掺淤砂混凝土力学行为与微观孔结构特征研究

2022-06-10师现营师苏傲特

人民黄河 2022年6期

师现营，师苏傲特，李松

（1.河南省豫东水利工程管理局，河南开封 475000； 2.中国电建水利水电十一局，河南郑州 450001；3.华北水利水电大学水利学院，河南郑州 450046）

1 引言

孔隙率是表征混凝土微观结构的主要参数。通过试验发现，在相同孔隙率的条件下混凝土的力学特性可能存在差异，故对材料微观结构的研究仅关注孔隙、空洞数量远远不够，孔隙、空洞的分布特性也影响材料的力学性能和损伤演化过程。已有研究成果表明，对于混凝土材料中的孔隙而言，考虑孔径分布宏观性能与微观构造特征的关系模型比仅考虑孔隙率的模型更为合理［1］。布特模型将孔隙分为凝胶孔（＜10 nm）、过渡孔（10 ～100 nm）、毛细孔（100 ～1 000 nm）和大孔（＞1 000 nm）［2］。吴中伟等［3］将孔径划分为无害孔级（＜20 nm）、少害孔级（20 ～50 nm）、有害孔级（50 ～200 nm）和多害孔级（＞200 nm），并且认为增加50 nm以下的孔、减少100 nm 以上的孔有助于改善混凝土性能。

随着时代的发展，混凝土产品不再单纯是水泥和砂石的结合体，各种新型混凝土材料根据应用途径和需求的不同而产生［4-6］。 SEM、MIP 及NMR 等扫描成像技术和孔隙结构分形解释方法的出现，为深层次研究混凝土材料的微观结构提供了条件。 Lü Qing 等［7］利用SEM 和MIP 技术，得出硅灰混凝土的抗压强度与总孔隙率无关、细观孔隙率能够增加其强度、粗大孔隙始终有害、分形维数的增大可以线性地降低抗压强度的结论；徐行军［8］基于微米CT 扫描结合三维重构模型，得出大孔是决定混凝土孔隙分布关键因素的结论；邱继生等［9］利用NMR 技术，得出陶粒混凝土最可几孔径减小能够有效改善混凝土微观孔结构的结论。

混凝土的初始缺陷和孔隙是一个多尺度的概念。目前，对材料微观结构的研究主要考虑整体孔隙率或基于分形理论进行总体评价，而对整体孔隙进行分尺度的研究较少。笔者利用力学性能试验，考虑混凝土微观结构的复杂性，选用NMR、SEM 技术，基于PCAS软件提取孔隙参数协同各类型孔隙率对混凝土的孔隙进行分尺度研究，解释矿渣-淤砂混凝土的微观特征对力学行为的影响机理。

2 试验方案

2.1 原材料

水泥采用天瑞P·O42.5 普通硅酸盐水泥，主要性能指标见表1。矿渣购自河南豫联电厂，外观呈灰白色，化学组成见表2，符合《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》（GB／T 18046—2017）关于矿物掺和料的规定。

表1 水泥性能指标

表2 胶凝材料化学组成 %

淤砂取自郑州市某河道，经干燥、除杂、筛分等工序后堆积密度为1 218.0 kg／m3；粗骨料选用粒径5 ～10 mm 的碎石，堆积密度为1 541.3 kg／m3；天然河砂（中砂）购自唐河县鑫淼砂石有限公司，堆积密度为1 625.0 kg／m3，细度模数为2.95，含泥量为1.5%。骨料颗粒级配曲线见图1。

图1 骨料颗粒级配曲线

2.2 配合比设计

本文旨在研究矿渣-淤砂混凝土力学行为与微观结构之间的相关性，故以现有研究成果为基础，以矿渣掺量30%为基本组（编号S0），以淤砂掺量10%、20%、30%为试验组（编号分别为S10、S20、S30），所有试件均选用萘系减水剂（掺量1%）和NaCl+N2SO4复合激发剂（掺量1%），水胶比为0.36，各组其他成分配合比见表3。标准试件成型尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，每组6 个试件，试件浇筑后放置室内24 h 后脱模，脱模后将成型试件移至标准养护室（室温（20±2）℃、湿度95%），为确保胶凝材料充分水化，养护龄期为180 d。

表3 试验配合比设计 kg／m3

2.3 试验方法

力学性能试验参照《水工混凝土试验规程》（SL 352—2006）进行。

利用真空加压饱和装置使试件真空饱和，然后将试件放入核磁共振仪线圈中，利用EDUMR20-015V-Ⅰ核磁共振（NMR）分析系统进行核磁共振弛豫时间测量，采集到CPMG 序列衰减信号数据后，进行反演，得到T2谱图，最后转化为孔径分布图。

取混凝土样品，保留原始形态，用镊子轻取少量残块，断面朝上，固定于样品台座导电胶上，对其喷金镀膜处理后进行分析检测，仪器采用美国FEI 公司QUANTA-650 型环境扫描电镜（ESEM）及EDAX 公司的APOLLO-X 型能谱仪，工作电压25 kV，工作距离10 mm，扫描时间30 s。

3 基于PCAS 技术的孔隙结构分析方法

PCAS 技术基于阈值法，将高分辨率图像进行二值化转化，其分析过程如图2 所示，其中黑色为孔隙，空洞与白色为其他部分，为尽可能消除分析误差，多次取阈值对孔隙进行分析，从而提取孔结构的数量、面积、平均周长、分形维数及孔隙形状因子等参数［10-11］。

