尺寸為100 mm×250 mm×300 mm，BZ2(3)組、ZD2(3)組和GZ2(3)組試塊尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，100 mm×250 mm×300 mm試樣拍250 mm×300 mm底 面圖像見圖1～圖3，150 mm×150 mm×150 mm試樣拍150 mm×150 mm側(cè)面圖像見圖4～圖6?？紤]振搗棒作用半徑的影響，100 mm×250 mm×300 mm試樣取中心150 mm×150 mm表面進(jìn)行圖像處理，其余6組均為150 mm×150 mm×150 mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊測(cè)試結(jié)果。

2 Image-pro Plus 圖像分析法

采用Image-pro Plus 6.0軟件對(duì)數(shù)碼相機(jī)拍攝的圖片進(jìn)行分析處理，具體處理流程為：圖像的獲取→圖像的增強(qiáng)→圖像的二值化→圖像的分割→計(jì)算參數(shù)的選定與測(cè)量→進(jìn)行數(shù)據(jù)分析[7-8]。

2.1 圖像的獲取

采用數(shù)碼相機(jī)對(duì)不振時(shí)的自密實(shí)重晶石混凝土試塊表面進(jìn)行拍照，獲取原始圖像(見圖7～圖9)。為了使測(cè)量更加精確，對(duì)圖片進(jìn)行格式的轉(zhuǎn)化，得到混凝土試塊表面的RGB圖像，如圖10～圖12所示。

2.2 圖像的增強(qiáng)

雖然在圖像獲取階段自密實(shí)重晶石混凝土試塊表面氣孔的對(duì)比度已經(jīng)有所提升[9]，但為了進(jìn)一步提高測(cè)量的精度[10]，需通過進(jìn)一步調(diào)整圖像的對(duì)比度和亮度對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，增強(qiáng)后的不振的混凝土試塊表面氣孔圖像如圖13～圖15所示。

2.3 圖像的二值化

即使在圖像增強(qiáng)階段自密實(shí)重晶石混凝土試塊表面氣孔的對(duì)比度已經(jīng)有很大程度提升[11]，但由于混凝土試塊表面氣孔和非氣孔處顏色差異不大，故其表面的微小氣孔仍然較模糊[12]。然而，通過二值化可以使混凝土的表面形成非黑即白的極端顏色(見圖16～圖18)，并且通過二值化可以提高軟件的計(jì)算精度，使得測(cè)量更加精確。

2.4 圖像尺寸的標(biāo)定

在進(jìn)行測(cè)量前，需要對(duì)圖像進(jìn)行定標(biāo)尺的操作。若不進(jìn)行定標(biāo)尺，測(cè)量的數(shù)據(jù)則會(huì)以像素為單位，然而，定標(biāo)尺操作后能得出所測(cè)量圖像的實(shí)際長(zhǎng)度值。選定混凝土試塊上一條長(zhǎng)度為20 mm的標(biāo)尺線，打開尺度校正窗口，新建長(zhǎng)度為20 mm的標(biāo)尺，這樣測(cè)出的即為實(shí)際氣孔數(shù)值。

2.5 選取測(cè)量參數(shù)并測(cè)量

利用Irregular AOI自動(dòng)拾取測(cè)量混凝土的邊界[13]，同時(shí)去除邊界氣孔，避免其他因素引起誤差。首先選擇混凝土試塊的表面積、數(shù)量、直徑等氣孔參數(shù)，并完成參數(shù)的設(shè)定，然后選擇測(cè)量區(qū)域，完成后即導(dǎo)出數(shù)據(jù)。具體操作如圖19～圖24所示。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

選取BZ1,ZD1,GZ1組300 mm×250 mm底面中心的150 mm×150 mm及BZ2,BZ3,ZD2,ZD3,GZ2,GZ3組150 mm×150 mm側(cè)面進(jìn)行拍照，并進(jìn)行Image-pro Plus測(cè)試，在不同振搗方式下的測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 不同振搗方式下氣孔測(cè)量數(shù)據(jù)

