基于显微镜图像分析的振动作用下混凝土孔结构研究

黄维蓉，习 磊，易金明，凌 云

(1. 重庆交通大学 材料科学与工程学院，重庆 400074；2. 重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；3. 重庆交通大学 交通土建工程材料国家地方联合工程实验室，重庆 400074；4. 武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430063；5. 广东省长大公路工程有限公司，广东 广州 510620)

0 引 言

目前，我国服役桥梁大部分处于运营养护期，桥梁在修补与加固过程中不可避免的受到外界环境干扰，研究显示，行车荷载引起的桥梁振动对修补混凝土性能造成了影响[1-5]，然而现有研究大部分都是基于宏观力学试验，探索振动对混凝土力学性能的影响程度，而振动对混凝土内部结构的变化情况以及性能变化机理却少有研究。蒋正武等[5-6]通过离析程度试验分析了振动对混凝土骨料颗粒分布的影响，此外，他利用X射线衍射仪来分析振动后混凝土晶体结构与矿物成分的变化。张悦然等[7]利用超声波检测振动后混凝土不同龄期波速的变化来反映混凝土结构的变化。以上研究从侧面和微观上反映了混凝土性能变化的原因，作为混凝土中重要组成部分，孔结构对混凝土力学性能与耐久性影响显著，但对于振动后混凝土性能变化的研究尚未有相关报道。

传统测试和表征孔结构特征的方法(如渗透法、压汞法等)在测定微观孔方面有良好适应性，但对于混凝土中部分宏观孔却不是很合适，因为采用这些方法测定的最大孔径通常比较小，而且大部分也只能检测贯通孔[8]，但混凝土中存在孔径为1～2 mm的非连通孔，且对混凝土宏观性能具有重要影响。图像分析技术近年来在水泥混凝土材料已有相当多的研究，能较好的反映出混凝土结构的细观结构特性。张雄等[9]通过Image Pro Plus软件对混凝土孔结构与宏观性能之间的关联性进行了研究，取得了良好的效果。彭军芝[8]基于MATLAB图像分析法对蒸压加气混凝土的孔结构进行初步的量化表征，但限于所采用数码相机的分辨率，该方法只适合表征蒸压加气混凝土中的宏观孔。陈贤瑞等[10]通过图像分析技术对泡沫地质聚合物宏观孔结构进行了研究，结果表明利用图像分析方法表征宏观孔结构的参数具有良好的适用性。笔者采用图像分析方法对混凝土振动与未受振动两种情况下混凝土孔结构参数进行对比，同时建立孔结构参数与混凝土强度相关性，并根据试验结果对混凝土受振后性能变化机理进行分析。

1 振动试验方案及力学性能试验

本次选取C50混凝土配合比为：水146 kg/m3，水泥430 kg/m3，砂720 kg/m3，石子1 125 kg/m3，减水剂5.5 kg/m3。由贯入阻力试验测得混凝土初凝时间为3.5 h，终凝时间为6.5 h。根据调查研究显示[11-12]：中小跨径桥梁的自振频率范围为1～10 Hz，动挠度(振幅)为1～11 mm，为研究不同振动作用对混凝土的影响程度，笔者既选取9 Hz与8 mm的较大振动，也选取5 Hz，4 mm的较小振动，结合4 h及1 h两种不同的成型后施加振动时间，设置5种试验方案，在成型7 d后对比各组混凝土抗压强度大小，如表1。

表1 混凝土配合比

表1 各组混凝土7 d抗压强度

以上结果表明，振动施加后混凝土7 d抗压强度有一定变化，对于较大振动组1和2，混凝土强度出现了一定程度下降，而对于较小振动组3和4强度则有略有增加。可以看出，较大振动会对混凝土强度产生不利影响，而较小振动反而能提升混凝土强度。

2 孔结构图像分析试验

2.1 图像分析试验过程及结果

为研究振动对混凝土孔结构的影响程度，本次采用图像分析方法对5个试验组分别取样进行分析计算，同时采用硬化混凝土气泡间距分析仪对静置组进行孔结构参数分析，以对比图像分析结果的准确性，具体试验过程如下：

2.1.1 试样制备

以混凝土7 d凝期立方体抗压试件(100 mm×100 mm)为原始试件，切割成4块50 mm×50 mm尺寸小试块，并进行抛光打磨，尽量保证试样表面平整光滑，表面无划痕。硬化混凝土气泡间距分析仪测试的第1组试件采用100 mm×100 mm尺寸试件，并采取与图像分析相同的处理方法。

