基于X-CT的蒸養大摻量礦物摻合料砂漿孔結構

郭玉柱, 陳徐東, *, 寧英杰, 陳育志

（1.河海大學 土木與交通學院, 江蘇南京 210098；2.浙江交工集團股份有限公司, 浙江杭州 310051；3.金陵科技學院 建筑工程學院, 江蘇 南京 211169）

蒸汽養護（蒸養）是混凝土預制構件工業化生產中一種常用的養護方式[1］.高溫、高濕度的蒸養環境不僅可以加速膠凝材料水化反應和微觀結構的形成, 使蒸養混凝土預制構件具有較高的早期強度[2］, 而且可以有效提高混凝土預制構件的生產率.但是, 過快的水化反應速率會使膠凝材料在局部形成致密的殼狀水化產物, 造成水化產物的不均勻分布[3-4］.Lothenbach等[5］的研究也表明, 水化產物的不均勻分布和鈣礬石含量的減少增加了蒸養混凝土中的毛細氣孔數量.因此, 由蒸養過程造成的熱損傷會導致混凝土孔結構的劣化[6］, 甚至影響工程結構的耐久性[7］.

礦物摻合料的火山灰效應可以改善混凝土孔結構, 從而降低蒸養過程中造成的熱損傷[8-10］.粉煤灰-礦渣粉復摻體系不僅能有效降低膠凝材料水化熱, 改善混凝土的微觀結構, 而且可以保證混凝土構件在蒸養后達到足夠的強度[11-12］.此外, 后續養護中保證足夠的濕度也可以改善蒸養階段對混凝土微觀結構造成的不利影響[13］.為了提高預制混凝土構件蒸養質量, 保證工程結構的耐久性, 研究高溫蒸養以及后續養護方式對蒸養大摻量礦物摻合料砂漿孔結構的影響具有重要的工程意義.

然而, 目前關于高溫蒸養及后續養護方式對大摻量礦物摻合料砂漿孔結構影響的相關研究較少.X射線計算機斷層掃描（X-CT）是一種具有較高分辨率的無損檢測技術, 能清晰直觀地檢測砂漿內部細觀孔隙分布和孔隙形態[14］, 可用于蒸養砂漿孔結構的分析.本研究以80℃下恒溫蒸養12 h的大摻量礦物摻合料砂漿作為研究對象, 后續養護制度采用自然養護、標準養護（標養）和水養3種方式, 同時設置全程標養砂漿作為對照組.基于X-CT技術對各養護制度下的砂漿孔結構特征進行了分析, 并將孔隙參數與砂漿的宏觀力學性能建立了聯系, 研究結果可以為改善蒸養混凝土的性能提供有益參考.

1 試驗

1.1 原材料及配合比

C50是預制構件混凝土最常見的強度等級之一, 摻加礦物摻合料可以降低混凝土成本且對其耐久性有利, 因此大摻量礦物摻合料混凝土用于生產混凝土預制構件具有極大優勢.高溫蒸養會使水泥砂漿孔結構劣化, 這是其不利影響的主要表現形式之一.而X-CT的高精度掃描需要樣品體積足夠小, 為了避免粗骨料的存在對小體積樣品均勻性的影響, 本試驗設計了C50強度等級的大摻量礦物摻合料砂漿, 對其進行蒸養和孔結構研究.

水泥采用海螺牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥, 礦物摻合料為S95粒化高爐礦渣粉, 粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰, 砂子采用細度模數為2.6的河砂, 水為實驗室自來水, 減水劑采用聚羧酸高效減水劑.砂漿配合比為m（水泥）∶m（礦渣粉）∶m（粉煤灰）∶m（砂子）∶m（水）∶m（減水劑）=250.0∶150.0∶100.0∶1 350.0∶160.0∶3.5.膠凝材料的化學組成見表1.砂子的粒徑級配如圖1所示.

