基于CT技術的噴射混凝土粗骨料與孔隙分布規律研究

潘 剛,李春巋,雅各布·拉日諾夫斯基,托馬斯·齊克蒙德,彼得·奧伯塔,約瑟夫·凱澤,李鵬程,陳連軍

(1.山東科技大學 安全與環境工程學院,山東 青島 266590; 2.布爾諾理工大學 中歐理工學院,布爾諾 61200 捷克共和國;3.捷克科學院 物理研究所,布拉格 18200,捷克共和國)

噴射混凝土具有良好的耐久性和支護強度,但受工藝限制易發生回彈,導致混凝土粗骨料分布變化。粗骨料分布不僅影響混凝土的力學強度,對裂隙發展及損傷破壞行為也有顯著影響[1-2]。因此,研究混凝土粗骨料分布規律對提高混凝土使用性能具有重要意義。

常用的混凝土檢測方法,如電子顯微鏡觀察法(scanning electron microscope,SEM)、核磁共振法、壓汞法等,都具有一定的局限性。與此相比,CT掃描作為一種無損檢測技術,能準確、清晰展示被測物體內部結構、組成,逐漸應用于混凝土微觀檢測領域[3-4]。宿輝等[5]通過CT技術研究了溫度變化對混凝土孔隙率的影響,發現溫度越高孔隙面積越大;田威等[6]將CT與凍融機結合,研究凍融循環下混凝土內部孔隙結構變化,發現凍融循環會導致混凝土孔隙擴展萌生速度加快,小孔隙連通形成大孔隙;杜向琴等[7]通過CT掃描研究混凝土初始缺陷的空間形貌,結果表明孔隙缺陷處容易產生應力集中;Ren等[8]基于CT技術開發了骨料-砂漿-孔隙的二維微觀模型并模擬了應力作用下裂隙變化;Liu等[9]通過分析骨料真實特征(即邊緣數、面積、等效半徑、延伸率和尺寸分布),提出一種多邊形隨機骨料建模方法。

關于骨料和孔隙分布結構及其對混凝土強度的影響,在實驗和理論模擬上開展了很多研究。Yang等[10-11]研究了混凝土骨料聚集分布規律,并結合骨料分布多重分形理論和裂隙盒維數方法,分析了混凝土骨料分布對力學損傷的影響關系;方健銀等[12]基于破損分區理論,將圖像分為多個區域,發現骨料和砂漿粘結界面厚度與真實混凝土極為接近,損傷裂紋繞著骨料發展;Chen等[13]建立砂漿、骨料、粘性帶、缺陷的四相隨機骨料模型,提出相應擬合公式,分析了四種組分組合效應對混凝土抗拉強度的影響關系;Li等[14]通過蒙特卡羅法建立隨機骨料分布模型進行數值模擬,發現骨料分布會顯著影響混凝土的宏觀力學性能,骨料體積分數越高斷裂峰值載荷越高;Ludovic等[15]研究孔隙對混凝土三軸行為的影響,發現混凝土應力分布不僅取決于孔隙率,還受孔隙分布、結構影響;Shen等[16]研究不同含冰量混凝土的孔隙結構變化,研究表明冰粒會導致混凝土水化周期加長,有利于減少有害孔隙,增加微孔。

綜上所述,現有的混凝土骨料及孔隙分布的研究主要是利用蒙特卡羅法模擬隨機骨料分布及細觀孔隙損傷演化對混凝土強度影響,缺乏關于噴射回彈造成的粗骨料粒徑、體積占比改變和孔隙結構變化規律研究。本研究基于CT掃描技術,研究制備工藝對混凝土粗骨料和孔隙分布規律影響,得到噴射混凝土粗骨料、孔隙分層現象,結合抗壓實驗,驗證粗骨料及孔隙分布對混凝土力學性能的影響。

1 試驗方法

1.1 試件材料

實驗選用山水牌P.O 42.5普通硅酸鹽水泥;細骨料選用細度模數2.8的天然河砂;粗骨料選用粒徑5～15 mm的碎石。如圖1所示,粗骨料級配符合《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》(JGJ52—2019)。本研究對兩種工藝混凝土進行試驗研究,參考文獻[17]及前期試驗確定合理的物料配合比為:水泥∶細骨料∶粗骨料∶水=1∶2.25∶1.5∶0.5。將配比好的水泥、砂、石子加入混凝土攪拌機中攪拌3 min,使其均勻混合,隨后加入稱好的水,攪拌15 min后備用。

