基于齡期變化的混凝土氣孔結構與抗壓強度的相關性分析

（甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司，甘肅 蘭州 730070）

在細微觀層次上，可以把混凝土看作一種復雜的骨料-界面-水泥漿三項復合體系，材料性能和細觀結構不可避免地成為影響混凝土宏觀性能的最直接因素[1]。然而，細微觀結構往往隨著養護環境、外加劑等因素表現出多樣化的分布狀態，混凝土的外在性能也隨著不同的細微觀結構分布呈現出較大差異性。國內外對混凝土氣孔結構與外在性能的關系進行了大量研究，主要包括混凝土的力學性能、抗凍性能與氣孔結構等的關系。JAMBOR等[2]研究了混凝土氣孔結構與強度之間的關系，結果表明，混凝土的強度除了與原材料的性能有關外，還取決于其氣孔結構的分布狀態，包括孔隙率、孔尺寸和孔形狀等；Kearsley[3]分析了孔隙率對混凝土強度的影響規律，并嘗試對多孔材料孔隙率與強度之間的關系做了定量分析；馮慶革等[4]對混凝土的孔徑分布與抗壓強度之間關系的研究表明，小孔含量與抗壓強度之間的關系更高；方永浩[5]、李永鑫[6]等研究了特殊膠凝材料的氣孔結構特征與抗壓強度之間的關系。抗壓強度作為混凝土力學性能的一種外在表現，受水膠比、添加劑、振搗方式及養護方式等的影響，而氣孔特征參數則是表征混凝土內部特征的尺度，在不同的水膠比、添加劑等條件下會表現出一定的變化趨勢。因此，對混凝土整體而言，其內部氣孔結構與外在性能之間必定存在一定的相關性。

1 數據采集

混凝土是一個涉及諸多因素的整體，在原材料、水膠比等初始條件一定時，養護條件、外加劑等因素對其的影響會通過混凝土的氣孔結構體現出來。目前，對混凝土氣孔特征的評價指標主要有孔隙率、孔徑分布、孔級配、孔形貌和不同尺寸孔的空間排列等[5]，均能在一定程度上體現混凝土的外在性能。因此，在表征氣孔結構特征的諸多參數中選取合理的參數，是研究氣孔結構與抗壓強度關系的一個重點。有研究表明，表征硬化混凝土氣孔特征體系的主要參數有三個，即氣孔間距系數、氣孔平均直徑和孔隙率[7]。氣孔間距系數指水泥石中的任一氣孔和相鄰任一氣孔球面之間的最大距離[8]，是表征硬化混凝土氣孔體系特征的三個主要參數中最重要的[9]，其在一定程度上能夠表征混凝土氣孔的大小規律與氣孔結構的分布狀態。孔隙率在一定程度上體現的是混凝土氣孔含量的多少，其與混凝土的抗壓強度之間往往存在負相關的關系。就表征混凝土氣孔級配的分布狀態的參數，本文選取了氣孔平均弦長。由于混凝土的氣孔總是以一種級配的形式存在，因此氣孔平均弦長越大，表示混凝土大孔徑的孔含量越多，反之則表示小孔含量更多。

混凝土氣孔特征參數的采集采用孔結構分析儀，試驗數據見表1所示。其中，“A”表示標準養護下的混凝土140d內的試驗結果，P1至P4分別為孔徑d＜20μm，20μm＜d＜100μm，100μm＜d＜200μm，d＞200μm的孔含量，即不同孔徑的孔隙率。

