基于X-CT技术的气泡轻质土孔隙结构研究

2020-11-12饶烽瑞叶观宝杨亦挺

建筑材料学报 2020年5期

张振, 饶烽瑞, 叶观宝, 杨亦挺

(1.同济大学土木工程学院, 上海 200092; 2.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室, 上海 200092; 3.同济大学数学科学学院, 上海 200092)

气泡轻质土是将气泡、固化材料(通常为水泥)和水充分搅拌后制成的新型建筑材料,有时也会掺入其他骨料(如黏土和砂)[1].通过调整各组分的配合比,可以调节气泡轻质土的密度和强度.气泡轻质土具有良好的施工性能和经济性,同时其独特的孔隙结构,使其具有优良的热学和声学性能[2].因此,气泡轻质土在路基填筑、桥台填土、边坡治理、挡土墙背填土和管线回填等工程中具有广阔的应用前景[3-5].

在工程应用中,气泡轻质土的宏观密度和抗压强度是其重要的设计指标[6-8].研究表明：气泡轻质土的抗压强度受多种因素影响,如发泡方式、荷载形式、含水量、掺料性质和养护方式等,但主要受其宏观密度的影响[9-11].然而,气泡轻质土的宏观密度又与其孔隙结构具有相关性.一些学者采用偏光显微镜、光学显微镜图像处理、汞孔隙度测量、扫描电子显微镜(SEM)和数字成像技术分析气泡轻质土的孔隙结构.结果表明,气泡轻质土的孔隙等效直径一般在100～200μm范围内[12-14].进一步研究表明,气泡轻质土的孔隙结构会影响其宏观力学性能.Kearsley等[11]研究发现,当气泡轻质土的密度处于0.5～0.9g/cm3之间时,其抗压强度随着孔隙直径的增大而减小;当其密度大于0.9g/cm3时,由于各气泡距离较远而难以产生相互作用,此时水泥浆的性质决定了气泡轻质土的抗压强度.Ramamurthy等[2]指出，孔隙粒径分布较窄的气泡轻质土强度较高.Hilal等[15]通过定义孔隙尺寸和外形系数，研究了不同掺料对气泡轻质土强度的影响,并定性分析了不同掺料与密度下气泡轻质土细观孔隙结构与宏观强度的联系.Nguyen等[6]采用离散元法研究了孔隙分布和颗粒尺寸对气泡轻质土抗压强度的影响.

上述研究成果均表明,气泡轻质土的孔隙结构会影响其宏观性能.然而,已有针对其孔隙结构的研究多集中在孔隙的平面尺寸、数量和分布规律上.Kearsley等[16]指出孔隙的其他特征也可能会影响气泡轻质土的宏观力学性能,如孔隙的形状和接触关系等.同时,SEM和压汞试验不可避免会破坏孔隙的原生结构,很难保证所得孔隙结构信息的真实性.

鉴于此,本文利用X射线计算机断层扫描技术(X-ray computed tomography,X-CT)开展气泡轻质土的孔隙结构研究.对不同宏观密度的气泡轻质土进行X-CT扫描,采用图像处理方法建立气泡轻质土试样的三维孔隙结构,并采用Python程序语言对孔隙信息进行统计分析,获得孔隙的体积、接触关系和球度的分布规律,探讨气泡轻质土孔隙结构对其无侧限抗压强度的影响.

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

水泥为海螺牌C32.5普通硅酸盐水泥,水为自来水,发泡剂为南方化工生产的混凝土发泡剂.将三者按一定比例混合,制成密度为0.5、0.7、0.9g/cm3的气泡轻质土,分别标记为FS5、FS7和FS9.

气泡轻质土的成型质量主要受水泥浆稠度和气泡质量的影响.水泥浆的稠度会显著影响气泡轻质土的混合效果[17-18].水泥浆稠度常用水灰比(mw/mc)表示,一般取0.40～1.25,最佳水灰比取值在0.45左右[19-20].通过预试验发现,采用水灰比0.50时,能够得到成型质量稳定的气泡轻质土.相较于机械混合法(将发泡溶液与水泥浆拌和),干法预制发泡(将预制泡沫和水泥浆液拌和)能够获得更稳定的泡沫,且发泡剂需求量小,拌和物中气泡的掺入量与成品密度的关系更为明确[2,9],成品的可泵性更强[21-22].因此,本试验中采用干法预制发泡法制作气泡.