图2 PCAS 技术分析过程

提取孔结构特征参数：孔隙率、最大孔隙面积、平均孔隙面积、平均周长、形状因子（ff）、概率熵（H）、分形维数（Df）。

形状因子（ff）表征孔隙边缘的粗糙程度，最大值为1（圆形），值越小表明孔隙边缘越粗糙，结构越复杂。

式中：s为像素面积；c为像素周长。

概率熵（H）用来量化孔隙的定向性，概率熵取值0～1，当H＝0 时表征孔隙发育均在同一方向上，当H＝1 时表征孔隙发育方向随机分布。

式中：Pi为孔隙i在一定方向角的概率。

分形维数Df用于描述参数在一定范围内的变化程度，即数据的非均质性，值越大相关参数的非均质性越强，反之非均质性越弱。定义为

式中：c1为常数。

整理式（1）与式（3）得

式（4）可概化为

其中

4 试验结果分析

4.1 力学性能

以抗压强度为指标对矿渣-淤砂混凝土进行宏观力学性能评价。不同淤砂掺量混凝土的抗压强度见图3。

图3 不同淤砂掺量混凝土的抗压强度

由图3 可知，随着淤砂掺量的增大，混凝土的抗压强度先增后减，淤砂掺量为10%时抗压强度最大，为20%时次之且大于掺量为0 时的。原因是淤砂颗粒与河砂相比细度偏小，在合理掺量范围内，可以优化混凝土骨料堆积结构，细集料可以对粗集料间隙进行充分填充，使混凝土内部孔隙率减小，达到密实的效果［12-13］；淤砂自身具有吸水效应，当水泥基体的湿度小于淤砂颗粒的湿度时，在水势差作用下水泥基体得到“补水”，使得混凝土内部的自养护作用增强，从而增大抗压强度［9］。

4.2 孔结构特征

根据核磁共振（NMR）试验结果以及布特模型和吴中伟对孔隙尺度分级的标准［2-3，14］，通过数据处理计算，得到系列孔隙参数（孔隙率、最小孔径、最可几孔径、各尺度孔级占比），具体结果见表4、表5、图4。

图4 淤砂掺量与孔隙特征的关系

表4 基于布特模型的各类型孔的孔隙率及孔级占比统计 %

表5 基于吴中伟模型的各类型孔的孔隙率及孔级占比统计 %

由表4 统计结果发现，当淤砂掺量为30%时，布特模型中大于100 nm 孔径的孔隙孔级占比减小，100 nm孔径以下孔隙增多。由表5 统计结果发现，50 nm 孔径以上孔和以下孔具有同样的变化规律。原因可能是：淤砂微粒的絮凝成团作用使得孔隙结构的规则度变差，淤砂掺量越大，孔隙不规则性越明显。根据SEM 测试原理，真空加压难以饱和，造成部分大孔信号缺失，孔隙率呈先减小后增大变化趋势，造成有害孔孔隙率低，强度反而降低的情况［15-16］。淤砂颗粒对混凝土的物理填充作用越明显，细小孔隙越多。

由图4 可知，随着淤砂掺量的增大，混凝土最小孔径和最可几孔径均为单调递减趋势，充分说明淤砂颗粒的物理填充作用与上述推断相符。孔隙率呈先减小后增大变化趋势，S10 组孔隙率最小。

根据布特模型的孔径统计结果可知：淤砂混凝土的孔径主要集中在10～100 nm，即主要为过渡孔，占总孔隙的65%～78%，并随着淤砂掺量的增大，其孔隙率先减后增，最小孔隙率对应的淤砂掺量为10%；0 ～10 nm尺度的孔隙率递增；100～1 000 nm 和大于1 000 nm 孔径的孔隙率变化规律相同。

根据吴中伟模型孔径分布统计结果可知，各尺度孔级占比相差不大，同时各尺度孔隙率的变化规律与布特模型所示结果基本保持一致。充分说明两种模型对于评价淤砂混凝土的孔隙尺度变化均有一定的参考意义。

为进一步推理研究，选取S0 组SEM 扫描图片和S30 组SEM 扫描图片，根据孔隙尺度，以1 000 倍电镜图片表征微观孔隙结构，以5 000 倍电镜图片表征纳米级孔结构即凝胶孔，如图5、图6 所示。利用PCAS技术和分形理论进一步评价混凝土微观结构，并对分析结果进行统计，其中孔隙面积、平均周长均为基于给定同尺度图片的相对长度，见表6。

图5 S0 组SEM 扫描图片

图6 S30 组SEM 扫描图片

由表6 可知：在1 000 倍尺度下，S30（淤砂掺量30%）组的孔隙率比S0 组的明显增大，最大孔隙面积和平均周长均有体现，形状因子减小，概率熵增大，说明孔隙结构变复杂，孔隙的发育方向随机。在5 000倍尺度下，S30 组混凝土凝胶孔的孔隙率剧增，孔洞增多，形状因子增大，概率熵减小，分形维数增大，说明凝胶孔的孔隙结构有转优的趋势，但孔隙率增大，孔洞体积变大，均匀分布的孔洞使凝胶体形成“网状结构”，胶凝效应弱化，导致出现表4 和表5 中混凝土的大孔径占比由大变小，强度反而降低的情况。分析结果与上述推断情况吻合［17-18］。

表6 PCAS 技术微观分析参数统计

4.3 力学性能与孔结构相关性分析

为建立孔结构与抗压强度之间的作用规律，对抗压强度与孔隙率、各尺度孔隙率进行相关性分析，如图7～图9 所示。

观察图7、图8 所示的线性模型可知，拟合效果较好，抗压强度与总孔隙率、布特模型中10 ～100 nm 级孔隙率保持良好的线性关系，故对于外掺淤砂-矿渣混凝土来说，10～100 nm 级孔隙率对抗压强度的劣化作用最为明显。而图9 所示线性模型有所差异，原因是吴中伟模型中仅将20～50 nm分为一级，包含于10～100 nm中，包含范围过小。