輔助振搗后自密實重晶石混凝土表面氣孔特征

姚建華，顏 維,王進峰

(蘇交科集團檢測認證有限公司，江蘇 蘇州 215000)

自密實重晶石混凝土因其良好的防輻射性能在核電站項目中有著廣泛的應用前景。但施工時因自密實重晶石混凝土骨料較重、膠凝材料用量高、砂率高[1]等特點，易產生氣孔附著在混凝土的表面，不僅影響了混凝土結構的美觀，同時還對混凝土的耐久性產生了重要的影響。

田培云、張武宗等[2-3]研究表明為了獲得表面質量較好的自密實混凝土，可以適當犧牲一些混凝土的流動性，采用輔助振搗的技術幫助混凝土排出氣泡。胡俊等[4]研究表明，在振搗過程中，通常通過調整振搗的時間、頻率等因素來觀察不同輔助振搗情況下混凝土表面氣孔的變化情況。孟書靈[5]研究表明在振搗10 s時自密實清水混凝土的表面性能達到最好。輔助振搗對自密實混凝土表面氣孔的影響研究正在逐步展開，但關于輔助振搗對自密實重晶石混凝土表面氣孔影響的研究尚未展開。因此探究輔助振搗對自密實重晶石混凝土表面氣孔的影響顯得十分重要。

為了研究不同振搗狀態下混凝土表面氣孔的變化情況，本文采用25振搗棒以不振搗、電壓70 V時間8 s的振搗以及電壓100 V時間10 s的振搗進行試驗，采用數碼相機對不同方式成型的混凝土試塊表面進行拍照，獲得混凝土表面圖像，并結合圖像分析軟件Image-pro Plus對混凝土表面氣孔進行分析處理，以獲得混凝土在不同振搗方式下其表面氣孔的表面積、數量、孔徑等變化特點。

1 試驗設計

1.1 原材料

水泥為P.O42.5硅酸鹽水泥；粗骨料為衡陽產的重晶石，5 mm～20 mm連續級配，表觀密度為4 089 kg/m3；細骨料為衡陽產的重晶石砂，細度模數為2.8，表觀密度為4 148 kg/m3；外加劑為衡陽某建材廠生產的高效聚羧酸減水劑；粉煤灰為湖南耒陽電廠的Ⅱ級粉煤灰。

1.2 混凝土配合比

試驗設計混凝土強度為C30，基于文獻[6]研究，并結合試驗原材料的情況試配調整自密實重晶石混凝土配合比參數：水膠比(質量比)為0.37，砂率46%，粉煤灰用量25%，詳細配合比見表1。

表1 自密實重晶石混凝土試驗配合比

1.3 試驗方法

按GB/T 50080—2016普通混凝土拌合物性能試驗方法標準，進行混凝土的坍落度、擴展度、T500及V形漏斗實驗，得到自密實重晶石混凝土流動性參數，詳見表2，滿足《自密實混凝土應用技術規程》中自密實混凝土坍落擴展度550 mm～650 mm，T500時間2 s～5 s以及V形漏斗時間5 s～25 s的規定。

表2 自密實重晶石混凝土工作性能試驗數據

為了觀察不同面積混凝土表面狀況，一組試樣采用尺寸為100 mm×250 mm×300 mm塑料模具，另外兩組試樣采用150 mm×150 mm×150 mm的標準模具。輔助振搗振搗棒為手提式25振搗棒，正常振動(簡稱ZD)設置電壓為70 V、振搗時間為8 s，過振(簡稱GZ)設置電壓為100 V、振搗時間為10 s，不輔助振搗(簡稱BZ)的試樣作為對照。試塊養護24 h后脫模，并標準養護28 d，然后采用數碼相機對混凝土的表面進行拍照，其中BZ1組、ZD1組和GZ1組試塊尺寸為100 mm×250 mm×300 mm，BZ2(3)組、ZD2(3)組和GZ2(3)組試塊尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，100 mm×250 mm×300 mm試樣拍250 mm×300 mm底 面圖像見圖1～圖3，150 mm×150 mm×150 mm試樣拍150 mm×150 mm側面圖像見圖4～圖6。考慮振搗棒作用半徑的影響，100 mm×250 mm×300 mm試樣取中心150 mm×150 mm表面進行圖像處理，其余6組均為150 mm×150 mm×150 mm標準立方體試塊測試結果。

2 Image-pro Plus 圖像分析法

采用Image-pro Plus 6.0軟件對數碼相機拍攝的圖片進行分析處理，具體處理流程為：圖像的獲取→圖像的增強→圖像的二值化→圖像的分割→計算參數的選定與測量→進行數據分析[7-8]。

2.1 圖像的獲取

采用數碼相機對不振時的自密實重晶石混凝土試塊表面進行拍照，獲取原始圖像(見圖7～圖9)。為了使測量更加精確，對圖片進行格式的轉化，得到混凝土試塊表面的RGB圖像，如圖10～圖12所示。

2.2 圖像的增強

雖然在圖像獲取階段自密實重晶石混凝土試塊表面氣孔的對比度已經有所提升[9]，但為了進一步提高測量的精度[10]，需通過進一步調整圖像的對比度和亮度對圖像進行增強處理，增強后的不振的混凝土試塊表面氣孔圖像如圖13～圖15所示。

2.3 圖像的二值化

即使在圖像增強階段自密實重晶石混凝土試塊表面氣孔的對比度已經有很大程度提升[11]，但由于混凝土試塊表面氣孔和非氣孔處顏色差異不大，故其表面的微小氣孔仍然較模糊[12]。然而，通過二值化可以使混凝土的表面形成非黑即白的極端顏色(見圖16～圖18)，并且通過二值化可以提高軟件的計算精度，使得測量更加精確。

