基于X-CT的蒸养大掺量矿物掺合料砂浆孔结构

2022-10-06郭玉柱陈徐东宁英杰陈育志

建筑材料学报 2022年9期

郭玉柱, 陈徐东, *, 宁英杰, 陈育志

（1.河海大学土木与交通学院, 江苏南京 210098；2.浙江交工集团股份有限公司, 浙江杭州 310051；3.金陵科技学院建筑工程学院, 江苏南京 211169）

蒸汽养护（蒸养）是混凝土预制构件工业化生产中一种常用的养护方式[1］.高温、高湿度的蒸养环境不仅可以加速胶凝材料水化反应和微观结构的形成, 使蒸养混凝土预制构件具有较高的早期强度[2］, 而且可以有效提高混凝土预制构件的生产率.但是, 过快的水化反应速率会使胶凝材料在局部形成致密的壳状水化产物, 造成水化产物的不均匀分布[3-4］.Lothenbach等[5］的研究也表明, 水化产物的不均匀分布和钙矾石含量的减少增加了蒸养混凝土中的毛细气孔数量.因此, 由蒸养过程造成的热损伤会导致混凝土孔结构的劣化[6］, 甚至影响工程结构的耐久性[7］.

矿物掺合料的火山灰效应可以改善混凝土孔结构, 从而降低蒸养过程中造成的热损伤[8-10］.粉煤灰-矿渣粉复掺体系不仅能有效降低胶凝材料水化热, 改善混凝土的微观结构, 而且可以保证混凝土构件在蒸养后达到足够的强度[11-12］.此外, 后续养护中保证足够的湿度也可以改善蒸养阶段对混凝土微观结构造成的不利影响[13］.为了提高预制混凝土构件蒸养质量, 保证工程结构的耐久性, 研究高温蒸养以及后续养护方式对蒸养大掺量矿物掺合料砂浆孔结构的影响具有重要的工程意义.

然而, 目前关于高温蒸养及后续养护方式对大掺量矿物掺合料砂浆孔结构影响的相关研究较少.X射线计算机断层扫描（X-CT）是一种具有较高分辨率的无损检测技术, 能清晰直观地检测砂浆内部细观孔隙分布和孔隙形态[14］, 可用于蒸养砂浆孔结构的分析.本研究以80℃下恒温蒸养12 h的大掺量矿物掺合料砂浆作为研究对象, 后续养护制度采用自然养护、标准养护（标养）和水养3种方式, 同时设置全程标养砂浆作为对照组.基于X-CT技术对各养护制度下的砂浆孔结构特征进行了分析, 并将孔隙参数与砂浆的宏观力学性能建立了联系, 研究结果可以为改善蒸养混凝土的性能提供有益参考.

1 试验

1.1 原材料及配合比

C50是预制构件混凝土最常见的强度等级之一, 掺加矿物掺合料可以降低混凝土成本且对其耐久性有利, 因此大掺量矿物掺合料混凝土用于生产混凝土预制构件具有极大优势.高温蒸养会使水泥砂浆孔结构劣化, 这是其不利影响的主要表现形式之一.而X-CT的高精度扫描需要样品体积足够小, 为了避免粗骨料的存在对小体积样品均匀性的影响, 本试验设计了C50强度等级的大掺量矿物掺合料砂浆, 对其进行蒸养和孔结构研究.

水泥采用海螺牌P·O 42.5普通硅酸盐水泥, 矿物掺合料为S95粒化高炉矿渣粉, 粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰, 砂子采用细度模数为2.6的河砂, 水为实验室自来水, 减水剂采用聚羧酸高效减水剂.砂浆配合比为m（水泥）∶m（矿渣粉）∶m（粉煤灰）∶m（砂子）∶m（水）∶m（减水剂）=250.0∶150.0∶100.0∶1 350.0∶160.0∶3.5.胶凝材料的化学组成见表1.砂子的粒径级配如图1所示.

