图像分析法在水泥早期抗裂性研究中的应用

刘 朝（上海建科检验有限公司，上海 201108）

现代水泥混凝土中新工艺、新材料的引入使其施工性能和力学性能都有了长足发展，但开裂问题尤其是早期开裂问题却日益严重。水泥作为混凝土的基本胶凝组分，是引起混凝土收缩开裂的源头。由于片面追求强度，在1920—1990 年的 70 a 间，美国水泥的细度从 220 m2/kg增长到了 340～600 m2/kg，C3S 含量也从 35% 提升到了50%～70%[1]，我国水泥的发展历程也类似，这是引发混凝土结构早期开裂增多的重要原因。

图像分析测试技术[2]是一种将图像信息转换成数字信号，并通过软件计算处理的新型测试方法，由于其再现性好、精度高、灵活度高等特点。本文以平板法为基础，辅以图像分析技术探索一种新的水泥净浆早期抗裂性试验方法[3]，其主要包括：图像采集、二值化处理、软件计算、结果输出等过程。试验中过程中，50 倍放大数码相机对移动的试样表面进行连续拍照监测，20 min 完成一次图片采集，对采集的图片汇总并进行二值化处理，软件分析计算裂缝的特征参数。此方法对试样表面进行实时拍照监测，不仅能够定量计算水泥净浆试样的初裂时间、24 h 最大裂缝宽度和裂缝总面积等参数，还可以分析 24 h 裂缝的分布以及 1 d内最大裂缝宽度和裂缝面积的发展规律，对精确研究水泥自身的早期抗裂特性，提高水泥混凝土的早期抗裂性能具有现实意义。

1 原材料

试验用水泥为上海海螺牌 42.5 级普通硅酸盐水泥，其3 d 和 28 d 抗压强度分别为 24.1 MPa 和 46.3 MPa；矿粉为磨细 S 95 级矿粉，比表面积 467 m2/kg；粉煤灰为上海宝钢自备电厂Ⅱ 级粉煤灰；硅灰（上海）。水泥、粉煤灰、硅灰的化学组成见表1。

表1 水泥、粉煤灰、硅灰的化学组成

2 试验方案研究

水泥净浆抗压强度试块采用 40 mm×40 mm×40 mm模具成型，与水泥抗裂试件同条件养护 24 h 后进行抗压强度测试。

开裂测试用模板净尺寸为 200 mm×200 mm× 20 mm，四周边框为厚钢板制成，模板底部铺一层塑料薄膜，减小底模对试件收缩变形的影响。模板 4 周、底部保持平整，无翘曲、凹坑等现象。四周钢板中心每 40 mm，放置一根直径 8 mm 的光圆钢筋，模板内净长度 30 mm，以此限制模板内试件的收缩。水泥净浆试样制备过程：水泥净浆搅拌完成后浇注在模板中，浆体自行流平，防止振动产生泌水现象。成型高度略高于模板，在水泥净浆成型 2 h后，将试件刮平与模板高度一致，同时在试件表面均匀撒上 BaSO4粉末，试样制备完成后放置在样品台上，开启图像采集系统，对试样开裂情况实时监测。

研究发现，环境条件和水胶比对水泥浆体的早期开裂特性有较大影响，为使该测试方法具有较高的准确度与可靠性，需要确定合适的环境条件和水胶比等参数，以下两小节对这一问题进行了研究，试验以 P.O 42.5 水泥为胶凝材料，勃氏法测得比表面积 336 m2/kg。。

2.1 环境条件对水泥净浆早期抗裂性的影响

环境条件对水泥净浆试件早期抗裂性的影响见表 2 和图 1、图 2。

表2 环境条件对水泥净浆1d抗压强度的影响

图1 环境条件对水泥净浆 1 d 最大裂缝宽度的影响

图2 环境条件对水泥净浆 1 d 裂缝面积的影响

图 1 和图 2 分别为不同环境条件下，试样最大裂缝宽度和裂缝总面积发展规律图。由图 1 和图 2 可以看出，在 W 2 的环境中，净浆试样开裂明显，初裂时间为 3 h 40 min，1 d 最大裂缝宽度与 1 d 裂缝面积分别达到了 1.34 mm 和 176.4 mm2，而 W 1 组试样未出现明显开裂现象。在 W 3 环境中，试样1 d 时的裂缝较 W 2 又有一定程度的发展，初裂时间提前1 h 左右，且 1 d 最大裂缝宽度与 1 d 裂缝面积分别增长了44.8% 和 85.1%。这可能是因为随着温度的升高，水泥水化速率加快；同时试样中的水分蒸发速率加快，使毛细管中水产生弯液面、表面张力增加，促使了水泥净浆的早期开裂。温度升高使试样 1 d 的抗压强度增大，抵抗内部变形的能力增强，但并不能抵消较大的毛细管压力。试样表面吹风是增大水分蒸发速率的措施，会进一步增大毛细管压力，加速试样开裂进程。

研究发现，W 2 和 W 3 均出现明显开裂，但由于试样要在制备过程中需要在表面涂撒 BaSO4粉末，为防止风吹散，在试验方法中养护条件定为无风、温度（30±2）℃、相对湿度（60±5）%。

