若干因素對多孔水泥混凝土內部孔隙狀態影響研究

彭永勝

摘 要：為研究骨料因素和成型工藝的不同對多孔水泥混凝土內部孔隙狀態的影響，采用工業CT掃描技術對多孔水泥混凝土試件內部孔隙進行識別，并通過CT圖像數據提取方法獲得多孔水泥混凝土內部孔隙率、孔隙連通狀態及孔徑尺寸等。結果發現，不同骨料級配中，隨骨料粒徑增大，多孔水泥混凝土試件內部孔隙率、平均孔徑大小以及孔隙連通狀態整體呈增長趨勢。與碎石相比，卵石多孔水泥混凝土孔隙率和平均孔徑略小，連通孔隙率略高。振動時間越長，孔隙率越低，平均孔徑越小，但隨時間的增加，變化并不明顯。與此相反，采用插搗法制備的試件內部孔隙分布均勻性較振動法差，且試件內部連通孔隙率要高于振動法。相較于骨料體積比、骨料種類以及成型工藝，骨料級配對孔隙狀態影響最為顯著。

關鍵詞：工業CT掃描技術;多孔水泥混凝土;孔隙狀態;骨料;成型工藝

中圖分類號：TU528 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）10-0091-05

Abstract： In order to study the influence of aggregate factors and forming technology on the pore state of porous concrete， industrial CT scanning technology was used to identify the pore inside the porous concrete specimen， and the image data extraction method was adopted. The porosity， porosity， porosity and size of porous cement concrete were obtained. The results showed that the porosity， average pore size and porosity of porous concrete specimens increased with the size of aggregate. Compared with gravel， the porosity and average aperture of pebble porous concrete were slightly smaller， and the connected porosity is slightly higher. The longer the vibration time， the lower the porosity and the smaller the average aperture， but the change is not obvious with the increase of time. In contrast， the internal porosity distribution of the sample was worse than that of the vibration method， and the connected porosity of the sample was higher than that of the vibration method. Compared with aggregate volume ratio， aggregate type and forming technology， aggregate grade pair pore state had the most significant influence.

Keywords： Industrial CT Scanning Technology;porous concrete;porosity;aggregate;forming process

多孔水泥混凝土作為一種新型生態混凝土材料是國內外研究混凝土材料的熱點，因其具有大量孔隙且孔隙狀態不一而形成較好的吸聲、排水、抗滑以及生態環保等性能[1-5]。對多孔水泥混凝土內部結構模型進行的研究較多，其中最為合理的一種研究為[6]粗骨料充當骨架，水泥凈漿或砂漿作為膠結材料覆蓋于粗骨料表面，使粗骨料緊密連接且形成良好孔隙。

部分研究發現，多孔水泥混凝土在粗骨料用量80%、細骨料用量20%條件下，所得試件透水性能大增，測得孔隙率以及內部孔隙狀態良好[7]。當增加水泥用量，多孔水泥混凝土內部孔隙狀態變化較大，孔隙率減少8%～10%[8]。粗骨料作為多孔水泥混凝土主要組成部分，其變化亦會引起孔隙狀態的較大波動。因此，對比碎石與卵石兩種骨料作為粗骨料試驗發現[9]，由于碎石表面易于裹覆水泥砂漿等膠結材料，因此碎石骨料多孔水泥混凝土所得抗壓強度與其孔隙率之間具有良好的相關性;卵石制備試件內部孔隙狀態較差，所得抗壓強度與孔隙率之間相關性不佳。與普通混凝土相同之處在于，水灰比對多孔水泥混凝土強度以及其內部孔隙狀態均有較大影響[10]。

當前研究多數為針對多孔水泥混凝土力學性能以及其內部孔隙率的研究，而對于其內部孔隙狀態、孔隙大小等尚未提及。本文主要采用工業CT掃描技術，從骨料、成型工藝等多個因素對多孔水泥混凝土內部孔隙狀態展開研究。

1 試驗

1.1 原材料

1.1.1 水泥。本試驗選用祁陽海螺普通硅酸鹽42.5基準水泥，其基本參數為：比表面積為340m2/kg，密度為3.12g/cm3。具體化學分析及組成如表1所示。

1.1.3 水。水采用普通自來水。

1.2 孔隙狀態的獲得

試驗采用工業CT掃描系統。為避免掃描圖像模糊，將成型試件二等分切割;為減小邊壁效應的影響[11]，掃面位置分別在距離試件上表面40、50、60、70、80、90、100mm及110mm處，如圖1所示。采用“Magic Eye ICT”軟件進行圖像處理工作，圖像中白色代表骨料，黑色代表孔隙，兩者之間的灰色表示其中的硬化漿體，設定灰度值，計算其孔隙率，如圖2所示。取8處不同位置CT切片圖像孔隙率的平均值，視該平均值為試件的孔隙率。軟件Image Pro Plus作為進一步處理圖像的工具，可將掃描到的圖像轉化為等面積的圓，以轉換后圓的直徑大小代表該掃描孔徑尺寸，如圖3所示。

2 結果與討論

2.1 骨料級配

表3為四種不同級配下多孔水泥混凝土的孔隙率及平均孔徑尺寸，從級配1至級配4，測得孔隙率持續增大，其原因在于骨料級配不同，其堆積密度也不相同，制備的多孔水泥混凝土孔隙率隨之不同，且試件孔隙率呈現增長趨勢。四種骨料級配變化，則多孔水泥混凝土內部骨料粒徑變化較大;骨料粒徑逐步增大，骨料間距越來越大，所形成的內部孔隙不僅增多，且孔隙直徑變大，即連通孔隙增多。圖4為四種級配下多孔水泥混凝土內部不同孔徑的孔隙所占比例。由圖4可知，骨料級配由級配1到級配4變化時，多孔水泥混凝土內部孔隙率越來越大，同時連通孔隙亦同步增多。