表1 胶凝材料的化学组成Table 1 Chemical composition of cementitious materials w/%

图1 砂子的粒径级配Fig.1 Grading curve of sand particle size

1.2 蒸养制度

参照GB/T 17671—2021《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》拌制砂浆, 将搅拌均匀后的砂浆装入尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的钢模中振捣成型.对于成型后的砂浆, 其中1组放入标养箱内进行标养（编号为SD）, 另外3组放入蒸养箱内进行蒸养.蒸养制度的制定主要考虑2个因素：一方面考虑实际生产过程中为了加快模具的循环利用, 应尽量在24 h之内结束整个蒸养过程；另一方面考虑预制构件后续预应力的张拉要求, 在蒸养结束后强度应尽量达到设计强度的70%左右, 这样可以实现在拆模后2～3 d内进行预应力张拉工序.最后, 通过预试验确定了基本满足上述需求的蒸养制度, 即：20℃下静置3 h、升温2 h、80℃下恒温12 h和降温2 h共4个阶段, 如图2所示.蒸养结束的砂浆在1 h内拆模, 然后分成3组分别进行自然养护（编号为ST-NA）、标养（编号为ST-SD）和水养（编号为ST-WA）.

图2 蒸养制度Fig.2 Steam curing system

1.3 抗压强度测试

参照GB/T 17671—2021标准, 采用万测微机控制电子万能试验机对各养护制度下砂浆1、3、7、14、28 d龄期的抗压强度进行测试.

1.4 X-CT测试

X-CT扫描采用德国Vtomexs微焦点X-CT系统, 设置电压为120 kV, 电流为150 μA, 功率为18 W.砂浆养护28 d后取样进行X-CT扫描, 样品采用边长20 mm的立方体, 获得的2D图像分辨率为38.8 μm/体素, 像素数量为1 024×1 024.

由于射束硬化, CT图像会出现中间黑、边缘亮的伪影, 此时若直接通过一个固定的灰度阈值分割来提取孔隙, 将使CT图像上较亮区域的部分孔隙被漏掉或者较暗区域的孔隙被过度放大.为了更好地对孔隙进行提取分割, 采用活动轮廓模型（active contour model）对图像进行预处理.该方法是通过在目标周围区域构造1条可变形的初始活动轮廓曲线, 并建立相应的能量泛函方程, 曲线在自身变形能和轮廓外部势能的共同作用下, 通过最小化能量泛函, 使轮廓曲线收敛到目标图像的边缘, 找出最佳可能的边界轮廓曲线[15］.初始活动轮廓曲线控制点上的能量函数Etot定义为[16］：

式中：Eint为内部能量, 控制着活动轮廓曲线的弹性变形；Eext为外部势能, 外部势能吸引活动轮廓曲线到图像上的目标特征区域；s为归一化弧长；v(s)=(x(s),y(s)), 为活动轮廓曲线控制点的二维坐标.

实际计算过程中, 常采用能量函数的离散方程来计算Etot[17］：

式中：vi为活动轮廓曲线上第i个离散的控制点；vivi-1为活动轮廓曲线控制点的1阶导数；vi+1-2vi+vi-1为活动轮廓曲线控制点的2阶导数；n为控制点数；α为弹力系数；β为强度系数.

利用欧拉方程求解能量函数的最小值：

式中：v″(s)、v(4)(s)分别为控制点在图像空间中的2阶微分和4阶微分.

此时, 图像分割问题转化为变分问题, 在灰度数字图像离散条件下, 通过构造线性方程组, 采用Matlab软件进行迭代计算求解.通过活动轮廓模型分割出孔隙后, 对孔隙结构进行了三维重构, 并对孔结构特征进行了统计分析.上述CT图像处理流程如图3所示.