圖1 粗骨料級配曲線

1.2 試件制備

1) 澆筑混凝土試件的制備。將攪拌好的混凝土澆筑到100 mm×100 mm×100 mm的澆筑模具中,置于混凝土振動臺上,固定模具振動至表面出現浮漿,去除多余部分并抹平,置于室溫下1 d后脫模。使用混凝土取芯機從試件中心取出Φ50 mm×100mm的圓柱體試件。

2) 噴射混凝土試件的制備。將預先攪拌好的混凝土加入自主研發的濕式混凝土噴射機組,調整風壓為0.5 MPa,噴射距離1.5 m,噴射到800 mm×800 mm×150 mm的噴射模具中,模具和墻面呈80°角。將噴射好的模具靜置1 d后脫模,使用混凝土切割機切除噴射混凝土四周200 mm及上表面50 mm區域,并加工成100 mm×100 mm×100 mm的混凝土試件,使用混凝土取芯機從試件中心取出Φ50 mm×100 mm的圓柱體試件。

兩種試件各制備12個,常溫養護1、3、7、28 d 試件各3個。

1.3 CT掃描

本研究使用養護28 d的澆筑和噴射混凝土試樣進行CT掃描,使用捷克布爾諾科技大學提供的GE phoenix v|tome|x m工業CT在21 ℃的恒定溫度下進行斷層測量,X射線管的加速電壓設置為230 kV,電流設置為300 μA,X射線束由0.5 mm厚的銅過濾器過濾。探測器曝光時間為250 ms,共捕獲2 100個投影。使用GE phoenix datos|x 2.0進行斷層重建,并進行樣本漂移校正、光束硬化校正和噪聲過濾。重建體素大小為32 μm。測量數據集的大小約為2 000×2 000×1 400體素。

1.4 圖像處理

通過Avizo三維可視化軟件處理二維圖像,可以清晰觀察到圖像中粗骨料、孔隙、砂漿組分分布。為減少邊緣對圖像質量的影響,切除試件外表面2 mm,使用閾值分割及三維重構技術,得到混凝土三維重構模型,實驗流程如圖2所示。

圖2 試件制備及CT三維重構

2 結果與討論

2.1 粗骨料分布分析

通過閾值分割混凝土骨料組分,將骨料以立體形式展示,選取顆粒粒徑、位置、體積作為研究參數,可將骨料相關信息進行篩選和統計。不規則的骨料形狀過篩情況不同,選取粒徑大于5 mm、體積大于65 mm3的粗骨料作為研究對象,以澆筑混凝土上表面及噴射混凝土距壁面遠端作為Z軸原點,以骨料中心在Z軸坐標代替骨料所處位置。對于切割、取芯及表面修整處理的試件,可能會將粗骨料切割,導致統計誤差,尺寸為Φ48 mm×96 mm的圓柱混凝土試件粗骨料理論體積為47 000～48 000 mm3,而掃描的澆筑混凝土試件粗骨料體積為48 612.55 mm3,在誤差范圍內。

圖3為兩種混凝土試件粗骨料沿Z軸分布位置情況。如圖3(a)、3(b)所示,澆筑混凝土越靠近底面粗骨料分布越密集,噴射混凝土粗骨料集中于30～70 mm處。相較于澆筑混凝土,噴射混凝土粗骨料減少了30.53%,尤其是粒徑9 mm以上的粗骨料減少近80%。為研究不同工藝混凝土粗骨料分布情況,不考慮試件上下修整的影響,將試件沿Z軸方向等距分割成10個尺寸為Φ48 mm×10 mm的圓柱試件。

圖3 澆筑混凝土和噴射混凝土粗骨料沿Z軸分布位置

圖4為混凝土試件各層粗骨料數量及粗骨料總體積分布,可以看出,澆筑混凝土和噴射混凝土具有不同的骨料分布規律。如圖4(a)所示,澆筑混凝土在2～50 mm區域粗骨料數量少、體積小;而50～98 mm區域粗骨料數量和總體積大幅提高,粗骨料數量及總體積比2～50 mm區域分別提高了19.44%、16.03%,其中9 mm以上的粗骨料數量比2～50 mm區域增加了29.62%,80～90 mm區域的粗骨料數量及總體積達到最高。澆筑混凝土粗骨料在試件長度50 mm時有明顯分布差異,呈兩層分布。這是由于澆筑混凝土在澆筑、振動過程中,粗骨料受重力和振動力作用向下沉降,砂漿對粗骨料的粘滯阻力無法抵抗粗骨料重力,造成較大粒徑粗骨料向下聚集。