在试验前通过大量预试验来确定混合料的配合比,既保证气泡轻质土混合料的稳定性,又保证实测密度接近设计密度.表1为预试验确定的气泡轻质土配合比.气泡轻质土的制作步骤如下：(1)以预试验确定的轻质土配合比,按照水灰比0.50制成水泥浆;(2)通过干法制作气泡,按照确定的气泡与水的体积比(Vfoam/Vw)将气泡加入水泥浆中搅拌均匀;(3)在内径38mm、高80mm的三瓣模具内表面均匀涂上1层凡士林,将搅拌均匀的浆液装入模具中,分2次浇筑并充分振实;(4)用保鲜膜包裹模具,静置24h后脱模,称取试样质量并测试密度,测得密度与设计值偏差不得大于5%,否则重新制样;(5)在(25±1) ℃、相对湿度>95%的条件下养护60d.图1为制作好的气泡轻质土试样,试样直径38mm,高度80mm.

表1 气泡轻质土制作配合比Table 1 Mix proportion of foamed light-weight soil

图1 气泡轻质土试样Fig.1 Specimen of foamed light-weight soil

1.2 X-CT

X-CT是一种常用的医疗诊断手段,在工业检测中也有广泛的应用.由于不同物质对X射线的衰减不同,X-CT可用于检测产品内部的细小瑕疵.本试验采用德国蔡司公司生产的METROTOM-800型工业CT机,X射线管施加的电压和电流分别为160kV和0.16mA,X射线焦点尺寸为1μm,视域为2048×2048像素.试验时,将试样放入CT机试验仓中,使X射线围绕试样旋转1周,试样扫描间距为0.5s,曝光时间为500ms.扫描后,每个试样获取2500张二维切片图,图像像素尺寸为40μm.采用三维重构与分析软件VGStudio Max,对二维X射线图像进行处理,建立气泡轻质土的三维孔隙结构.

图2为扫描获得的气泡轻质土试样某截面X射线图像.黑影表示低吸收区,即低密度区,表示气泡轻质土中的孔隙;白影表示高吸收区,即高密度区,表示气泡轻质土中的水泥骨架.图3为建立的典型气泡轻质土内部孔隙结构,图中所有孔隙均用颜色加以标记.同时,VGStudio Max软件具有泡沫分析模块,可以对重构后的三维模型的孔隙度、孔隙坐标、孔隙大小、孔隙连通度和孔隙球度等进行分析,进而对气泡轻质土的孔隙结构进行定量化描述.在试样三维孔隙结构建立过程中,为避免成像过程中系统噪声的影响,VGStudio Max软件提供了滤波算法功能来增强信噪比;然后,利用软件的图像分割功能,对重构的灰度图像进行二值化分割,使像素点的灰度值为0(黑色低密度区)或者255(白色高密度区),这样可在不破坏图像细节的基础上划分出孔隙与水泥基质.

图2 试样某截面X射线图像Fig.2 X-CT image of a cross-section

图3 试样三维孔隙结构Fig.3 Three dimensional void structure of specimen

然而,在对CT图像中灰色的过渡区域进行分割时,由于灰色阴影中细小孔隙与细小水泥颗粒的区别较为模糊,此时阈值的选择会不可避免地带来人为误差.在所获得的试样二维切片图中,灰色过渡区中的孔隙体积小于7.72×10-4mm3.因此,可以认为试样中的孔隙基本都已计入分析之中,灰度阈值选择带来的人为误差是可以接受的.灰度阈值选择如图4所示,其中孔隙区域用黄色渲染.