图3 CT图像处理流程Fig.3 CT image processing flow

2 结果与讨论

2.1 孔隙率与抗压强度

为了分析不同养护制度对大掺量矿物掺合料砂浆孔隙率的影响, 沿着竖直方向（z轴）由表及里对4种养护制度下砂浆的二维孔隙率进行了分析, 结果如图4所示.由图4可见, 蒸养制度对砂浆不同深度范围的二维孔隙率产生了较明显的影响.从ST-NA、ST-WA和ST-SD这3种砂浆二维孔隙率的变化趋势可知, 高温蒸养导致砂浆表层的孔隙率明显变大, 二维孔隙率沿着砂浆z轴由表及里逐渐减小, 直至14 mm深度时基本趋于一致, 表明蒸养使其表层孔结构粗化, 这与文献[18］的结论一致.而全程标养砂浆SD的二维孔隙率较为均衡, 孔隙率也最小.计算二维孔隙率的平均值可以得出砂浆的三维孔隙率, ST-NA、ST-WA、ST-SD和SD砂浆的三维孔隙率分别为2.41%、2.03%、2.09%、1.63%.对比蒸养后自然养护、标养和水养的砂浆孔隙率发现, 合理的后续养护制度对粗化后的孔结构有明显改善作用.以全程标养砂浆的平均孔隙率为基础, 蒸养后自然养护的砂浆孔隙率增大了0.78%, 而通过后续标养和水养, 砂浆孔隙率的增长值降低至0.40%、0.46%.这是由于后续标养和水养为胶凝材料的水化反应提供了必要的湿度和水分, 充分的水化反应生成了大量水化产物, 使砂浆的孔隙率明显降低.

图4 沿竖直方向的二维孔隙率Fig.4 2D porosity along vertical direction

4种养护制度下, 砂浆不同龄期抗压强度测试结果如图5所示.由图5可见：80℃下恒温12 h蒸养使砂浆的1 d抗压强度增长到35.5 MPa, 达到了全程标养SD砂浆28 d抗压强度的67.1%；而全程标养SD砂浆1 d抗压强度仅仅达到了其28 d抗压强度的30.5%.这是由于高温蒸养使水泥水化反应速率加剧, 生成了堆积密度更加致密的C-S-H凝胶[19］；同时, 高温蒸养促进了矿渣粉和粉煤灰的火山灰效应, 短时间内生成了更多的C-S-H凝胶[11, 20］.这种双重促进作用使砂浆在蒸养后获得了较高的抗压强度.而全程标养条件下, 水化反应速率相对较慢, 矿物掺合料的活性也相对较低, 此时水化反应易生成絮状或颗粒状的C-S-H凝胶, 其聚合度低于蒸养条件下生成的蜂窝状或网状C-S-H凝胶[21-22］, 导致全程标养砂浆的早期强度明显低于蒸养砂浆.对比ST-NA、ST-WA和ST-SD砂浆的强度增长规律还可以发现, 蒸养后的不同养护制度对砂浆后续强度的增长有明显影响.ST-NA砂浆在后续自然养护过程中, 由于缺少胶凝材料水化反应所需要的湿度条件, 导致后续水化反应不充分, 其28 d抗压强度最低.ST-WA和ST-SD砂浆的后续养护制度保证了充分的湿度, 更好地促进了胶凝材料的水化, 两者后续强度增长明显优于ST-NA砂浆.然而, 蒸养后不同后续养护制度下砂浆28 d抗压强度均小于全程标养砂浆28 d抗压强度.这是由于高温蒸养砂浆的孔隙率较大, 密实度低于全程标养砂浆.

图5 砂浆不同龄期抗压强度Fig.5 Compressive strength of mortar at different ages

为了验证砂浆孔隙率与抗压强度的相关性, 在每个扫描的砂浆样品中提取4个部位的代表体积元素（REV）, 计算其孔隙率, 并与对应砂浆28 d抗压强度进行相关性分析, 如图6所示.由图6可见, 随着孔隙率的增大, 蒸养砂浆的28 d抗压强度线性降低, 文献[23］也得到了相同的结论.

