高孔隙水压力环境下混凝土细观孔隙特征研究

张国辉，顾艳霜，李宗利，杨振东，李常兵

(1昆明理工大学 电力工程学院，云南 昆明 650500；2西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100)

高渗透水压力作用下混凝土力学特性会发生显著变化，原因之一在于其内部孔隙结构的演变，混凝土孔隙结构变化引起混凝土力学特性随之改变。因此，在高水压力下混凝土孔隙结构的变化是混凝土力学性能改变的本质所在。

目前，研究者采用各种方法研究了不同工况下混凝土内部孔隙结构的变化规律。王乾峰等[1-2]基于压汞法的原理，利用细观管道孔隙网络模型研究了水压力变化对混凝土的影响，结果表明，水压力环境中混凝土的力学特性与含水量、加载速率、孔隙水流动的时间和空间有关。刘军等[3]基于微观结构中平均孔径与氯离子快速渗透系数之间较强的相关性，利用氮气吸附法测量混凝土的微观孔结构，研究混凝土微观孔结构对渗透性能的影响。王中平等[4]利用核磁共振冷冻测孔法测定了不同龄期、不同水灰比水泥基材料的孔径分布，发现该方法测得的孔径分布信息较其他方法更为全面，对封闭微孔的分辨率更高。为了进一步对混凝土展开更细致的研究，田威等[5-6]基于CT技术研究了冻融循环下混凝土内部孔隙的分布特征，得到了孔隙率和孔隙结构的变化规律。陈峰宾等[7]利用CT扫描，建立了孔隙网络模型和纤维分布模型，定量描述了不同纤维掺量下孔隙特征参数的变化和纤维分布。张肖宁等[8]基于X-ray CT[9]技术对沥青混凝土混合料进行分析，描述了真实的三维空间结构信息。韩建德等[10]基于三维X-ray CT对碳化引起的水泥砂浆内部缺陷进行三维重构，通过对缺陷体积分数和尺度分布的定量分析，得到了碳化对水泥砂浆内部缺陷分布的影响规律。显然，基于工业CT识别技术[11-14]的运用，结合图像处理技术[15-16]对混凝土内部的组成结构进行分析，能有效实现混凝土试件无损分析，且具有内部结构三维可视化的优点，但目前该领域的研究还不够深入和系统。

为此，本研究基于CT断层扫描技术和VG Studio MAX 2.2分析平台，研究了试件面层孔隙特征参数沿高度的变化规律，验证了CT技术在混凝土孔隙结构检验中的可操作性，然后通过CT扫描数据的三维重构，系统研究了不同高孔隙水压力作用前后混凝土三维孔隙结构特征的变化规律，以期为揭示高压水力劈裂的损伤机理提供支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

水泥，陕西冀东水泥厂生产的盾石牌 P.C 32.5R级复合硅酸盐水泥，标准稠度用水量为28.6%，安定性合格，初凝时间为4.2 h，终凝时间为5.3 h，28 d抗压强度为48.58 MPa；粗骨料，陕西渭河的卵石，粒径为5～40 mm，含泥量0.6%，表观密度2.65 g/cm3，堆积密度1 563 kg/m3；砂子，陕西渭河砂场的天然中砂，表观密度为2.59 g/cm3，细度模数为2.43，含泥量为 0.8%，堆积密度为1 540 kg/m3，级配良好，有害物质含量均在规定值以下；拌和水，饮用自来水。

试验制备的混凝土试件的尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，试件浇筑采用人工插捣与机械振动相结合的方法。混凝土强度为C20，经过标准养护28 d，混凝土试件的配合比参数如表1所示，拌和过程按SL 352-2006《水工混凝土试验规程》[17]进行。

表1 混凝土试件的配合比参数Table 1 Mixing parameters of concrete specimens

1.2 试验设计

试验控制因素为水压力，12块试件分为4组(A0、A1、A2、A3)，每组3块。X-ray CT扫描仪的扫描尺寸为直径110 mm、高度110 mm的圆柱体，为此采用钻芯取样的方法，利用钻芯机对28 d标准养护后尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的立方体试件进行钻芯处理，得到直径110 mm、高度110 mm的圆柱体试件。由于试件周围和空气交接，对试件取芯会扰动表层混凝土而影响其孔隙结构的准确性，为消除该影响，扫描时选择高度为100 mm、直径为100 mm的分析区域。

试件在标准养护并取芯处理之后，为了定量考虑湿度损伤，即高压水环境下进入试件的水分多少，且最大程度上减少干燥工艺对混凝土的影响，将圆柱体试件放入电热恒温鼓风干燥箱中，在105 ℃下恒温持续干燥115.5 h直至试件达到干燥状态，然后于自然环境中冷却[18-19]。预设0，1，2和3 MPa 4种不同水压力处理,分别记为T0、T1、T2和T3，其中T0作为标准对照组，取干燥后的T1、T2、T3组试件放入恒定水压加载系统(图1)中，将3组混凝土分别在1，2，3 MPa的恒定高孔隙水压力下作用240 h[20]。图1所示的恒定水压加载系统主要由1个补压容器(A)和2个恒压容器(B、C)组成，该系统可提供的最大孔隙水压力为4.0 MPa，水压力误差为±0.01 MPa。加载系统运行时，向补压容器充满水，水通过高压管流向恒压容器中，使恒压容器的水压力增大达到预设值，补压容器的压力来源于不溶于水的氮气，当水压低于预设值时，可打开高压阀门向恒压容器内输送高压水，恒压容器将输水管充满水后放入混凝土试件，试验过程中紧固恒压容器法兰盘，确保密封，完成高孔隙水压力作用，取出试件擦去表面水分作为CT扫描试件。