2.2 骨料體積比

骨料體積比變化，多孔水泥混凝土內部孔隙狀態隨之變化。由表4可知，體積比越大，多孔水泥混凝土內部孔隙率越大，且孔隙率增漲幅度越來越高;當體積比達到0.98時孔隙率增大最多。結合試驗過程分析該變化規律原因可知，多孔水泥混凝土中粗骨料所占比例較高，體積比增大，則剩余材料中水泥用量必然減少，即膠結材料不斷減少。多孔水泥混凝土理想模型中，膠結材料減少勢必導致骨料表面的包裹層變薄，同時骨料之間起連接和膠結作用的黏結點減少;隨著骨料體積比的增大，試件內部骨料僅達到互相搭接但無法形成緊密黏結的程度，其孔隙率逐步增大，連通孔隙等增多，如圖5所示;然而其抗壓強度大幅度降低，不足以提供有效的強度支撐。在多孔水泥混凝土體積比變化試驗中所分析體積比增大最終導致形成孔隙率增大，連通孔隙增加，進一步佐證骨料級配變化對多孔水泥混凝土內部孔隙狀態試驗中所得結論。

2.3 骨料種類

試驗中對比玄武巖碎石與河卵石兩種粗骨料制備多孔水泥混凝土試件性能。觀察表5試驗數據可知，卵石骨料制備多孔水泥混凝土孔隙率明顯低于碎石制備多孔水泥混凝土孔隙率。結合試驗過程分析可得，碎石與卵石兩種骨料表面質地差異較大，碎石棱角多且表面粗糙，紋理復雜，而卵石多數為橢圓體。對比兩種骨料可知，當多孔水泥混凝土成型時，水泥漿體更加容易覆蓋于碎石骨料表面;而卵石光滑不易使漿體滯留，造成其沉積于骨料間隙中，阻礙部分連通孔隙的形成，因此所得連通孔隙率較小。

根據圖6數據分析，碎石多孔水泥混凝土內部平均孔徑為9.66mm，而卵石多孔水泥混凝土內部平均孔徑與前者相比降低1.82mm。碎石多孔水泥混凝土內部孔徑大小以10～12mm為主，10mm以上的孔隙占75.6%左右;卵石多孔水泥混凝土內部孔隙主要集中在8～10mm，10mm以上的大孔徑孔隙占總孔隙的44%。因此，骨料種類不同，多孔水泥混凝土內部不同孔徑孔隙所占比例不同。

2.4 成型工藝

成型工藝不同，多孔水泥混凝土內部孔隙狀態表現出不同變化。表6為使用三種不同成型工藝即插搗法、振動15s以及振動30s分別測試其孔隙率、平均孔徑及連通孔隙率。當采用插搗法時，多孔水泥混凝土的孔隙率為32.5%;采用振動15s和振動30s方法時，多孔水泥混凝土的孔隙率分別降低4.8%和6.9%。振動法所制備的多孔水泥混凝土的孔隙率比插搗法的低。這是因為采用振動法制備多孔水泥混凝土時，振動頻率快，骨料顆粒在振動條件下不斷運動，空間位置分布變換，堆積緊密，部分漿體脫離骨料表面而沉積于骨料間空隙造成堵塞。此外，隨著振動時間越來越長，骨料顆粒振動加劇，其表面覆蓋的漿體脫落沉積于底部阻塞孔隙，所得連通孔隙率減少，因此采用振動30s成型后的多孔水泥混凝土比振動15s成型的孔隙率小。圖7為不同成型工藝下孔隙大小比例，不同成型工藝所得試件內部孔隙尺寸大小顯著不同。當以插搗法成型時，所制得試件內部孔隙以8～10mm孔徑居多，其比例為27.3%，大孔隙亦占據相當一部分，即孔徑在10mm以上孔隙為42%;振動15s成型與振動30s成型所得試件內部觀測到孔隙孔徑分別主要集中在6～10mm、4～10mm，后者孔徑以4～6mm為多數。因此，多孔水泥混凝土插搗成型孔隙率較大，振動成型隨振動時間延長試件更加密實，孔隙率較低。

3 結論

①骨料級配是影響多孔水泥混凝土孔隙狀態的關鍵因素。隨骨料粒徑增大，多孔水泥混凝土試件內部孔隙率、平均孔徑大小以及孔隙連通狀態整體呈增長趨勢;體積比增大，骨料用量增加，多孔水泥混凝土內部形成較多孔隙，且以連通孔隙為主。

②與碎石相比，卵石多孔水泥混凝土孔隙率和平均孔徑略小，連通孔隙率略高，且骨料種類不同，多孔水泥混凝土內部不同尺寸孔隙多少不一。較之碎石試件，卵石多孔水泥混凝土試件內部孔隙率及平均孔徑略小，連通孔隙率略高。

③采用插搗法所得多孔水泥混凝土內部孔隙分布均勻性不佳，但具備一定的連通孔隙;振動成型試件隨振動時間延長內部更加密實，孔隙率減小且連通孔隙形成概率降低，平均孔徑減小，但變化并不明顯。

參考文獻：

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