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基于CT探究石粉掺量及粒径对混凝土孔隙的影响

2024-11-09 80 上传者：管理员

摘要：混凝土的宏观力学行为以及破坏形态取决于其内部微观的组分构成与构造特征。采用机制山砂、S95级矿粉、I级粉煤灰等为原材料制备机制山砂混凝土试块，并通过CT扫描对试块进行二维到三维的孔隙建模分析，获得其宏观孔隙率，分析石粉的含量及粒径大小对混凝土细观结构的影响以及机制山砂混凝土的孔隙率对其强度的影响。研究发现：石粉的含量和粒径对孔隙率均有不同程度的影响。机制山砂混凝土的强度与其孔隙率在一定程度上呈正相关。可以利用石粉特性，达到机制山砂混凝土的孔隙率最优化。

关键词：
CT扫描
天然砂
孔隙率
机制砂
混凝土性能
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随着建筑行业的快速发展，天然砂资源日渐短缺，机制砂替代天然砂配制混凝土已成为混凝土行业可持续发展的必然趋势。但机制砂往往表面粗糙、多棱角、级配不良，导致使用机制砂拌和的混凝土工作性能下降[1],且机制砂含有粒径小于75μm的石粉，其构成机制砂的微粒级配，是机制砂的重要组成成分[2]。石粉含量对于机制砂混凝土的影响机理还未完全清楚。水泥熟料作为混凝土的重要组成部分，在其生产过程中，每吨将排放0.7～0.9t的CO2[3- 4],其庞大的年产量加剧了全球温室效应。为缓解环境影响，近年来，许多研究正聚焦于开发水泥熟料替代材料[5- 8]。

Wang等[9]研究发现石粉的含量对混凝土抗压强度、弹性模量和抗弯强度的影响比较复杂。Alyousef等[10]试验研究了石粉取代20%胶凝材料时，混凝土的抗压强度从30MPa提高到41MPa。然而，Hyun等[11]的试验研究发现随着石粉取代胶凝材料含量的增加，水泥砂浆的抗压强度、抗拉强度降低。但是，Yaniv等[12]试验研究表明：适当含量的石粉替代胶凝材料可以通过增加水泥体系的充填密度来改善水泥浆体的性能以及提高混凝土的抗压强度。杨词范[13]对不同细度花岗岩石粉掺量下的水工混凝土耐久性进行了对比试验研究，结果表明：花岗岩石粉掺量对水工混凝土耐久性有重要影响。马军等[14]在沥青混凝土中分别掺入石粉和水泥，结果表明：石粉能有效降低沥青混凝土的孔隙率。

然而，能否用石粉来替代水泥，混凝土的宏观孔隙对混凝土的强度有重要影响。孔隙检测的传统手段多为侵入式检测，这对于孔隙结构敏感的材料往往无法得到准确的结果。Stock[15]采用X射线CT扫描试验研究方法，针对硫酸对水泥砂浆的腐蚀作用进行了试验研究。为了研究混凝土内部结构在荷载作用下微裂纹损伤的演变规律，Erdogab等[16]对混凝土试件进行了X射线CT扫描试验，通过CT试验成功地获得了混凝土试件内部结构及裂缝的演变形态特征。

本文根据预设配合比，制备边长为100mm的机制山砂混凝土立方体试块15件。分别在养护3、7、14、28d时，通过CT进行扫描。基于CT图像，通过Mimics软件对混凝土试块进行重构，划分孔隙阈值，提取孔隙率数据。讨论了机制山砂混凝土孔隙率在石粉含量、石粉粒径两个指标下的变化规律。通过对其进行立方体抗压强度试验，进一步探讨了孔隙率及抗压强度之间的关系，为混凝土生产以及环境保护提供更为科学的指导，促进建筑行业朝着更加可持续的方向发展。

1、试验方案

1.1配合比

本文试验原材料选用禹龙牌PO.42.5普通硅酸盐水泥、S95级矿粉、I级粉煤灰、微硅粉、贵州本地机制山砂、聚羧酸高性能减水剂、石粉。分别命名为Sx-y-z,其中S表示石粉，x表示石粉含量，y表示石粉粒径，z表示养护时间。水胶比为0.268,砂率为0.4,胶凝材料的总量为560kg/m3,在此配合比中矿物外加剂的质量占整个辅助胶凝体系质量的36%。按照表1的配合比配制边长为100mm的立方体混凝土试块。