表1 膠凝材料的化學組成Table 1 Chemical composition of cementitious materials w/%

圖1 砂子的粒徑級配Fig.1 Grading curve of sand particle size

1.2 蒸養制度

參照GB/T 17671—2021《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》拌制砂漿, 將攪拌均勻后的砂漿裝入尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的鋼模中振搗成型.對于成型后的砂漿, 其中1組放入標養箱內進行標養（編號為SD）, 另外3組放入蒸養箱內進行蒸養.蒸養制度的制定主要考慮2個因素：一方面考慮實際生產過程中為了加快模具的循環利用, 應盡量在24 h之內結束整個蒸養過程；另一方面考慮預制構件后續預應力的張拉要求, 在蒸養結束后強度應盡量達到設計強度的70%左右, 這樣可以實現在拆模后2～3 d內進行預應力張拉工序.最后, 通過預試驗確定了基本滿足上述需求的蒸養制度, 即：20℃下靜置3 h、升溫2 h、80℃下恒溫12 h和降溫2 h共4個階段, 如圖2所示.蒸養結束的砂漿在1 h內拆模, 然后分成3組分別進行自然養護（編號為ST-NA）、標養（編號為ST-SD）和水養（編號為ST-WA）.

圖2 蒸養制度Fig.2 Steam curing system

1.3 抗壓強度測試

參照GB/T 17671—2021標準, 采用萬測微機控制電子萬能試驗機對各養護制度下砂漿1、3、7、14、28 d齡期的抗壓強度進行測試.

1.4 X-CT測試

X-CT掃描采用德國Vtomexs微焦點X-CT系統, 設置電壓為120 kV, 電流為150 μA, 功率為18 W.砂漿養護28 d后取樣進行X-CT掃描, 樣品采用邊長20 mm的立方體, 獲得的2D圖像分辨率為38.8 μm/體素, 像素數量為1 024×1 024.

由于射束硬化, CT圖像會出現中間黑、邊緣亮的偽影, 此時若直接通過一個固定的灰度閾值分割來提取孔隙, 將使CT圖像上較亮區域的部分孔隙被漏掉或者較暗區域的孔隙被過度放大.為了更好地對孔隙進行提取分割, 采用活動輪廓模型（active contour model）對圖像進行預處理.該方法是通過在目標周圍區域構造1條可變形的初始活動輪廓曲線, 并建立相應的能量泛函方程, 曲線在自身變形能和輪廓外部勢能的共同作用下, 通過最小化能量泛函, 使輪廓曲線收斂到目標圖像的邊緣, 找出最佳可能的邊界輪廓曲線[15］.初始活動輪廓曲線控制點上的能量函數Etot定義為[16］：

式中：Eint為內部能量, 控制著活動輪廓曲線的彈性變形；Eext為外部勢能, 外部勢能吸引活動輪廓曲線到圖像上的目標特征區域；s為歸一化弧長；v(s)=(x(s),y(s)), 為活動輪廓曲線控制點的二維坐標.

實際計算過程中, 常采用能量函數的離散方程來計算Etot[17］：

式中：vi為活動輪廓曲線上第i個離散的控制點；vivi-1為活動輪廓曲線控制點的1階導數；vi+1-2vi+vi-1為活動輪廓曲線控制點的2階導數；n為控制點數；α為彈力系數；β為強度系數.

利用歐拉方程求解能量函數的最小值：

式中：v″(s)、v(4)(s)分別為控制點在圖像空間中的2階微分和4階微分.

此時, 圖像分割問題轉化為變分問題, 在灰度數字圖像離散條件下, 通過構造線性方程組, 采用Matlab軟件進行迭代計算求解.通過活動輪廓模型分割出孔隙后, 對孔隙結構進行了三維重構, 并對孔結構特征進行了統計分析.上述CT圖像處理流程如圖3所示.

圖3 CT圖像處理流程Fig.3 CT image processing flow

2 結果與討論

2.1 孔隙率與抗壓強度

為了分析不同養護制度對大摻量礦物摻合料砂漿孔隙率的影響, 沿著豎直方向（z軸）由表及里對4種養護制度下砂漿的二維孔隙率進行了分析, 結果如圖4所示.由圖4可見, 蒸養制度對砂漿不同深度范圍的二維孔隙率產生了較明顯的影響.從ST-NA、ST-WA和ST-SD這3種砂漿二維孔隙率的變化趨勢可知, 高溫蒸養導致砂漿表層的孔隙率明顯變大, 二維孔隙率沿著砂漿z軸由表及里逐漸減小, 直至14 mm深度時基本趨于一致, 表明蒸養使其表層孔結構粗化, 這與文獻[18］的結論一致.而全程標養砂漿SD的二維孔隙率較為均衡, 孔隙率也最小.計算二維孔隙率的平均值可以得出砂漿的三維孔隙率, ST-NA、ST-WA、ST-SD和SD砂漿的三維孔隙率分別為2.41%、2.03%、2.09%、1.63%.對比蒸養后自然養護、標養和水養的砂漿孔隙率發現, 合理的后續養護制度對粗化后的孔結構有明顯改善作用.以全程標養砂漿的平均孔隙率為基礎, 蒸養后自然養護的砂漿孔隙率增大了0.78%, 而通過后續標養和水養, 砂漿孔隙率的增長值降低至0.40%、0.46%.這是由于后續標養和水養為膠凝材料的水化反應提供了必要的濕度和水分, 充分的水化反應生成了大量水化產物, 使砂漿的孔隙率明顯降低.