2.2 水胶比对水泥净浆早期抗裂性的影响

水胶比对水泥净浆试件早期抗裂性的影响见表 3 和图 3。

表3 水胶比对水泥净浆早期抗裂性的影响

图3 水胶比为 0.35 和 0.45 时，水泥净浆 1 d 开裂形态图

表3 为水胶比对水泥净浆早期抗裂性的影响，图5为水泥净浆的开裂形态图。由表 3 可以看出，养护环境为无风、温度（30±2）℃、相对湿度（60±5）%时，随着水胶比的增大，试样开裂程度减轻，水胶比为 0.45 时，试样表面未观察到明显裂缝。水胶比由 0.35 增加至 0.40 时，净浆初裂时间延迟了 45 min，而 1 d 最大裂缝宽度与 1 d裂缝面积分别降低了 34.0% 和 28.8%。这可能是因为：水胶比较低时，浆体内部大孔中的自由水较少，水泥水化反应后浆体内部相对湿度降低，自收缩较大；此外，按照Pc=σ(1/R1＋1/R2)（Pc 为毛细管压力，σ 为液体表面张力，R1和 R2为主曲率半径)计算得到的毛细管压力较大，试样内部收缩应力大，因此开裂更为严重。

由图 3 可以看出，水胶比 0.35 时，试样出现多条不规则裂缝，且裂缝宽度的变化规律不明显，用传统观察估算的方法已不能准确判断裂缝的总面积。利用图像分析法，对试样进行图像采集，通过计算裂缝区内的像素点占图片内像素点的比值，进而计算图片内的裂缝面积，最终对裂缝面积汇总求和，该方法简单准确、适用性高。

试验中发现，水胶比为 0.35 时，浆体稠度较大，不能在模板中自行流平，需要轻微振动，这可能会引发浆体泌水，因此在试验方法中水泥浆体水胶比定为 0.40。

3 活性矿物对水泥净浆早期抗裂性影响的实例分析

本小节利用图像分析测试方法研究了活性矿物对水泥净浆早期抗裂的影响，以验证试验方法的可行性。活性矿物为粉煤灰和硅灰，掺量分别为 30% 和 10%，试验结果见图 4—图 6。

图 4 和图 5 分别为掺加不同活性矿物时，试样最大裂缝宽度和裂缝总面积发展规律图，图 6 为试样 24 h 时表面裂缝宽度分布。由图 4 和图 6 可以看出，不同活性矿物对水泥早期开裂性的影响不同。粉煤灰对净浆试样的早期开裂有一定抑制作用，当掺量为 30%时，试样初裂时间为 5 h 20 min，较水泥对比组延迟 1 h 40 min 左右，而净浆试样的 1d 最大裂缝宽度和 1d 裂缝面积为 0.57 mm 和58.7 mm2，仅为水泥对比组的 43% 和 33%；硅灰会促进净浆试样的早期开裂，当掺量为 10% 时，试样初裂时间为 2 h 40 min，较水泥对比组提前 1 h 左右，而净浆试样的 1d最大裂缝宽度和 1d裂缝面积为 2.1 mm 和 286.9 mm2，分别比水泥对比组增长了57% 和 63%。此外，结合图 1 和图 2 还可以发现，净浆试样的裂缝发展速率存在一个拐点，多出现在 7～9 h 内，拐点以前裂缝发展速率较快，拐点以后裂缝形态基本稳定，W 2组 9 h 的最大裂缝宽度和裂缝面积分别达到终值的 86% 和88%，这表明水泥净浆的早期开裂主要为塑性收缩开裂，降低 9 h 内的塑性开裂能有效提高水泥混凝土的早期抗裂性。试样开裂前期，裂缝面积有时会出现突然增大的现象，这是由于对应时间点出现新裂缝导致的。

图4 活性矿物对水泥净浆 1 d 最大裂缝宽度的影响

图5 活性矿物对水泥净浆 1 d 裂缝面积的影响

图6 掺加不同活性矿物后，试样 24 h 时裂缝宽度

由图 6 可以看出，水泥组的裂缝分布出现两个峰值，裂缝宽度 0.5 mm 及以下的部分占了 43.5%，表明除主裂缝外，出现了较细小的裂缝。掺加粉煤灰后，试样中大宽度裂缝消失，开裂受到抑制，出现的多为宽度在 0.1～0.4 mm的小裂缝；而掺加硅灰后，小裂缝明显减少，主要为大宽度裂缝，其中裂缝宽度在 1 mm 以上的部分占到 77.5%，试样开裂现象加重。

可以看出，图像分析法研究水泥的早期抗裂性，不仅可以定量计算裂缝宽度、裂缝面积等参数，还可以发现裂缝在发展过程中的潜在规律，可行性较高。

4 结 语

（1）图像分析法测定水泥早期抗裂性具有精确度高、适用性强的特点，能够实时监测裂缝发展状态，定量计算裂缝宽度、裂缝面积等特征参数。

（2）试验方法中试样尺寸为 200 mm×200 mm×20 mm，环境条件为无风、温度（30±2）℃、相对湿度（60±5）%，水胶比为 0.40 时，试件的开裂结果有较高的可靠性。

（3）P.O 42.5 水泥中掺加 30% 粉煤灰会抑制浆体的收缩开裂，其 1 d 最大裂缝宽度和裂缝面积分别降低 57% 和67%；掺加 10% 硅灰会促进浆体的早期开裂，试样 1 d 最大裂缝宽度和裂缝面积分别增长 57% 和 63% 。裂缝发展速率存在拐点，早期开裂主要为塑性收缩开裂。