1.2石粉

石粉在混凝土中不但能够起到填充作用，而且具有活性，能够改善混凝土的孔隙特征以及砂浆和骨料的界面结构，并且参与水泥的水化反应，对混凝土的工作性能和耐久性都有一定的影响[17]。本试验选用的石粉来自于机制山砂，分别过200、400、600、800、1250、2000、3000目筛得到。以研究不同石粉粒径和掺量对混凝土孔隙率的影响。在山砂中原生石粉质量约占山砂质量的10%～15%,这部分石粉的质量约为水泥质量的5%～20%,因此，本文设置了石粉取代水泥的量为5%、10%、15%、20%四个梯度。

2、二维孔隙分析

2.1 CT扫描

本文所采用的设备为工业CT,CT值与物质的密度有关。同一种物质具有相同的密度，其图像灰度(或CT数)也应相同或相差不大。扫描出的图片需要靠不同的灰度值来进行不同相之间的区别，单张CT的灰度值差异如图1所示。

图1单张CT灰度值提取

但由于混凝土骨料的密度略有不同，导致混凝土骨料的颜色深浅也略有不同；由于扫描设备、外界干扰、噪声等因素，图像各部分灰度存在明显差异。因此，在扫描过程中选取了3种不同的扫描参数设置，以对比选取适合机制山砂混凝土的扫描参数。成像效果，如图2所示。由于单能量扫描的分辨率很低，截面中间暗，外围亮，根本无法清晰分辨出粗骨料，孔隙分布也较模糊，灰度直方图只出现单峰，没有明显的双峰，而双能量高电压扫描时，能够清晰分辨骨料及孔隙的位置和形态，也没有很大的噪音。因此，本文扫描均采用双能量Sn/150Kv的扫描序列。

本文采用阈值分割方法确定骨料、砂浆和孔隙分布。使用骨料和砂浆的边界阈值执行二值化处理，将2D切片转换为只有0和1数据的黑白双色图。如果图片中某个像素的灰度值大于边界的阈值灰度值，则将该点的灰度值转换为1。如果像素值小于边界灰度值，则将该灰度值转换为0。基于灰度变换的函数表达式如下：

表1混凝土配合比

图2不同扫描序列下的试件截面对比

由于混凝土材料的组成复杂，阈值的划分没有统一标准，可以借助灰度分布图来辅助划分，如图3所示，通过双能量高电压扫描提取出的灰度统计图发现明显具有双峰，可将统计图中双峰间波谷处的灰度值作为骨料的识别阈值[18],但还是需要借助人肉眼的辅助识别来进行划分。

图3双峰的灰度图的阈值划分

经过调试，最终确定粗骨料的划分阈值为175,孔隙的划分阈值定为135。以S20- 2000- 3试件的第一次扫描结果为例，断层扫描厚度为0.25mm,单一试块的边长为100mm,所以在摆放存在轻微偏差的情况下，一个试块大约可以产生400张CT图片。将得到的CT图片导入ImageJ中。首先，分析位于混凝土中间断层具有代表性的三张单张的CT图片(25cm处、50cm处、75cm处，以下称截面1、2、3),如图4所示。为方便起见，转换为8bit图片，从0～255共256级灰阶，经过人工选取，按上述阈值来划分孔隙。

图4单张切片的选取

以截面3处扫描出的CT图片、孔隙提取、二值化处理图像示意，如图5所示。

图5截面3处

得到代表截面的孔隙率及孔隙个数，见表1。

表1代表截面的孔隙率及孔隙个数

通过二维代表截面的单张CT分析可知，混凝土的二维孔隙率小于10%,但是不同截面的孔隙率差距较大，不能用单一特征截面的孔隙率代替整体孔隙率。因此，选取所有截面孔隙率取平均的方法。以S0- 2000- 3d试块的CT数据为例，将其所有核心截面导入ImageJ对图片进行批量处理，提取单张孔隙率。通过二维孔隙取平均的方法，得出平均孔隙率为1.686%。