图4 选取材料分隔灰度阈值Fig.4 Selection of gray value threshold in material separation

2 试验方案与步骤

本次试验具体方案与步骤如下：(1)按照确定的原料比例,制作密度为0.5、0.7和0.9g/cm3的气泡轻质土试样,每个密度制作3个试样.(2)将制作好的试样,脱模后标准养护60d.(3)取出各组试样进行X-CT扫描,建立轻质土的三维孔隙模型,采用Python语言分析孔隙信息,包括孔隙体积、类型和球度的分布规律.(4)对试样进行无侧限抗压试验,得到试样抗压强度.(5)通过孔隙信息和宏观强度的对比分析,探索气泡轻质土细观结构对宏观力学特性的影响.

3 孔隙结构测定与分析

FS5、FS7、FS9分别选取3个试样进行X-CT扫描,数据经过重构处理后得到试样的孔隙信息.由于数据精度达到10-4mm3,可涵盖气泡轻质土中的所有孔隙大小,真实反映孔隙的原生结构.

3.1 孔隙体积与分布

图5为不同密度试样的典型孔隙体积数量分布规律.由图5可知：FS5、FS7和FS9的孔隙体积呈单峰分布,峰值出现在0.05～0.20mm3;位于峰值左侧较小体积的孔隙分布远比右侧较大体积的孔隙稀疏,峰值左侧孔隙数量占比分别为5.23%、7.75%和8.41%.这是因为本试验采用干法预制泡沫,气泡的初始体积在0.1mm3左右[23].在与水泥浆充分拌和后,绝大多数孔隙分布在这一数值附近;一部分泡沫发生融合，产生了大孔隙;小部分泡沫破碎形成小孔隙.Hilal等[23]对气泡轻质土的研究中也得出了类似的结论.

图5 气泡轻质土孔隙体积散点图Fig.5 Scatter plot of voids’ volume of foamed light-weight soil

表2为各试样孔隙体积特征统计表,其中D10表示该体积以下占比为10%,以此类推.由表2可知：最大孔隙体积随着气泡轻质土宏观密度的降低而增大;气泡轻质土宏观密度越低,其内部孔隙体积的分布范围越大.同时结合D10、D50、D90可推知,低密度轻质土的3个统计特征值均大于高密度轻质土,说明低密度气泡轻质土中更多的气泡发生了融合,形成了大孔隙.

3.2 孔隙接触关系与分布

分析气泡轻质土的三维孔隙结构,发现孔隙之间并非全是相互独立的关系,而是存在不同的接触关系.孔隙间大致存在3种类型的接触关系(见图6)：①联通类型(Connected),孔隙与孔隙融合联通;②独立类型(Isolated),孔隙独立存在,四周被水泥浆包裹;③边界类型(Border),孔隙与孔隙之间没有明显联通部分,也没有被水泥浆包裹,即除①、②外其他的孔隙接触关系.

表2 气泡轻质土孔隙体积特征统计表Table 2 Statistics of void size of foamed light-weight soil

图6 气泡轻质土孔隙接触关系示意图Fig.6 Schematic of voids’ different contact relationships

图7为不同密度气泡轻质土典型的孔隙接触关系分布散点图.由图7可知：联通类型的孔隙数量较多且体积较大,独立类型孔隙数量较少且体积较小,边界类型孔隙居于上述两者之间;随着试样密度的增大,联通类型孔隙数量逐步减少,而独立类型孔隙数量逐步增加.在FS5和FS7中,联通类型孔隙数量明显占优,说明当密度较低时,大量泡沫在轻质土搅拌或硬化过程中发生了融合贯通.然而,相较于FS5和FS7,FS9中独立类型孔隙数量显著增加,说明当密度较高(0.9g/cm3)时,孔隙之间距离增大,难以产生明显的相互作用.这一结论与Kearsley等[11]的研究成果一致.

表3为各类型孔隙统计汇总表.由表3可知：随着轻质土宏观密度的增大,孔隙数量从以联通类型为主,逐渐转变为3种类型孔隙数量较为均衡;同时,独立和边界类型孔隙的体积占比也逐步提高.但总体而言,联通类型孔隙的体积占比在67%以上,孔隙的体积占比仍以联通类型孔隙占主导作用,说明气泡轻质土的性质主要由联通类型孔隙控制.

