饱水法测定混凝土孔隙率的试块尺寸优化研究

张 强，刘红彪

(交通运输部天津水运工程科学研究所 港口水工建筑技术国家工程实验室 水工构造物检测、诊断与加固技术交通行业重点实验室，天津300456)

混凝土是一种多相的多孔材料，由于受施工工艺、养护条件、内外环境温湿度变化等影响，混凝土在未承受外荷载前就存在一定量的孔隙，其物理力学性能与材料内部的孔结构有着密切的关系。孔结构可直接影响混凝土材料的强度、渗透性、抗冻性、耐腐蚀性、湿胀干缩、徐变及导热性能等。同时，环境湿度、冻融循环及高温作用等外部环境对混凝土的作用，也会影响其内部结构。因此，准确了解混凝土内部的孔隙率对研究分析混凝土内部孔隙与其宏观力学性能及耐久性能之间的关系至关重要[1-2]。

测定混凝土内部孔隙率的方法主要有扫描电镜(scanning electronmicroscopy，SEM)法[3]、图像分析法[4]、甲醇法、压汞法、氦流法及饱水法等[5-6]。周敏采用扫描电镜对不同外加剂使用状态下的混凝土孔隙率进行了测试分析，得到了外加剂对混凝土孔隙率的影响规律[3]。朱洪波采用图像分析法对15种不同含气量的混凝土孔隙率进行了测试分析，建立了混凝土孔隙率与抗压强度之间的关系[4]。Rakesh Kumar用压汞法测定混凝土中孔隙率一般不低于10%[7]。由于压汞法试验中试样体积较小，难以真实反映混凝土中孔隙大小，而且所施加的压力不易控制，一定程度上会使实测的孔隙率偏大。刘保东通过浸泡混凝土的方式，测定混凝土自由吸收水条件下含水率最大不超过5%，同时含水率也侧面反映了混凝土内连通孔隙率的大小[8]。Yaman、孙振江通过在混凝土中添加引气剂以产生不同含气量的气泡来预制孔隙，通过测定气泡量以间接测定混凝土孔隙率，但效果不好[9-10]。叶铭勋采用甲醇法、氦流法、饱水法进行了混凝土孔隙率的测试，这些方法可反映不同水灰比混凝土的孔隙率[5]。尽管混凝土孔隙率的测定方法很多，但这些方法都存在一定的局限性；并且除了扫描电镜法、图像分析法外，多数试验方法试验过程中试样都要经过一定的干燥处理，将试样孔隙中的水分分离，以便测试介质(如甲醇、汞或氦气等)的进入量，根据介质的进入量，得出试样的孔隙率。同时，多数试验方法需要昂贵的测试设备才可进行相关试验，如扫描电镜法需要扫描电镜、压汞法需要压汞仪，这些设备一般价格较高，普通单位难以配备相应设备，无法采用相关方法进行混凝土的孔隙率测试。相对于其他测试方法，基于饱水试验原理测定混凝土孔隙率的试验条件更易达到。

但目前采用饱水法测定混凝土孔隙率没有通用的测试步骤，且对于试块的尺寸没有明确的规定。叶铭勋进行相关试验时，将试样养护到给定龄期，用切割机切成2.0 cm×2.0 cm×0.5 cm块状试样，采用饱水法进行混凝土孔隙率的测试[5]。但试块过小，实验室中很难进行试块的切割，即使完成切割，切割后试块的形状尺寸也会造成较大的试验误差。因此，为了建立基于饱水原理的混凝土孔隙率标准化测定方法及确定试验试块的最优化尺寸，开展相关研究是很有必要的。

本文采用理论分析与试验相结合的方式，针对基于饱水原理的混凝土孔隙率标准化测定方法及试验试块的最优化尺寸进行了相关研究，分析推导了饱水法测定混凝土孔隙率的计算公式，建立了基于饱水原理的混凝土孔隙率标准化测定方法及试验步骤，确定了试验试块最优化尺寸。

1 饱水法测试理论及试验步骤

1.1 基本理论

根据特征尺寸的不同，材料结构可分为3个层次，即宏观结构、细观结构和微观结构。宏观结构是指用肉眼或放大镜能分辨的结构；细观结构是指可用光学显微镜能观察的结构；微观结构是指原子、分子层次的结构。针对混凝土孔隙率的研究属于细观层次[11]。混凝土材料在细观层次上可看作由混凝土基质、粗细骨料、过渡区界面、孔隙等组成的多相复合材料[12-13]。混凝土材料的孔隙分为开口孔隙和闭口孔隙两种。二者孔隙率之和等于材料的总孔隙率。但影响混凝土材料性能的多是开口孔隙，如混凝土的吸水性、抗渗性、抗冻性等等。因此，本研究提出的基于饱水法测定混凝土孔隙率指的是测定混凝土开口孔隙的孔隙率，即假定测试时闭口孔隙不参与作用。饱水法测定混凝土孔隙率的计算理论如下。

设混凝土试样的饱水孔隙率为ε1，则

(1)