表1 氣孔特征參數與抗壓強度試驗結果

2 抗壓強度及氣孔結構的變化分析

水泥的水化過程是一個復雜的化學反應過程，當溫度、原材料等條件恒定時，反應時間（即養護齡期）對混凝土而言就是一個重要的影響因素。有研究表明，無論宏觀的力學性能，還是微觀的孔隙結構，都會在不同的測試齡期下表現出相當的差異[10-11]。圖1和圖2給出了標準養護下抗壓強度、孔隙率、氣孔間距系數、氣孔平均弦長隨養護齡期的變化情況。從圖中可以看出，隨著養護齡期的增大，混凝土抗壓強度逐漸增大，直至趨于穩定，具體表現為早期增長速率大，后期增長速率小，大概經歷了初始增長、加速增長、穩定增長三個階段[12]；氣孔間距系數隨著齡期的增長則呈現出增大的趨勢，與之相反的是總孔隙率與氣孔平均弦長呈現出逐漸減小的變化趨勢，這是因為在混凝土養護過程中，早齡期內的混凝土內部的自由水更多，單個水泥分子周圍的水分子更多，水化反應更加劇烈，抗壓強度增長快，氣孔結構表現為較為不利的狀態。隨著混凝土養護齡期的增大，混凝土內部的水化反應程度越高，抗壓強度越大，孔徑朝著小孔徑的方向發展，氣孔平均弦長變小，氣孔間距系數變大，最終表現出混凝土由一種松散的混合物體系轉變為骨料-界面-水泥漿三項復合體系。

圖1 抗壓強度隨齡期的變化

圖2 氣孔特征參數隨齡期的變化

3 抗壓強度與氣孔結構的相關性分析

3.1 抗壓強度與孔隙率的相關性分析

圖3給出了抗壓強度隨總孔隙率的變化曲線。從圖中可以看出，隨著孔隙率的增大，抗壓強度逐漸減小。孔隙理論認為混凝土作為一種多孔材料，孔隙率是其抗壓強度的主要決定因素[14]。混凝土的孔隙率越大，其內部的相對受力面積就越小，單位面積承受的壓力就越小，在宏觀層面表現為抗壓強度隨著孔隙率的增大而越小。許多學者對孔隙率、氣孔孔徑大小與抗壓強度之間關系的研究得出了一些經驗公式[15-16]。公式（1）對本實驗的結論擬合更好，這也符合公式（1）對較小孔隙率的混凝土有較好的擬合性，而公式（2）更適合較高孔隙率的混凝土[17]。

其中，fc-混凝土的抗壓強度，p-混凝土的孔隙率，fc,0-假設混凝土孔隙率為零時的抗壓強度，p0-假設抗壓強度為零時混凝土的孔隙率，m、n均為與孔隙形狀、大小等有關的經驗系數。

圖3 總孔隙率與抗壓強度的關系

圖4給出了不同孔徑的孔含量（即不同孔徑的孔隙率）與抗壓強度之間的關系。從圖中可以看出，隨著P1含量的增大，混凝土的抗壓強度會有一定的增大；隨著P2、P3、P4含量的增大，混凝土的抗壓強度會有一定的減小；抗壓強度隨P1、P2的變化趨勢要大于P3和P4，且P4的變化趨勢較P3也略大。這說明混凝土內部的孔徑分布狀態確實對力學性能造成影響，即小孔含量越多，抗壓強度越大，反之則越小；不同孔徑的孔含量對抗壓強度的影響程度不同：小孔徑的孔（d＜20μm）含量越多時，抗壓強度較大，而大孔徑的孔（d＞20μm）較多時，抗壓強度較小，但是當大孔徑的孔（d＞200μm）含量較多時，其對抗壓強度的影響也變得顯著起來。此外，有研究表明，當混凝土的總孔隙率相近時，小孔徑的孔所占比例越大，氣孔與骨料的間距就會減小，骨料與水泥漿體界面過渡區Ca(OH)2晶體富集量也會減小，Ca(OH)2晶體取向指數減小，從而使混凝土的界面過渡區寬度減小，混凝土的抗壓強度就會越高[18]。