2.2孔隙分布

对前文ImageJ中提取的三张代表截面孔隙，进行粒径分析，以孔隙最大的直径来表征，其孔隙直径分布如图6所示。观察到最大直径的分布服从对数正态分布。截面1、2的拟合曲线与数据拟合较好，截面3的拟合曲线R2值略低。整体孔隙大小是偏大的，最大直径的均值在4mm左右，这与混凝土边缘的较大孔隙有一定关系。

孔隙的形状因子定义为，该单个孔隙的最大直径与最小直径的比值，该值最小为1,此时孔隙表现为正圆形。该值可以反映孔隙形状在混凝土中呈现的差异。对提取的孔隙做形状因子的分布统计，如图7所示。分布曲线整体靠左，大多数孔隙形状因子为1～2,在表征时呈现近似圆形，说明孔隙都不够大，较小的孔隙更容易被识别成圆形。特别大的形状因子值，可能来源于CT图片的边界处，即表面的蜂窝麻面或伪影所造成的长条“孔隙”分布曲线符合对数正态分布。

图6孔隙直径分布图

图7孔隙形状因子分布

孔隙形状因子分布的拟合与统计结果较为符合，R2值均接近1。孔隙形状因子均值约为1.5,说明混凝土中的孔隙虽然形状各异，但仍然具有一定统计意义，并非杂乱无章的分布，而这也可以为随机骨料模型中孔隙生成的设置提供一定依据。

在整个二维孔隙的提取过程中发现，混凝土试块边缘图像处有明显的条状“孔隙”,这很明显属于表面的蜂窝麻面或者伪影与图片切割所造成，如果不排除这种误差原因，那么截面的孔隙率所能表征的真实信息就不够可靠。因此，在接下来的分析中，我们划分出混凝土核心处的CT图像进行处理，从而规避掉边缘灰度变化所造成的误差。

3、三维孔隙分析

本节在Mimics中进行三维的重建，通过重建的模型进行三维孔隙的提取(以核心处的50mm3混凝土试块表征整体孔隙率),同样这里的孔隙率也特指宏观孔隙率，依次为正视图、俯视图、侧视图3个方向，以及最终的三维孔隙提取示意图，如图8所示。在视窗下进行阈值划分调试，因混凝土养护过程中，孔隙内部不可避免的会存在水和颗粒悬浊液，因此在扫描过程中，孔隙表现出的CT值并非是完全的空气。在适当调试后，阈值划分选取为900Hu,低于900Hu的认为是宏观孔隙，如图9所示。阴影覆盖部分为孔隙，剩余亮色部分为骨料砂浆实体。

在Mimics软件中，显示了3个维度的断层图像：冠状面(正视图)、矢状面(侧视图)和水平面(俯视图)。其中冠状面直接来源于扫描数据，而矢状面和水平面是通过计算自冠状面图像重建得到的。基于几何原理，若任两方向截面的中心点重合，则第三方向截面的中心点也会在同一位置。由于实际混凝土试件存在制造误差，无法精确为正方体，故根据编号1、2、3的角点的顺序选择，采用了三点画圆法确定其几何中心，通过选取试件3个角点绘制圆，圆心代表正方形截面中心，如图10所示。然而，由于误差存在，某些未标号角点可能并不位于所画圆上。

图8 Mimics三维孔隙提取过程

图9三维阈值划分

图10三点画圆规定

因此，为了标准化核心混凝土区域的划分，以三点画圆确定的圆心作为基准，绘制了一个边长50mm的红色正方形蒙版。在双视窗环境下完成这一操作后，利用该蒙版对三维图像进行提取和重构，从而生成混凝土模型。最后，计算该50mm3的小正方形体积与实际核心混凝土蒙版体积之间的差值，其差值即为三维孔隙体积。根据上述方法，对所有试块的孔隙进行提取，并转换为孔隙率，结果见表2。

三维孔隙整体的提取值明显小于单张二维CT的孔隙率值，以S20-2000-3d的孔隙率为例。在二维截面孔隙率取平均值时为1.686%,三维孔隙率值为0.6715%,比三维孔隙率大了约1.5倍。在排除了表面混凝土孔隙的影响后，真实孔隙率的值更低。石粉在试验中具有一定密实化、改善混凝土孔结构的作用，使孔径得到一定程度的细化。