圖4 沿豎直方向的二維孔隙率Fig.4 2D porosity along vertical direction

4種養護制度下, 砂漿不同齡期抗壓強度測試結果如圖5所示.由圖5可見：80℃下恒溫12 h蒸養使砂漿的1 d抗壓強度增長到35.5 MPa, 達到了全程標養SD砂漿28 d抗壓強度的67.1%；而全程標養SD砂漿1 d抗壓強度僅僅達到了其28 d抗壓強度的30.5%.這是由于高溫蒸養使水泥水化反應速率加劇, 生成了堆積密度更加致密的C-S-H凝膠[19］；同時, 高溫蒸養促進了礦渣粉和粉煤灰的火山灰效應, 短時間內生成了更多的C-S-H凝膠[11, 20］.這種雙重促進作用使砂漿在蒸養后獲得了較高的抗壓強度.而全程標養條件下, 水化反應速率相對較慢, 礦物摻合料的活性也相對較低, 此時水化反應易生成絮狀或顆粒狀的C-S-H凝膠, 其聚合度低于蒸養條件下生成的蜂窩狀或網狀C-S-H凝膠[21-22］, 導致全程標養砂漿的早期強度明顯低于蒸養砂漿.對比ST-NA、ST-WA和ST-SD砂漿的強度增長規律還可以發現, 蒸養后的不同養護制度對砂漿后續強度的增長有明顯影響.ST-NA砂漿在后續自然養護過程中, 由于缺少膠凝材料水化反應所需要的濕度條件, 導致后續水化反應不充分, 其28 d抗壓強度最低.ST-WA和ST-SD砂漿的后續養護制度保證了充分的濕度, 更好地促進了膠凝材料的水化, 兩者后續強度增長明顯優于ST-NA砂漿.然而, 蒸養后不同后續養護制度下砂漿28 d抗壓強度均小于全程標養砂漿28 d抗壓強度.這是由于高溫蒸養砂漿的孔隙率較大, 密實度低于全程標養砂漿.

圖5 砂漿不同齡期抗壓強度Fig.5 Compressive strength of mortar at different ages

為了驗證砂漿孔隙率與抗壓強度的相關性, 在每個掃描的砂漿樣品中提取4個部位的代表體積元素（REV）, 計算其孔隙率, 并與對應砂漿28 d抗壓強度進行相關性分析, 如圖6所示.由圖6可見, 隨著孔隙率的增大, 蒸養砂漿的28 d抗壓強度線性降低, 文獻[23］也得到了相同的結論.

圖6 砂漿28 d抗壓強度與孔隙率的關系Fig.6 Relationship between 28 d compressive strength and porosity of mortar

2.2 孔徑分布

采用X-CT技術分析了不同養護制度下砂漿的孔徑分布特征, 結果如圖7所示.由圖7可見：與蒸養后自然養護相比, 蒸養后水養或標養均可有效減少蒸養砂漿中的微米級孔隙；與蒸養后標養相比, 蒸養后水養對孔隙直徑為100～250 μm的孔隙作用更明顯, 而當孔隙直徑大于250 μm時, 蒸養后標養的作用更明顯；對比蒸養砂漿與全程標養砂漿的孔徑分布可以發現, 蒸養有利于消除500 μm以上的大孔.