圖4 澆筑混凝土和噴射混凝土粗骨料沿分層位置

如圖4(b)所示,噴射混凝土在70～98 mm區域無9 mm以上粒徑的粗骨料,隨著遠離受噴面,粗骨料數量增加,9 mm以上骨料占比也增加;在30～70 mm區域粗骨料數量最多,粒徑大于9 mm的粗骨料占比最高,粗骨料總體積遠遠超過其他區域;隨噴層厚度增加,在0～30 mm區域粗骨料數量略微減少,總體積卻大幅減少。據此可將噴射混凝土粗骨料分為三層,臨界點在試件的30、70 mm位置。在30～70 mm區域粗骨料數量及總體積占比最高分別為53.63%、62.29%,70～98 mm區域粗骨料數量及總體積受回彈影響嚴重,比30～70 mm區域減少了36.36%、50.45%,2～30 mm區域比30～70 mm區域減少了24.54%、36.43%。造成這種現象的可能原因是,混凝土噴射過程中,粗骨料由于體積差異較大,受重力及噴射推力影響運動軌跡不同,粗骨料更易分散[18]。受壁面回彈影響,一定區域內粗骨料數量有所減少。在70～98 mm區域,粗骨料與光滑壁面碰撞很難粘附,隨著粘附在壁面上的砂漿厚度增加,粗骨料與砂漿接觸面積增大,砂漿粘結力增強,粗骨料回彈力小于砂漿粘附阻力,粗骨料開始增加。9 mm以上粗骨料由于本身粒徑較大,需要更厚的砂漿層才能粘附;距壁面超過30 mm后,粗骨料動力不足使其深入砂漿接觸壁面,因此受壁面回彈的影響大幅降低,粗骨料受到砂漿粘附及回彈阻力作用,無法逃離砂漿,使粗骨料數量相對增加,在60～70 mm區域由于砂漿占比大,有利于骨料粘附[19];2～30 mm區域粗骨料與粗骨料碰撞產生回彈,造成粗骨料減少,同時砂漿層受重力影響會發生垮落。

2.2 孔隙分布分析

圖5為兩種混凝土在Z軸方向的孔隙率分布。如圖5(a)所示,澆筑混凝土沿Z軸方向孔隙率在0.5%～4%波動,在2～40 mm范圍內,孔隙率呈波動上升趨勢,30～40 mm范圍內波峰最高;在60～98 mm范圍內,孔隙率波動較穩定,總體上與粗骨料分布趨勢類似。

圖5 澆筑混凝土和噴射混凝土孔隙率分布

如圖5(b)所示,噴射混凝土沿Z軸方向孔隙率在3%～20%波動,在距壁面30 mm內,孔隙率峰值明顯低于其他區域;在20～70 mm內,孔隙率波動幅度較大但波動幅度穩定;在20～30 mm 位置孔隙率峰值最高,孔隙分布與粗骨料分層現象有一定差別。

如圖6所示,澆筑混凝土孔隙數量隨孔徑增加先增加后減少,孔徑0.3～0.4 mm的孔隙最多,總孔隙率為1.84%。其中,2～50 mm區域孔隙率為1.96%,50～98 mm孔隙率為1.72%。2～50 mm孔隙數量比50～98 mm區域多30.61%,主要是0.3～0.5 mm孔徑的孔隙數量差異。

圖6 澆筑混凝土、噴射混凝土不同孔隙數量變化

噴射混凝土孔隙數量隨孔徑的減小而減少,孔徑為0.1～0.2 mm的孔隙數量最高,孔徑0.1～0.4 mm的孔隙占比均超過了90%,總孔隙率為10.91%。其中,在2～30 mm區域孔隙率為5.07%,30～70 mm區域孔隙率為15.62%,70～98 mm區域孔隙率為9.97%;30～70 mm區域孔隙數量比2～30 mm區域多64.75%,比70～98 mm區域多39.31%。各層0.1～0.2 mm孔隙數量差異較大。

澆筑混凝土由于內部水化反應及水分蒸發,留下空隙,造成總孔隙增加。澆筑混凝土表面砂漿較多,水化過程中消耗大量水,導致2～50 mm區域孔隙率較高,在30～40 mm區域孔隙率變化較大,可能是由于混凝土表面砂漿層堵塞了氣泡的形成和排出,導致較高的孔隙率[18]。噴射混凝土受工藝影響,存在大量微小氣孔,粗骨料會阻擋后續砂漿填充這些孔隙,因此噴射混凝土孔隙結構受粗骨料分布影響,70～98 mm區域孔隙率較低,30～70 mm區域孔隙率高。