本试验使用德国YXLON(依科视朗)国际射线有限公司生产的YXLON.CT设备(图2)，分别对干燥后的T0组试件及干燥并经高孔隙水压力作用后的T1、T2、T3组试件进行扫描，以0.13 mm的厚度按由上至下、由前至后、由左至右的方式进行扫描，各方向扫描后得到844张CT图像，3个方向扫描共计得到2 532张CT图像。扫描仪的最大电流为1.0 mA，最大管电压为225 kV，体素大小为0.13 mm×0.13 mm×0.13 mm，像素大小为0.13 mm×0.13 mm，放大倍数为100倍，对比度和灵敏度均小于0.2%，操作模式为锥束扫描和数字成像，工作中扫描对象的旋转角为360°。该设备在对检测物体无损伤的条件下，以二维断层图像或三维立体图像的形式，清晰、准确、直观地展示被检测物体的内部结构、组成、材质及缺损状况。

经扫描后各组试件沿高度由上到下分成20段，每段高约5 mm，选取每段中间的断面作为研究对象，各试件共选取20个断面，求取各试验组中的3块试件相同断面位置的面层孔隙率平均值。

由于受CT设备扫描精度的限制，本研究分析孔隙结构特征时的孔径范围为≥0.13 mm，故为细观孔隙特征分析。基于X-ray CT扫描图像的三维重构模型，选择高度100 mm、直径100 mm的分析区域，将扫描后的CT图像导入VG Studio MAX 2.2 分析平台进行三维模型重构，可获得试件在二维空间上的平面图和三维结构模型的立体图。该分析平台主要基于灰度识别来进行扫描处理，利用不同密度的物质具有不同的灰度阈值，利用“表面测定”设定不同灰度范围[21-22]，采用双峰法对图像进行材质分类；在“缺陷检测”模块对分析参数降噪处理后,基于孔隙分析模式得到在不同高孔隙水压力作用下试件的总孔隙体积以及每个孔隙的直径、体积、球度、三维坐标等参数来研究孔隙结构的变化规律，本研究描述的各项孔隙结构参数均为各组3块试件的平均值。

2 结果与分析

2.1 试件孔隙结构分布特征分析

混凝土试件的二维CT扫描图片如图3所示。由图3的混凝土二维扫描图可以直观看出孔隙的分布情况，其中灰色光滑块状为骨料，黑色小点为孔隙，其余灰色部分为砂浆，但是仅限于平面结构。混凝土试件的三维孔隙结构模型如图4所示，图中各颜色分别代表了不同体积的孔隙，与图3相比，从图4中的三维孔隙模型图可以直观看出孔隙的大小、位置，且混凝土中的各成分均匀分布于试件中。为研究不同高孔隙水压力下孔隙结构之间的本质差异，再进一步对孔隙结构进行定量分析。

2.2 试件面层孔隙特征参数分析

试件沿高度方向的面层孔隙率及其离散特性分析结果见图5和图6。

由图5可知，试件的面层孔隙率呈不断变化趋势，基本为2%～5%，试件2个相邻代表层孔隙率的差值小于3.5%，说明在不同高孔隙水压力作用下，各试件孔隙分布连续性较好。试件在不同高孔隙水压力环境下，底层孔隙率均小于其他断层的孔隙率，且水压力作用前后孔隙率沿高度分布趋势相似，这是因为在试件浇筑过程中，骨料在自重作用下均会产生沉降，下部浆体受平板振动作用的影响增大，振动使底部出现少量的沉降现象，从而导致底部孔隙率较低。在不同水压力作用下，CT扫描后沿高度方向的面层孔隙率分布较为均匀，与真实的孔隙分布规律相吻合，为三维孔隙结构分析提供了科学依据。

由图6可知，除T1试验组有1个异常值之外，其他断面的面层孔隙率均在非异常值最大上限和最小下限范围内[22]，不同水压力下面层孔隙率的均值与最大、最小值之间的差值均小于3%，面层孔隙率的平均值与中位值之间的差值均小于0.5%。

对图6不同高孔隙水压力环境下各处理的各断面孔隙率进行综合分析可以看出，随着水压力的增大，试件平均孔隙率逐渐增大。箱体的高度(图中25%～75%的矩形高度)表示一组数据中50%的面层孔隙率，同时四分位点(箱体的上下边缘)与非异常值范围内的最大上限和最小下限的差距很大，剩下25%的孔隙率离中位数很远，对整体的均匀程度、集中程度影响很大，说明在高孔隙水压力环境下各组试件面层孔隙率的离散性为：T0>T1>T2>T3。