式中：W1为试块饱和状态时悬吊在水中的质量；W2为饱和面干时的质量；W3为试块烘干后的质量；Vv为试块孔隙的总体积；V为试块的总体积；ρω为水的密度。

各温湿度条件下混凝土孔隙饱和度k

(2)

式中：Wn为试块不同饱和度状态下的面干质量；其他参数意义见式(1)所示。

1.2 饱水法测定混凝土孔隙率的试验步骤

图1 饱水法测定混凝土孔隙率的试验流程Fig.1 Test steps of concrete pore porosity measuring with water displacement method

由上述理论分析可知，饱水法测定混凝土孔隙率的基本原理是通过相应方法将水充满混凝土孔隙，通过测定混凝土饱水前后的质量变化来计算混凝土的孔隙率。因此，根据饱水法测定混凝土孔隙率的测试原理，测定混凝土饱水孔隙率时需获取试块饱和状态时悬吊在水中的质量W1、饱和面干时的质量W2和试块烘干后的质量W3。为了得到上述参数，借鉴混凝土抗氯离子渗透试验方法，采用饱水试验机、天平等相关设备，按照如下试验步骤进行混凝土孔隙率的测定：

1)将试样养护到给定龄期，用切割机切成相应尺寸的块状试样；2)将每组4块的试样放入饱水试验机中进行饱水，饱水试验机的用法见下文介绍。饱水后，采用静水天平测量试样悬吊在水中的质量(饱和)W1，采用电子天平测量饱和面干时的质量W2；3)将试样移入100 ℃的烘箱中烘24 h，得到试块的烘干质量W3，然后按照计算公式(1)计算试块的孔隙率即可。4)对于计算不同饱和程度试块的饱和度时，试块饱水前应测量试块湿态时的面干质量Wn，然后采用公式(2)按计算不同饱和状态下的试块饱和度。具体试验流程见图1所示。

在进行混凝土试块孔隙率及饱和度测试时，饱水试验机的使用应按照下述步骤和控制指标进行：

1)将切割好的混凝土试件垂直码放于真空室内，试件间要留有空隙，如果试件分两层，则上层与下层之间应通气；2)试验水位应高过所装混凝土试块的高度，真空室盖要盖好，固定螺栓拧紧，确保其密封性；3)打开饱水试验机机箱，将连接真空室底部进水电磁阀门的胶管一端放入盛有蒸馏水的容器内中；4)开启饱水试验机，将试件无水真空状态保持3 h，真空压强不大于133 Pa；然后，上水电磁阀自动开启自动上水到液位计设定位置后，上水电磁阀自动关闭，1 h后，进气阀自动打开进气，进气2～3 min至真空室内为常压状态后自动关闭；然后按要求使试件在常压下再浸水18 h[14]，此时认为试块处于饱和状态，即可取出进行下一阶段的试验之用。

2 饱水法测定混凝土孔隙率的试块尺寸优化选择

根据上文内容介绍，饱水法测定混凝土孔隙率时，首先应将养护完成的混凝土切成相应尺寸的试块，再开展下一步的试验。因此，合理的试验试块尺寸非常重要。但目前采用饱水法测定混凝土孔隙率的试验方法，针对混凝土试块的尺寸没有统一定论。叶铭勋将混凝土切成20 mm×20 mm×5 mm的尺寸，采用饱水法进行了混凝土孔隙率及饱和度的测试[5]。但项目组在后期的试验研究中发现，20 mm×20 mm×5 mm尺寸的混凝土试块在实验室中很难通过切割实现，切割总发生试块断角、局部破损等情况，严重影响试验的精度。因此，为了进一步确定饱水法测定混凝土孔隙率时的试块最优尺寸，确保混凝土切块的可行性、易操作性及试验精度，本项目采用2种不同强度等级的混凝土，4种不同尺寸的、实验室中易操作的混凝土试块尺寸，进行混凝土孔隙率的测试，通过试验结果的对比，确定饱水法测定混凝土孔隙率的最优试块尺寸，并推荐相应的试验步骤和控制指标。

2.1 试验设计

为了检验上述建立的饱水法测定混凝土孔隙率的可行性并确定试验试块的最优化尺寸，本文设计了两种强度等级的混凝土C30和C40进行孔隙率测试试验，混凝土配合比见表1所示。

表1 混凝土配合比设计(质量比)Tab.1 The mix proportion design of concrete (mass ratio)

混凝土宏观力学性能试验是较为常规的试验，相应试验模具也较为容易得到，由此，本试验制作了一批150 mm×150 mm×150 mm的立方体试块和300 mm×150 mm×150 mm的棱柱体两种试块，供基于饱水法的混凝土孔隙率测定试验时切割试块用。

为了确定饱水法测定混凝土孔隙率时的试块最优尺寸，基于混凝土切块的可行性、易操作性及试验精度，本项目设计4种不同尺寸的混凝土试块进行相应试验，尺寸分别为30 mm×30 mm×30 mm、50 mm×50 mm×50 mm、80 mm×80 mm×80 mm、100 mm×100 mm×100 mm。通过不同尺寸试块下的孔隙率数据对比，确定试块的最优尺寸。其中，试验时每种尺寸的混凝土试块4块一组进行试验，取4块试块孔隙率测试值的平均值作为每种尺寸试块的测试值。由此，采用C30、C40两种混凝土，4种试块尺寸，2种被切割试块尺寸，共计64块试块用于混凝土孔隙率测试试验。