圖7 基于X-CT的孔徑分布圖Fig.7 Pore diameter distribution diagram based on X-CT

2.3 孔體積分布特征

為了從三維視角分析不同養護制度下砂漿的孔隙特征, 對砂漿孔體積分布特征進行了分析, 結果如圖8所示.根據圖8的孔體積-數量擬合結果, 4種砂漿的孔體積-數量關系在對數坐標下均符合單指數分布.當孔體積小于0.01 mm3時, 隨著孔體積的減小, 孔數量呈指數形式增加.圖8同時還統計了不同體積孔隙的累計總體積.由圖8可以看出：雖然統計范圍內孔體積處于10-4～10-2mm3的孔隙數量隨著孔體積的減小呈指數增加, 但是該范圍內孔隙的累計孔體積卻基本維持平穩, 處在0.02～0.20 mm3之間；當孔體積大于0.10 mm3時, 單個孔隙的體積占據了絕對優勢（單孔體積遠大于孔體積小于0.01 mm3的孔隙）, 累計孔體積在對數坐標下呈指數增加.

圖8 砂漿孔體積分布Fig.8 Pore volume distribution of mortars

2.4 球形度-孔體積特征

水泥基材料中的孔隙形態非常復雜, 并不都是圓形或橢圓形孔隙.為了評價養護制度對孔隙三維形態的影響, 采用球形度（S）對孔隙進行統計分析.孔隙的球形度是孔隙的表面積與孔體積對應的球體表面積之比[24］.根據球形度的大小可以對孔隙形態的不規則程度進行描述.球形度S的計算公式為[25］：

式中：V為孔隙三維體積；A為孔隙三維表面積.

圖9給出了砂漿孔隙球形度與孔體積的關系.由圖9可以直觀地看出, 絕大多數孔隙的球形度均大于0.6, 且各個體積范圍內均有球形度較大的孔隙, 而球形度較小的孔隙僅僅分布于孔體積較大的孔隙.

圖9 砂漿孔隙球形度與孔體積的關系Fig.9 Relationship between sphericity and pore volume of mortar

圖10為砂漿孔隙球形度分布圖.由圖10可知, 砂漿孔隙球形度在0.9～1.0區間分布最多, ST-NA、ST-WA和ST-SD這3種砂漿的孔隙球形度在該區間的占比均超過了50.0%, 分別為52.6%、55.9%、52.3%, 而全程標養砂漿SD在該區間的占比僅為40.8%.這說明蒸養可以使球形度在0.9～1.0區間的孔隙占比增加, 但是后續不同養護制度對蒸養砂漿孔隙球形度的分布并沒有明顯的影響.此外, 全程標養并沒有使砂漿孔隙球形度提高.

圖10 砂漿孔隙球形度分布Fig.10 Sphericity distribution of mortar pore

為了研究3種蒸養砂漿與全程標養砂漿孔隙球形度的區別, 采用箱線圖分析了孔隙球形度與孔體積的關系, 如圖11所示.圖11中IQR為四分位差, 分布在±1.5IQR以外的值為異常值.由圖11可以看出：砂漿的孔隙球形度與孔體積存在明顯的負相關關系, 文獻[26-27］對泡沫混凝土的研究也得出了類似的結論；與全程標養砂漿孔隙球形度統計結果的不同之處在于, 3種蒸養砂漿孔隙球形度分布中的異常值較多, 且異常值與均值的偏離度較大.這可能是蒸養導致砂漿性能劣化的原因之一.因此, 對于實際C50蒸養混凝土, 蒸養導致的孔隙球形度變化也可能是影響蒸養混凝土服役性能的原因之一.

圖11 球形度-孔體積關系箱線圖Fig.11 Box diagram of sphericity-pore volume relationship

3 結論

（1）相對于全程標養砂漿, 80℃下恒溫12 h蒸養會使砂漿孔隙率增大, 對砂漿的抗壓強度產生不利影響, 導致蒸養砂漿的28 d抗壓強度低于全程標養砂漿.蒸養后水養和標養對后續水化反應有促進作用, 可以有效降低蒸養砂漿的孔隙率, 有利于抗壓強度的增長.

（2）蒸養有利于消除500 μm以上的大孔, 蒸養后再水養或標養可以有效減少蒸養砂漿中的微米級孔隙.因此合理的后續養護制度對蒸養砂漿的孔結構改善具有重要意義.

（3）砂漿孔隙的孔體積與球形度存在明顯的負相關關系.孔隙的孔體積越小, 球形度越好, 而蒸養會使孔體積-球形度分布規律中的異常值增多, 這可能是蒸養導致砂漿性能劣化的原因之一.