表2三维孔隙率结果

4、结果与讨论

4.1石粉粒径对孔隙率的影响

养护时间一定，石粉粒径与孔隙率的关系如图11所示。随着石粉粒径的增加，混凝土试块的孔隙率呈现一个规律的波动性，在小于1250目时，试块孔隙率先增加，后下降；在大于1250目时，试块孔隙率在一直上升。说明石粉粒径越细，并不能很好地改善混凝土的孔隙率，石粉结团效应反而让混凝土孔隙率呈现了最大值。在粒径为1250目的混凝土试块下存在孔隙率的最低值。3000目石粉粒径下的混凝土试块孔隙率比1250目石粉粒径下的孔隙率高出约200%。

图11石粉粒径与孔隙率的关系

4.2石粉含量对孔隙率的影响

在同一养护时间下，石粉含量与孔隙率的关系，如图12所示，整体来看，随着石粉含量的增加，孔隙率有所降低，说明石粉的加入在一定条件下能够降低孔隙率，改善混凝土的耐久性。其中养护条件为3d的混凝土试块。石粉含量为0%的混凝土石块的孔隙率，比石粉含量为20%的混凝土试块孔隙率高出约50%。

图12石粉含量与孔隙率的关系

4.3孔隙率与强度关系

对CT扫描的15个抽样试件的强度数据单独进行分析，如图13所示。由于混凝土试块的离散型，在进行CT扫描时，仅用单一试块的抗压强度值用来表征，而无法采用平均值的办法。因此石粉含量与石粉粒径的变化对于强度的改变差异较大。对于石粉含量在5%～10%存在较高强度值，在15%处存在较低强度值；对于石粉粒径在600目与800目处存在较低强度值。

图13 CT扫描试块含量与粒径对抗压强度的影响

将上述15个试块的强度值与其各自的宏观孔隙率进行线性拟合分析。如图14所示。整体呈负相关，随着宏观孔隙率的增大，混凝土试块的强度在逐渐降低，文献[19]试验结果表明，在相同孔径下，混凝土的弹性模量随着孔隙率的增加呈线性下降，在相同孔隙率下随着孔径的增加呈对数下降；在相同孔径下，混凝土的抗拉和抗压强度随着孔隙率的增加而降低。这与文献中的宏观孔隙率与混凝土强度相关的结论一致。因此，采用CT断层扫描技术所表征出的宏观孔隙率能够反映其力学性质。

图14孔隙率与强度的关系

5、结论

试验通过CT扫面技术研究了不同石粉掺量和不同石粉粒径与混凝土孔隙率的关系，分析了孔隙率对混凝土抗压强度的影响，得出以下结论。

(1)随着石粉粒径的增加，混凝土试块的孔隙率呈现一个规律的波动性。其中1250目粒径的试块表现出的孔隙率最小。

(2)随着石粉含量的增加，孔隙率有所降低，说明石粉的加入在一定条件下能够降低孔隙率，改善混凝土的耐久性。

(3)随着石粉掺量的增加，砂浆用量增加，混凝土内部的孔隙和气孔减少，混凝土内部结构的密实度提高，浆体的增加可以改善骨料与砂浆的黏结性，从而有利于增加混凝土的抗压强度，同时混凝土的抗压强度随孔隙率的增加而下降。

参考文献:

[13]杨词范.石粉掺量和细度对水工混凝土耐久性能影响试验研究[J].水利技术监督,2022(8):36- 39.

[14]马军,柳莹,何建新.天然砾石沥青混凝土心墙水稳定性技术研究[J].水利规划与设计,2021(2):110- 114.

[17]王建国,周海龙,葛成龙,等.石粉对高强机制砂混凝土工作性能和力学性能的影响[J].排灌机械工程学报,2021,39(8):804- 810.

[18]王娟,李庆斌,卿龙邦,等.混凝土单轴抗压强度三维细观数值仿真[J].工程力学,2014,31(3):39- 44.

[19]郭育霞,贡金鑫,李晶.石粉掺量对混凝土力学性能及耐久性的影响[J].建筑材料学报,2009,12(3):266- 271.