2.3 试件体积孔隙特征分析

为研究不同高孔隙水压力环境下的体积孔隙分布特征，基于CT扫描数据重构三维模型提取三维孔隙结构，分析孔隙数量、孔隙率、三维孔隙直径、孔隙体积和球度等结构特征。

2.3.1 孔隙数量 表2所示为不同高水压力下混凝土孔隙数量的统计结果。

表2 不同高孔隙水压力下混凝土的孔隙数量Table 2 Statistics of numbers of concrete pores under different high pore water pressures

由表2可知，随高孔隙水压力的增大，孔隙数量呈先增后降趋势，但与高孔隙水压力作用前相比，1，2，3 MPa水压力作用后的孔隙数量均有所增多，分别较作用前增加了46.99%，78.53%和55.12%。

2.3.2 孔隙率 由图7可知，随高孔隙水压力的增大，混凝土试件的孔隙率呈现逐渐上升趋势，1，2，3 MPa水压力作用后的孔隙率较作用前分别增加了2.79%，8.38%，23.46%，水压力为3 MPa时的孔隙率较2 MPa增加了13.92%。说明高孔隙水压力将水分带入混凝土的同时会产生水力劈裂，使混凝土孔隙数量增多，孔隙结构发生变化，孔隙体积增大。

2.3.3 孔隙直径 不同高孔隙水压力作用下混凝土孔隙直径的分布如表3所示。由表3可知，在不同高孔隙水压力环境下，孔隙数量随孔隙直径的增大呈先增加后减少的趋势，峰值均出现在孔径≥0.5～<1.0 mm时，表明供试混凝土中该孔径的孔隙数量占比最大。在0，1，2，3 MPa水压力作用下，孔径≥0.5～<1.0 mm孔隙的数量分别占孔隙总数的52.28%，61.87%，62.03%和59.72%；孔径为≥0.13～<0.5 mm和≥10～<25 mm的孔隙数量随高孔隙水压力的增大而增加，3 MPa时孔径≥0.13～<0.5 mm的孔隙数量较水压力作用前增加了55.47%。

表3 不同高孔隙水压力下混凝土的孔隙直径分布Table 3 Pore diameter distribution of concrete under different high pore water pressures

2.3.4 孔隙体积 由表4可知，混凝土的孔隙体积在高孔隙水压力作用下变化明显。在0，1，2，3 MPa水压力作用下，体积<0.1 mm3的孔隙数均占孔隙总数的较大部分，分别为总孔隙数的61.98%，77.79%，77.48%和72.39%。当高孔隙水压力逐渐增大，体积≥20 mm3的大体积孔隙数量增加明显。当水压力增加到3 MPa时，体积<0.2 mm3的孔隙数量降低；但体积≥20 mm3的孔隙数量一直递增,且3 MPa水压力下的孔隙数量较水压力作用前增加了24.68%。0，1，2，3 MPa水压力作用下各组试件的内部孔隙总体积分别为14 058.63，14 451.33，15 236.72，17 357.30 mm3。

表4 不同高孔隙水压力下混凝土的孔隙体积尺寸分布Table 4 Pore volume size distribution of concrete under different high pore water pressures

2.3.5 孔隙球度 球度是指碎屑颗粒接近球体的程度，球度的大小是指颗粒三度空间的形状与球体的相似程度，球度取值是0～1，孔隙球度值越接近1，则孔的三维形状越接近球体，说明其形状越规则。供试混凝土试件在不同高孔隙水压力作用下孔隙直径与孔隙球度[23-25]的关系如图8所示。图8反映了高孔隙水压力下对应孔隙直径范围内的平均孔隙球度值。由图8可知，参试混凝土试件的孔隙球度值集中分布在0.16～0.66，当孔隙直径逐渐增大时，孔隙球度呈现下降趋势，0，1，2和3 MPa水压力作用下孔径在≥20～<25 mm的孔隙球度分别较≥0.13～<0.5 mm孔径降低了75.87%，68.18%，71.04%和74.64%。说明无论是否存在水压力，混凝土试件孔隙直径越大，孔隙形状越不规则；孔隙直径<0.5 mm时，孔隙形状较为规则且接近球体；当孔隙直径为≥20～<25 mm时，孔隙为不规则折线形或裂缝，孔隙形状接近片状和柱状。

3 结 论

1)混凝土孔隙总体积随高孔隙水压力的增大而增大，使混凝土试件的孔隙率持续增加，1，2，3 MPa水压力作用后的孔隙率较作用前分别增加了2.79%，8.38%和23.46%。

2)与作用前相比，高孔隙水压力作用后的混凝土孔隙数量均有所增多，孔隙总数呈现先升后降的趋势，在3 MPa水压力作用下，孔径≥0.5～<1.0 mm孔隙数量较2 MPa降低了16.35%，而孔径≥20～<25 mm孔隙的数量增加了33.33%。故当高孔隙水压力增加时，孔隙结构因受水压力作用而发生改变，部分小尺寸孔隙扩展延伸形成大尺寸孔隙和裂缝。