雖然噴射混凝土孔隙率高,但平均孔徑小于澆筑混凝土。如圖7所示,澆筑混凝土中存在較多的大孔隙,形狀近似球形,這可能是在澆筑混凝土拌合、澆筑過程中混入空氣,振動導致氣隙向上移動,表面張力使氣泡幾乎呈球形。噴射混凝土孔隙數量遠遠大于澆筑混凝土,存在大量密集分布的小孔隙,大孔隙形狀不規則,多呈帶狀沿粗骨料邊緣分布,這是因為噴射混凝土在噴射過程中,受沖擊風壓影響,在砂漿中留下大量微小氣孔,大量孔隙具有較高的連通性,形成大孔隙[6,20]。而且粗骨料表面與砂漿結合程度不同,在砂漿中位移留下運動痕跡,產生沿粗骨料發展的孔隙。

圖7 澆筑混凝土(上)和噴射混凝土(下)二維孔隙分布CT圖像

2.3 抗壓強度分析

根據GB/T 50081—2019《普通混凝土力學性能試驗方法標準》,使用混凝土壓力試驗機測量Φ50 mm×100 mm混凝土試件的抗壓強度,受壓面為半徑25 mm的圓面,控制加載速度在0.4～0.6 MPa/s,直至試件破壞,記錄破壞載荷,抗壓強度為破壞載荷和面積的比值。

圖8為澆筑混凝土和噴射混凝土分別養護1、3、7、28 d的抗壓強度變化。可以看出,隨養護時間增加,兩種試件抗壓強度均呈現升高趨勢。噴射混凝土在1～7 d的抗壓強度高于澆筑混凝土,而在28 d時低于澆筑混凝土。相對于澆筑混凝土,噴射混凝土在1、3、7、28 d的平均增長率分別為11.81%、26.22%、14.33%、13.58%。這表明噴射混凝土早期抗壓強度增長迅速,而后期相較于澆筑混凝土出現劣化。

圖8 澆筑混凝土和噴射混凝土在1、3、7、28 d的抗壓強度

噴射混凝土早期強度高是因為受噴射風壓影響,具有較好的致密性,凝結速度比澆筑混凝土快,具有較多的水化產物,使混凝土在短期內表現出較高的抗壓強度。而在養護28 d時,混凝土水化反應穩定,此時混凝土抗壓強度變化主要受骨料屬性及孔隙率影響[12,16,21-22]。當混凝土受到外界壓力時,會通過基體將壓力傳遞到粗骨料,粗骨料會起到骨架和抵抗變形的作用,而粗骨料與砂漿的接觸面為過渡區域,起到傳遞壓力的作用。在一定范圍內,粗骨料數量增加有利于增加粗骨料與砂漿的接觸面面積,增強傳遞效果,提高混凝土強度。而孔隙沿骨料分布會影響接觸面傳遞壓力,當受到壓力時,混凝土更容易發生形變,導致混凝土抗壓強度降低。結合本研究,澆筑混凝土具有更高的骨料體積和更低的孔隙率,表現為較高的抗壓強度。

3 結論

試驗研究了兩種混凝土粗骨料數量、孔隙率與力學性能的關系,對比澆筑和噴射兩種工藝,以粗骨料數量、孔隙率反映兩種混凝土的微觀差異,分析了混凝土粗骨料、孔隙對抗壓強度的影響,主要結論如下。

1) 澆筑和噴射混凝土具有不同的分層現象。澆筑混凝土粗骨料越靠近底面數量越多,呈兩層分布,分層臨界點在試件50 mm處;50～98 mm區域有更多的粗骨料,骨料體積比2～50 mm區域高16.03%。噴射混凝土骨料分布受骨料屬性及回彈影響,呈三層分布,分層臨界點位于試件30、70 mm處,近壁面30 mm區域粗骨料體積減少50.45%,在30～70 mm區域粗骨料分布均勻且密集,但仍小于澆筑混凝土,噴射末端70～98 mm區域骨料數量和體積有所下降,但高于近壁面區域。

2) 澆筑混凝土孔隙分布較均勻,孔徑較大,近似呈球形。噴射混凝土孔隙孔徑在0.1～0.4 mm的數量占比超90%,孔隙位置分布受粗骨料分布影響,小孔隙數量多、形狀不規則,大孔隙主要沿骨料邊緣分布。

3) 噴射混凝土早期強度較高,養護1～7 d的噴射混凝土抗壓強度高于澆筑混凝土,而在28 d時由于粗骨料減少和孔隙率較高,抗壓強度低于澆筑混凝土。