2.1.2 孔与界面的对比处理

为使试样测试表面的孔与界面区分开，便于后期图像处理分析，先将准备好的试样浸泡在黑色墨水中，待测试面全部(包括孔里面)被墨水覆盖后晾干表面，再将纳米级的白色碳酸钙粉末撒在表面，并使得粉末全部填充孔结构内部，最后将试样表面多余的碳酸钙粉末轻轻刮去，形成孔与测试面对比鲜明的效果如图1。

图1 处理后的试样界面

2.1.3 孔图像采集

本次采用实体显微镜对混凝土表面进行测试，测试倍数为40倍，采用800万像素的数码相机放在目镜处进行拍照取样，硬化混凝土气泡间距分析仪中设定好参数后，可由系统软件自动采集数据并自动计算得到孔径分布、孔面积等结果。

2.1.4 图像分析处理

本次采取Image Pro Plus(后文简称IPP)软件进行图像分析，分析过程如图2。

以第1组试样为例，由于放大40倍，拍照后的原始照片较大，为此选取采集的照片中一块较小区域Ⅰ为例，如图2(a)，其像素尺寸大小为750×480像素，利用IPP软件进行二值化处理得到灰度图像如图2(b)，在界面处理过程中，由于撒布碳酸钙粉或因拍照时可能导致有些孔与孔之间相连接，为此进行连接孔的分割处理，利用IPP中Split Objects功能自动进行连接孔分离，如图2(c)，最后，通过选定要测量的统计参数，包括孔个数、面积、直径以及孔面积百分比等进行最后的数据采集，如图2(d)，接着利用导出数据功能将统计参数的所有数据导入到EXCEL中进行处理。

图2 体视显微镜

图3 硬化混凝土气泡间距分析仪

图2 图像采集仪器

图2 图样Ⅰ的IPP图像处理过程

2.1.5 标尺的换算

在IPP软件中可以进行尺寸的标定，本次采取的显微镜由于目镜上没有标尺，故采取像素值换算法进行标尺的换算，在测量时以相同的拍照方法将刻度尺放置于显微镜下进行拍照取样，如图3，利用IPP软件中标尺工具进行测量得出1 mm的像素值约为152 Pixels，这样换算出1个Pixels值对应1/152 mm，然后对拍照取样的图像进行尺寸测量，见图4。

图3 标尺标定

图4 图样尺寸测量

2.2 试验结果分析

通过以上处理后，将统计的数据换算后可以看出试样Ⅰ的孔结构参数测量结果，见表2，此外通过详细数据的处理可以得到图5的孔面积大小的分布情况。

表2 试样Ⅰ163个孔的孔结构数据统计

以试样Ⅰ为例介绍了图像分析的整个过程，为了研究整个 试件断面孔结构的特性，本次采取抽样的方法，在切取的其余4个50 mm×50 mm试块中，分别如 试样Ⅰ一样均匀取10个750×480像素区域，以抽取样本的数据信息反映整体孔结构的参数分布情况。采用上述步骤依次对5个试验组进行测试，各参数统计结果如图6和表3。分别用不同仪器测定第1组孔结构参数并进行对比，如图7。

图6 图像分析孔径分布统计

图7 硬化混凝土气泡间距分析仪与图像分析方法对比结果(第1组)

由图8可见，针对第一组试样，硬化混凝土气泡间距分析仪测出的结果与图像分析测试出的孔结构各参数上相差很小，孔径分布也没有明显的差别，可能是由于拍照取样的误差，图像处理中有小部分孔未识别出来，导致图像分析测试的孔数比硬化混凝土气泡间距分析仅测出的孔数略小，但总体来说，采用图像分析进行孔结构参数提取效果较好。

另外，采用图像分析方法测定的不同试验组的孔结构参数结果存在明显差异，第1组(静置组)相对于第2～5组，孔的最大面积、直径以及面积比例和孔个数都较多，说明振动作用在一定程度减少了混凝土中孔的个数，也使得部分大孔消除，孔结构特征有所改变。此外，如图7，通过对每组孔直径的分布进行统计，从中可以发现，混凝土中小于600 μm的小孔是混凝土孔结构的主要形式，以10～100 μm的小孔为主。此外各试验组孔径分布也略有差异，第1组和第3组相对于其余几组，在1 200 μm以上的大孔最多，分别达到2.1%和2.3%，这也是第1和第3组孔面积较大的原因。而第2、4和5组孔的最大面积、最大孔径、孔数和抗面积比例均相对较小，说明振动对混凝土孔结构的良性改善作用。