3.3 孔隙球度与分布

孔隙球度Fsph为孔隙表面积与孔隙体积对应的球体表面积之比[23].球度反映了泡沫消融成为孔隙时变形的程度,孔隙球度越小,说明其形状越不规则.图8(a)为3种宏观密度下气泡轻质土试样球度的典型分布.由图8(a)可知,气泡轻质土中孔隙的球度呈单峰分布,主要集中在0.1～0.6之间,峰值出现在0.15～0.35附近,表明气泡轻质土中绝大多数的孔隙形状呈极不规则状.随着试样宏观密度减小,试样孔隙整体球度呈增加趋势,说明相较于高密度气泡轻质土,泡沫在轻质土搅拌或硬化过程中,低密度试样中更多的孔隙能保留气泡的原始外形.图8(b)表示孔隙球度与孔隙体积和孔隙接触类型之间的关系(以FS5为例).由图8(b)可知,随着球度的增加,孔隙的体积呈降低趋势,且孔隙接触类型与球度无相关关系.

图7 气泡轻质土孔隙接触关系散点图Fig.7 Scatter plot of voids’ volume of different contact relationship of foamed light-weight soil

表3 气泡轻质土不同类型孔隙体积频率统计表Table 3 Statistics of cumulative frequency of voids’ volume of different types of foamed light-weight soil

图8 气泡轻质土孔隙球度图Fig.8 Scatter plot of sphericity of voids of foamed light-weight soil

由于试样中的孔隙数量庞大,分析某个球度下的孔隙分布时,采用箱型图(见图9)能较好反映孔隙分布特征.由图9可知,不同密度下气泡轻质土的孔隙体积与其球度均呈负相关,且绝大部分的孔隙球度低于0.7.对于同一体积的孔隙,当试样密度减小时,其各百分位统计量的球度均倾向于更大,这也验证了图8(a)中的结论,随着试样宏观密度减小,试样孔隙整体球度呈增加趋势.

4 孔隙特征对抗压强度的影响

完成X-CT扫描后,对试样进行无侧限抗压试验,获得试验的无侧限抗压强度fp和弹性模量E50.弹性模量E50为应力-应变曲线从原点到一半峰值强度的割线模量.对比试样无侧限抗压试验与孔隙结构发现,由于同一宏观密度下试样的孔隙结构存在差异,造成试样无侧限抗压强度和模量的不同.表4总结了典型试样的无侧限抗压性能和孔隙结构信息,其中fp表示峰值强度,S90是孔隙球度统计量,表示该球度以下的孔隙数量占比为90%.

由表4可知,密度为0.5g/cm3试样中,试样FS5-1的峰值强度fp和弹性模量E50等性能优于试样FS5-2.两者的孔隙率、不同孔隙类型的体积占比基本一致(差异在1%以内).造成这种差异的原因在于,从统计意义上看,FS5-1中的孔隙的球度要比FS5-2更高(见图10).当FS5-1中的球度统计量S90提高7.3%时,其峰值强度与模量分别增大了11.5%与13.0%.

图9 气泡轻质土孔隙球度箱型图Fig.9 Box plot of sphericity of voids of foamed light-weight soil

表4 气泡轻质土孔隙结构与宏观力学性能Table 4 Void structure and mechanical property of foamed light-weight soil

图10 FS5孔隙球度Fig.10 Void sphericity of specimen FS5

密度为0.7g/cm3试样中,试样FS7-1的峰值强度fp和弹性模量E50等性能优于试样FS7-2.而两者的孔隙率相近(差异在1%附近),孔隙球度也基本一致(见图11).造成这种差异的原因在于,FS7-1中的联通类型孔隙体积占比要明显少于FS7-2(见表4).当FS7-1中联通类型孔隙体积减小5.4%时,其峰值强度与模量分别增大了9.8%与24.8%.此类现象充分证明了气泡轻质土孔隙结构对于宏观材料特性是具有影响的.在对气泡轻质土进行理论和数值模拟时,必须充分考虑孔隙结构的类型与球度.利用孔隙率相等原则将其简化为随机分布的球状多孔结构[6,12],会造成气泡轻质土力学性能预测的偏差.