2.2 试验数据分析

根据上述设计的混凝土试块尺寸，采用饱水法，按照建立的试验方法及步骤，开展了不同强度等级、不同试块尺寸的混凝土孔隙率对比测试试验，试验过程见图1所示。由于试验数据量较大，试验过程数据仅提供一种试块尺寸的数据，见表2～表5所示，C30和C40两种等级混凝土的孔隙率测定值分别汇总于表6和表7所示。其中，30 mm×30 mm×30 mm的试块尺寸在实验切割中很难操作，作者认为试验数据精度不够，数据参考价值有所降低。

根据混凝土孔隙率的试验结果，经统计分析，获取了不同试块尺寸下混凝土孔隙率测试值的变化规律，其中试块尺寸与孔隙率测定值的趋势变化分别见图2和图3所示。由试验结果及孔隙率测定值的趋势变化曲线图(图2和图3)可知，不论何种等级的混凝土，其孔隙率测定值随试块尺寸的增大而减小，但当试块尺寸大到一定尺寸后，混凝土的孔隙率测定值趋于稳定。根据试验结果对比可知，由边长80 mm的立方体试块测定的混凝土孔隙率与边长100 mm的立方体试块测定的混凝土孔隙率基本一致，根据图2和图3的变化曲线可判断，基于饱水法使用不同尺寸试块测定混凝土孔隙率时，基于边长100 mm的混凝土立方体试块测试时，孔隙率测定值趋于稳定。并且，根据实际试验的操作难度及试验结果对比可知，30 mm×30 mm×30 mm尺寸的混凝土试块在实验中很难制备，切割操作困难，很难保证试验的精度。而其他尺寸的试块制备难度及试验操作难度随试块尺寸的增加而降低，且试验精度随试块尺寸的增加逐步提高。

同时，考虑到实际结构的尺寸一般较大，且针对混凝土结构检测试验时，多采用边长100 mm尺寸的立方体试块进行相关试验，因此，考虑到试验的方便性并与常规的试验规定相统一，本文建议：当采用饱水法进行混凝土孔隙率测试试验时，宜采用100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块进行相关试验。该尺寸的试验结果与混凝土的实际状态更为接近，且与相关的混凝土试验规程相统一，方便试验操作。

表2 C30混凝土孔隙率测定值(150 mm×150 mm×150 mm)Tab.2 The pore porosity testing results of C30 concrete(150 mm×150 mm×150 mm)

表3 C30混凝土孔隙率测定值(300 mm×150 mm×150 mm)Tab.3 The pore porosity testing results of C30 concrete(300 mm×150 mm×150 mm)

表4 C40混凝土孔隙率测定值(150 mm×150 mm×150 mm)Tab.4 The pore porosity testing results of C40 concrete(150 mm×150 mm×150 mm)

表5 C40混凝土孔隙率测定值(300 mm×150 mm×150 mm)Tab.5 The pore porosity testing results of C40 concrete(300 mm×150 mm×150 mm)

表6 C30混凝土孔隙率测定值汇总Tab.6 The all pore porosity testing results of C30 concrete

表7 C40混凝土孔隙率测定值汇总Tab.7 The all pore porosity testing results of C40 concrete

图2 C30混凝土孔隙率测试对比Fig.2ResultscomparisonofC30concreteporeporosity图3 C40混凝土孔隙率测试对比Fig.3ResultscomparisonofC40concreteporeporosity

3 结论

混凝土的孔隙率对其宏观力学性能及耐久性有较大影响，准确测定混凝土孔隙率对分析混凝土的宏观力学性能至关重要。本文通过调研分析、理论推导、对比试验等手段，对混凝土孔隙率的测定方法及孔隙率测定时的混凝土试块尺寸选择方法进行了系统研究，研究结论如下：

(1)目前，混凝土孔隙率的测定方法很多，但多数方法都存在一定的局限性；并且除了部分方法外，多数试验方法均是通过介质填充置换的方式进行混凝土孔隙率的测试。且不同的测试方法需要的测试设备不同，操作的难度和危险性不同。相对于其他方法，饱水法测定混凝土孔隙率在设备价格、操作难度方面均具有明显的优势。因此，本文基于调研分析及理论推导，提出了基于混凝土饱水试验的混凝土孔隙率测定方法，推导了饱水法测定混凝土孔隙率的计算公式，并建立了相应的试验步骤。

(2)饱水法测定混凝土孔隙率时，采用的试块尺寸没有统一的定论。不同尺寸试块的制备难度，测试精度也不同。因此，本文基于饱水法、通过采用不同混凝土试块尺寸测定混凝土孔隙率的对比试验，获取了不同试块尺寸对混凝土孔隙率测定结果的影响，基于试验的可操作性、方便性及与常规试验规定的统一性，建议了基于饱水法测定混凝土孔隙率的最优化试块尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块。本研究对推动混凝土孔隙率测定方法的进步与标准化具有积极作用。

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