3.1 氣孔面積分析

在不同輔助振搗方式下，自密實(shí)重晶石混凝土表面氣孔的面積隨振搗方式的變化如圖25,圖26所示。

由圖25，圖26可知，經(jīng)輔助振搗技術(shù)處理后，大試塊混凝土表面大于0.1 mm2的氣孔面積從263.9 mm2下降至51.4 mm2,降低率為80.5%，而大于1 mm2大孔面積從95.16 mm2下降至8.28 mm2，降低率為83.56%。結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)膶?duì)自密實(shí)重晶石混凝土進(jìn)行輔助振搗有利于提升混凝土的表觀質(zhì)量，但當(dāng)過振時(shí)混凝土的表觀質(zhì)量又會(huì)降低?；炷猎噳K表面狀況得到明顯改善，但當(dāng)過振時(shí)混凝土表面氣孔面積卻會(huì)不斷增大，這是因?yàn)槌尚瓦^程中混凝土截留了部分空氣, 自密實(shí)重晶石混凝土內(nèi)部未完全自密實(shí)或混凝土狀態(tài)不好離析時(shí)無法將這部分空氣排出, 由于振搗及混凝土流變特性, 空氣集中聚集在混凝土的表面，最終在混凝土表面形成氣孔。

3.2 氣孔數(shù)量分析

不同輔助振搗方式下自密實(shí)重晶石混凝土表面氣孔的數(shù)量變化如圖27,圖28所示。

由圖27，圖28可知，通過輔助振搗技術(shù)處理后，大試塊混凝土表面氣孔面積大于0.1 mm2的氣孔數(shù)量從723下降到167,降低率為76.9%，而大于1 mm2的大孔數(shù)量從88下降至6，降低率為93.2%。結(jié)果表明，隨著輔助振搗時(shí)間及頻率的加大，混凝土表面氣孔的數(shù)量先降低后增加。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是：雖然輔助振搗可以有效的排出混凝土中的氣孔，使得混凝土表面氣孔的數(shù)量急劇下降；但是過振會(huì)導(dǎo)致自密實(shí)混凝土的離析，進(jìn)而形成麻面等表面質(zhì)量缺陷，因此導(dǎo)致混凝土表面氣孔的數(shù)量增大。

3.3 氣孔直徑分析

不同振搗方式下自密實(shí)重晶石混凝土表面氣孔的孔徑變化如圖29,圖30所示。

由圖29，圖30可知，通過輔助振搗技術(shù)處理后，大試塊混凝土表面氣孔的平均孔徑從0.48 mm降低至0.41 mm，下降了14.6%，且從最大孔徑變化可以看出，最大孔徑從4.59 mm降低至1.82 mm，降低了60.3%。這說明輔助振搗技術(shù)有效的排出了混凝土中的空氣，使得混凝土中的氣孔直徑整體趨于變小。但根據(jù)圖中我們可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)過振的時(shí)候，雖然混凝土的平均孔徑降低了，但是最大孔徑卻明顯增加。這是因?yàn)椋?dāng)過振的時(shí)候，混凝土?xí)a(chǎn)生較大的離析，致使混凝土的表面形成了大量的蜂窩麻面，當(dāng)這些蜂窩麻面相互貫通時(shí)，混凝土表面就會(huì)形成較大的氣孔。

3.4 不同大小試塊表面氣孔狀況對(duì)比

不同振搗方式下混凝土表面氣孔占比情況如圖31所示。

由圖31可知，三種不同振搗方式下混凝土表面氣孔占比尺寸均為100 mm×250 mm×300 mm的試塊表面效果好于尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的混凝土試塊。原因是150 mm×150 mm×150 mm的混凝土試塊尺寸較小，模具的邊緣會(huì)因振搗棒的作用而產(chǎn)生能量反射，加劇混凝土的離析，從而導(dǎo)致混凝土的表面效果較尺寸較大的試件有所降低。

4 結(jié)論

1)研究表明，Image-pro Plus軟件可以有效的對(duì)自密實(shí)重晶石混凝土表面氣孔狀況進(jìn)行量化分析。

2)Image-pro Plus量化分析結(jié)果表明輔助振搗可以有效降低自密實(shí)重晶石混凝土表面氣孔的面積以及數(shù)量，改善混凝土的表面狀況。

3)隨著輔助振搗時(shí)間和電壓的增大，自密實(shí)重晶石混凝土表面氣孔的面積、數(shù)量、最大孔徑呈先減小后增大趨勢(shì)，且氣孔的平均直徑一直降低。采用25振搗棒進(jìn)行輔助振搗時(shí)，當(dāng)電壓為70 V，輔助振搗時(shí)間為8 s時(shí)混凝土表面氣孔狀況最優(yōu)，氣孔面積占比僅為0.228%。

4)100 mm×250 mm×300 mm模具混凝土表面氣孔的提升效果比150 mm×150 mm×150 mm模具提升效果更好，表明輔助振搗對(duì)自密實(shí)重晶石混凝土表面氣孔的提升效果在大面積混凝土施工時(shí)效果更佳。