图6 砂浆28 d抗压强度与孔隙率的关系Fig.6 Relationship between 28 d compressive strength and porosity of mortar

2.2 孔径分布

采用X-CT技术分析了不同养护制度下砂浆的孔径分布特征, 结果如图7所示.由图7可见：与蒸养后自然养护相比, 蒸养后水养或标养均可有效减少蒸养砂浆中的微米级孔隙；与蒸养后标养相比, 蒸养后水养对孔隙直径为100～250 μm的孔隙作用更明显, 而当孔隙直径大于250 μm时, 蒸养后标养的作用更明显；对比蒸养砂浆与全程标养砂浆的孔径分布可以发现, 蒸养有利于消除500 μm以上的大孔.

图7 基于X-CT的孔径分布图Fig.7 Pore diameter distribution diagram based on X-CT

2.3 孔体积分布特征

为了从三维视角分析不同养护制度下砂浆的孔隙特征, 对砂浆孔体积分布特征进行了分析, 结果如图8所示.根据图8的孔体积-数量拟合结果, 4种砂浆的孔体积-数量关系在对数坐标下均符合单指数分布.当孔体积小于0.01 mm3时, 随着孔体积的减小, 孔数量呈指数形式增加.图8同时还统计了不同体积孔隙的累计总体积.由图8可以看出：虽然统计范围内孔体积处于10-4～10-2mm3的孔隙数量随着孔体积的减小呈指数增加, 但是该范围内孔隙的累计孔体积却基本维持平稳, 处在0.02～0.20 mm3之间；当孔体积大于0.10 mm3时, 单个孔隙的体积占据了绝对优势（单孔体积远大于孔体积小于0.01 mm3的孔隙）, 累计孔体积在对数坐标下呈指数增加.

图8 砂浆孔体积分布Fig.8 Pore volume distribution of mortars

2.4 球形度-孔体积特征

水泥基材料中的孔隙形态非常复杂, 并不都是圆形或椭圆形孔隙.为了评价养护制度对孔隙三维形态的影响, 采用球形度（S）对孔隙进行统计分析.孔隙的球形度是孔隙的表面积与孔体积对应的球体表面积之比[24］.根据球形度的大小可以对孔隙形态的不规则程度进行描述.球形度S的计算公式为[25］：

式中：V为孔隙三维体积；A为孔隙三维表面积.

图9给出了砂浆孔隙球形度与孔体积的关系.由图9可以直观地看出, 绝大多数孔隙的球形度均大于0.6, 且各个体积范围内均有球形度较大的孔隙, 而球形度较小的孔隙仅仅分布于孔体积较大的孔隙.

图9 砂浆孔隙球形度与孔体积的关系Fig.9 Relationship between sphericity and pore volume of mortar

图10为砂浆孔隙球形度分布图.由图10可知, 砂浆孔隙球形度在0.9～1.0区间分布最多, ST-NA、ST-WA和ST-SD这3种砂浆的孔隙球形度在该区间的占比均超过了50.0%, 分别为52.6%、55.9%、52.3%, 而全程标养砂浆SD在该区间的占比仅为40.8%.这说明蒸养可以使球形度在0.9～1.0区间的孔隙占比增加, 但是后续不同养护制度对蒸养砂浆孔隙球形度的分布并没有明显的影响.此外, 全程标养并没有使砂浆孔隙球形度提高.

图10 砂浆孔隙球形度分布Fig.10 Sphericity distribution of mortar pore

为了研究3种蒸养砂浆与全程标养砂浆孔隙球形度的区别, 采用箱线图分析了孔隙球形度与孔体积的关系, 如图11所示.图11中IQR为四分位差, 分布在±1.5IQR以外的值为异常值.由图11可以看出：砂浆的孔隙球形度与孔体积存在明显的负相关关系, 文献[26-27］对泡沫混凝土的研究也得出了类似的结论；与全程标养砂浆孔隙球形度统计结果的不同之处在于, 3种蒸养砂浆孔隙球形度分布中的异常值较多, 且异常值与均值的偏离度较大.这可能是蒸养导致砂浆性能劣化的原因之一.因此, 对于实际C50蒸养混凝土, 蒸养导致的孔隙球形度变化也可能是影响蒸养混凝土服役性能的原因之一.