圖4 孔徑分布與抗壓強度的關系

3.2 抗壓強度與氣孔結構的相關性分析

圖5(a)、(b)是抗壓強度隨氣孔間距系數及氣孔平均弦長的變化規律。從圖中可以看出，氣泡間距系數和氣泡平均弦長隨抗壓強度的變化表現出較大的離散型。這是因為混凝土是一種多孔材料，其氣孔結構特征除了與外加劑、養護方式有較大關系外，還與其自身的施工工藝有關，攪拌振搗運輸等過程的差異都會對混凝土的氣孔分布狀態、不同孔徑的氣孔含量有較大的影響[19]。通過對氣泡間距系數、氣泡平均弦長與抗壓強度的散點分布圖進行擬合分析，結果表明，抗壓強度與氣泡間距系數之間為正相關關系，與氣泡平均弦長之間為負相關關系。這說明混凝土的強度值越大，氣泡間距系數也越大，氣泡平均弦長則越小。結合圖3還可以看出，抗壓強度與總孔隙率之間的相關性比其與氣泡間距系數、氣泡平均弦長的相關性明顯，這也說明孔隙率對抗壓強度的影響要遠大于氣泡間距系數、氣泡平均弦長。

圖5 抗壓強度與氣孔結構的關系

3.3 氣孔結構特征的權重分析

為了更加具體地研究混凝土氣孔特征參數與抗壓強度之間的關系，對混凝土的孔隙率、氣孔間距系數、氣孔平均弦長與抗壓強度之間的相關系數進行了計算，結果如表2所示。相關系數是不同數據序列之間相關程度的量化體現[20]，其值恒在[-1,1]之間。其值為正表示比較序列與參考序列之間為正相關關系，為負則表示比較序列與參考序列之間為負相關關系；絕對值越大，表明比較序列與參考序列的相關性越大，反之則表明比較序列與參考序列的相關性越小。從表中可以看出，就氣泡特征參數而言，氣孔間距系數與抗壓強度之間的相關系數均為正，且系數并不大，這說明隨著抗壓強度的增大，氣孔間距系數的發展趨勢會表現出一定程度的增大；總孔隙率、氣孔平均弦長與抗壓強度之間的相關系數均為負，并且相關系數也有一定的差距，這表明孔隙率、氣孔平均弦長與抗壓強度的發展趨勢相反，其中總孔隙率對抗壓強度的影響更明顯。就孔徑分布而言，P1相關系數為正，其余相關系數基本為負，這表明在總孔隙率一定時，小孔(d＜20μm)含量越多，抗壓強度越大，較大的孔(d＞100μm)越多，抗壓強度降低越明顯，而孔徑在20μm～100μm之間的孔含量雖然會對強度有影響，但并不明顯。

表2 相關系數計算結果

4 結論

通過對混凝土的氣孔特征參數與抗壓強度及孔徑分布與抗壓強度之間相關性的分析，得出以下結論：

1)由于養護齡期會改變混凝土內部水泥的水化程度及自由水含量，導致混凝土氣孔結構會發生顯著變化。在水膠比一定的條件下，混凝土內部水泥的水化程度越大，自由水含量越少，由于自由水聚集形成的孔及自由水遷移形成的孔隙就會相對減少，氣孔結構進一步朝著小孔徑的方向移動。于是，氣孔平均弦長與孔隙率會相對減小，氣孔間距系數會相對增大。

2)表征混凝土氣孔結構特征的三個參數中，孔隙率對抗壓強度的影響很大，變化趨勢也最明顯，孔隙率越大，抗壓強度越低；由于混凝土振搗等過程中的差異性，氣孔間距系數、氣孔平均弦長與抗壓強度之間的相關關系則相對不明顯。通過分析可知，氣孔間距系數與抗壓強度發展趨勢相同，氣孔平均弦長與抗壓強度發展趨勢相反。

3)孔徑分布與混凝土的抗壓強度之間也存在較明顯的相關性，不同孔徑的孔含量對抗壓強度的影響不同，具體表現為小孔徑的孔(d＜20μm)越多，對抗壓強度越有利，而較大孔徑的孔(d＞100μm)越多，抗壓強度降低越明顯，此外，孔徑在20～100μm之間的孔含量對抗壓強度的影響較小。