2.4 圖像尺寸的標定

在進行測量前，需要對圖像進行定標尺的操作。若不進行定標尺，測量的數據則會以像素為單位，然而，定標尺操作后能得出所測量圖像的實際長度值。選定混凝土試塊上一條長度為20 mm的標尺線，打開尺度校正窗口，新建長度為20 mm的標尺，這樣測出的即為實際氣孔數值。

2.5 選取測量參數并測量

利用Irregular AOI自動拾取測量混凝土的邊界[13]，同時去除邊界氣孔，避免其他因素引起誤差。首先選擇混凝土試塊的表面積、數量、直徑等氣孔參數，并完成參數的設定，然后選擇測量區域，完成后即導出數據。具體操作如圖19～圖24所示。

3 試驗數據分析

選取BZ1,ZD1,GZ1組300 mm×250 mm底面中心的150 mm×150 mm及BZ2,BZ3,ZD2,ZD3,GZ2,GZ3組150 mm×150 mm側面進行拍照，并進行Image-pro Plus測試，在不同振搗方式下的測試結果如表3所示。

表3 不同振搗方式下氣孔測量數據

3.1 氣孔面積分析

在不同輔助振搗方式下，自密實重晶石混凝土表面氣孔的面積隨振搗方式的變化如圖25,圖26所示。

由圖25，圖26可知，經輔助振搗技術處理后，大試塊混凝土表面大于0.1 mm2的氣孔面積從263.9 mm2下降至51.4 mm2,降低率為80.5%，而大于1 mm2大孔面積從95.16 mm2下降至8.28 mm2，降低率為83.56%。結果表明，適當的對自密實重晶石混凝土進行輔助振搗有利于提升混凝土的表觀質量，但當過振時混凝土的表觀質量又會降低。混凝土試塊表面狀況得到明顯改善，但當過振時混凝土表面氣孔面積卻會不斷增大，這是因為成型過程中混凝土截留了部分空氣, 自密實重晶石混凝土內部未完全自密實或混凝土狀態不好離析時無法將這部分空氣排出, 由于振搗及混凝土流變特性, 空氣集中聚集在混凝土的表面，最終在混凝土表面形成氣孔。

3.2 氣孔數量分析

不同輔助振搗方式下自密實重晶石混凝土表面氣孔的數量變化如圖27,圖28所示。

由圖27，圖28可知，通過輔助振搗技術處理后，大試塊混凝土表面氣孔面積大于0.1 mm2的氣孔數量從723下降到167,降低率為76.9%，而大于1 mm2的大孔數量從88下降至6，降低率為93.2%。結果表明，隨著輔助振搗時間及頻率的加大，混凝土表面氣孔的數量先降低后增加。產生此現象的原因是：雖然輔助振搗可以有效的排出混凝土中的氣孔，使得混凝土表面氣孔的數量急劇下降；但是過振會導致自密實混凝土的離析，進而形成麻面等表面質量缺陷，因此導致混凝土表面氣孔的數量增大。

3.3 氣孔直徑分析

不同振搗方式下自密實重晶石混凝土表面氣孔的孔徑變化如圖29,圖30所示。

由圖29，圖30可知，通過輔助振搗技術處理后，大試塊混凝土表面氣孔的平均孔徑從0.48 mm降低至0.41 mm，下降了14.6%，且從最大孔徑變化可以看出，最大孔徑從4.59 mm降低至1.82 mm，降低了60.3%。這說明輔助振搗技術有效的排出了混凝土中的空氣，使得混凝土中的氣孔直徑整體趨于變小。但根據圖中我們可以發現當過振的時候，雖然混凝土的平均孔徑降低了，但是最大孔徑卻明顯增加。這是因為，當過振的時候，混凝土會產生較大的離析，致使混凝土的表面形成了大量的蜂窩麻面，當這些蜂窩麻面相互貫通時，混凝土表面就會形成較大的氣孔。

3.4 不同大小試塊表面氣孔狀況對比

不同振搗方式下混凝土表面氣孔占比情況如圖31所示。

由圖31可知，三種不同振搗方式下混凝土表面氣孔占比尺寸均為100 mm×250 mm×300 mm的試塊表面效果好于尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的混凝土試塊。原因是150 mm×150 mm×150 mm的混凝土試塊尺寸較小，模具的邊緣會因振搗棒的作用而產生能量反射，加劇混凝土的離析，從而導致混凝土的表面效果較尺寸較大的試件有所降低。

4 結論

1)研究表明，Image-pro Plus軟件可以有效的對自密實重晶石混凝土表面氣孔狀況進行量化分析。

2)Image-pro Plus量化分析結果表明輔助振搗可以有效降低自密實重晶石混凝土表面氣孔的面積以及數量，改善混凝土的表面狀況。

3)隨著輔助振搗時間和電壓的增大，自密實重晶石混凝土表面氣孔的面積、數量、最大孔徑呈先減小后增大趨勢，且氣孔的平均直徑一直降低。采用25振搗棒進行輔助振搗時，當電壓為70 V，輔助振搗時間為8 s時混凝土表面氣孔狀況最優，氣孔面積占比僅為0.228%。

4)100 mm×250 mm×300 mm模具混凝土表面氣孔的提升效果比150 mm×150 mm×150 mm模具提升效果更好，表明輔助振搗對自密實重晶石混凝土表面氣孔的提升效果在大面積混凝土施工時效果更佳。