混凝土孔结构对力学性能影响至关重要，分别建立五种情况下混凝土7 d抗压强度与孔结构面积比例、孔数的相关关系，通过线性拟合得到混凝土强度与孔结构参数之间的关联性，如图9。由图9可知，混凝土孔结构面积比例与强度之间具有较好的线性相关性，相关系数R2达到0.914 7，说明通过孔结构参数可以大致反映混凝土强度大小。同样，5个试验组下孔数与混凝土强度大小相关系数R2达到0.897 1，孔数同样可以体现混凝土强度特征。

图8 强度与孔面积比例、孔数之间的关联性

3 振动对混凝土性能影响机理分析

不同试验组的孔结构存在差异与试验组振动条件密切相关。实验结果表明，不同的振幅，频率对混凝土性能影响不一样。同样，不同凝结时间段，混凝土受扰动后性能变化也有明显差异。

根据混凝土内分层理论[13]，混凝土浇筑成型后如图9。

图9 混凝土内分层现象

在粗集料的下方区域1位置形成充水区域，此区域水含量最大，且蒸发后形成空隙，裂纹由此产生。区域2位置，砂与水泥浆含量比较均匀，结构较为正常。区域3则是混凝土中最密实的部位，砂浆比例较多。由于混凝土的内分层会使得混凝土内部泌水现象更为严重，在混凝土初凝前，混凝土会由于水泥水化，水分蒸发而出现裂纹和体积收缩，此时(1 h)再次施加振动会使得结构内部物质运动，部分成团结块的水泥水化更加充分，颗粒分布更加均匀，同时也会消除骨料下部水蒸发后留下的裂缝和一部分空隙、气泡，亦可细化部分大孔，使结构更加密实稳固，导致混凝土早期抗压强度得到提高。但过于强烈的振动作用会使混凝土结构不均匀，骨料界面出现一定缺陷，也可能导致空气进入混凝土中，产生更多有害气孔，从而使后期强度有一定下降。因此第4组较第2组孔数少，最大孔径小，从而强度也相对较高。

4 h后施加振动，此时混凝土进入初凝，从流变学上看，混凝土的流变特性可近似的用宾汉姆模型来描述：

τ=τ0+η(dv/dt)

(1)

式中：τ为剪切应力；τ0为屈服强度；η为塑性黏度；dv/dt为剪切率。

混凝土内部颗粒之间的相互作用形成三维网状的絮凝结构，当给混凝土施加载荷时，网状的絮凝结构会阻止混凝土发生流动。但此刻(4 h)水化形成的凝胶结构尚不稳定，特别是界面过渡区结构稳定性较差，局部孔隙率较大。若此时施加振动过大，振动作用产生的剪切应力达到混凝土屈服强度，则混凝土内部浆体产生流动，拌和物颗粒发生摩擦、碰撞，会破坏已形成的絮凝结构，使得混凝土结构出现新的缺陷，产生一定有害孔与裂隙，导致抗压强度降低，且振动频率和振幅越大，这种破坏越明显[14]。从而第3组与静置组相比，孔隙均有所增大，早期强度有一定幅度降低，但第5组由于振动尚未造成结构破坏，强度与孔隙率变化不大。

4 结 论

1)不同工况振动方式导致混凝土孔结构有所差异。在初凝前低频、低振幅振动作用对混凝土孔结构有改善作用，但初凝前施加较大频率、较大振幅(9 Hz、8 mm)振动作用对混凝土结构有不利影响，孔数与孔面积比将有所增加。初凝至终凝期间施加振动会导致混凝土出现一定裂纹与微小孔隙，导致强度降低。

2)混凝土孔面积比例与孔数与混凝土强度具有良好的线性相关性，相关系数R2分别达到0.914 7和0.897 1，通过混凝土孔结构面积比例或孔数能反映出混凝土强度特性。

3)根据混凝土内分层理论，初凝前期施加适当的振动，外界振动可能进一步促进水泥水化从而导致混凝土更加密实，导致混凝土强度有所提高。初凝至终凝期间施加振动会破坏已经形成的水泥不化物结构，导致混凝土强度有所下降。

4)通过图像分析技术，利用IPP分析和计算功能对处理后的混凝土界面进行孔结构分析具有较好效果，但试样的制备以及拍照取样对后续孔结构参数测量统计至关重要。