篩余砂漿氣孔結構對其28d抗壓強度的影響

高 輝，張 雄，張永娟，姜 曼

（同濟大學 先進土木工程材料教育部重點實驗室，上海 201804）

現代工程對混凝土提出高強度、高流動度、高耐久性的要求.應用混凝土引氣技術可顯著改善混凝土的和易性與耐久性［1－2］.但有關研究［3－4］表明，如果混凝土含氣量（體積分數）增加1%，則其抗壓強度降低4%～6%，抗折強度降低2%～3%.由于目前人們對混凝土氣孔結構對其力學行為影響規律的認識模糊，因此混凝土業界對混凝土引氣技術的應用望而卻步.在有關氣孔結構對混凝土強度影響的研究中，研究較多的是混凝土總孔隙率的影響，并有很多有關混凝土強度與總孔隙率關系的半經驗公式［5－7］，但這些公式都有一定的局限性，它們只考慮總孔隙率對混凝土強度的影響，沒有考慮孔級配、孔空間分布等其他特性對混凝土強度的影響.有研究［8］表明：總孔隙率相同的混凝土，由于其孔級配不同，其強度有相當的差異.

隨著混凝土測孔技術的不斷提高，人們發展出一種將計算機和電子顯微鏡組合起來應用的定量體視學圖像分析法［9］，通過該方法可以獲得包括孔徑、孔級配、孔空間分布等一系列參數.

1 試驗原材料與測試方法

1.1 原材料

水泥：安徽寧國海螺P·Ⅱ52.5水泥；細集料：中砂，細度模數2.54；粗集料：5～25mm 粒徑的玄武巖碎石；水：上海自來水.

試驗中應用了11種引氣劑，其主要化學成分見表1.

表1 引氣劑主要化學成分Table 1 Main chemical components of air－entraining agent（AEA）

1.2 試件制備

先用上述原材料配制混凝土試件，其中水、水泥、中砂、碎石用量分別為198，360，850，1 030kg／m3，然后采用濕篩方法將粗骨料篩除（過5mm 篩），篩出的水泥砂漿即為篩余砂漿.用篩余砂漿制作40mm×40mm×160mm 篩余砂漿試件，并標準養護至28d.

通過控制摻加不同摻量（以占水泥質量分數計）不同類型的引氣劑，成型出含氣量不同的篩余砂漿試件.

1.3 測試方法

1.3.1 篩余砂漿抗壓強度和含氣量測試

參照GB／T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO 法）》測定篩余砂漿試件28d抗壓強度.每個配合比測試3個試件，取平均值.

參照DL／T 5150—2001《水工混凝土試驗規程》測定篩余砂漿試件含氣量.

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1.3.2 篩余砂漿氣孔結構參數測試

從篩余砂漿試件上切割出40 mm×40 mm×20mm薄片.用磨片機打磨薄片觀測面，然后用拋光機拋光.清洗薄片觀測面，并用黑色墨水均勻涂黑，然后將薄片置于（105±5）℃烘箱中烘干.用納米（50nm）碳酸鈣填充薄片觀測面氣孔，然后用絨布擦掉表面多余納米碳酸鈣，再用帶電子目鏡的體視顯微鏡觀察拍照（拍照面積為30mm×30mm，拍照最少樣本數為4），最后用Image－Pro Plus 6.0對顯微圖片進行處理、測量，得到篩余砂漿試件氣孔結構參數.

1.3.3 界面過渡區顯微硬度測試

從篩余砂漿試件上切割出40 mm×40 mm×20mm薄片.用磨片機打磨薄片，再用拋光機進行拋光處理，得到平整光滑的待測表面.采用HXS－1000A 型數字式智能顯微硬度儀測試篩余砂漿界面過渡區顯微硬度，所加載荷為25g.測試時隨機選取骨料上下界面各5個面，每個面沿界面法線方向以10μm 間隔取10個點，最后取各個點在10個面上的顯微硬度平均值.

2 試驗結果與分析

2.1 抗壓強度與不同范圍孔徑的灰色關聯度

為更細致分析不同范圍孔徑對篩余砂漿抗壓強度的影響，本文劃分了6個孔徑范圍：10～100μm，100～200μm，200～500μm，500～800μm，800～1 200μm，1 200～1 600μm.篩余砂漿試件28d抗壓強度及氣孔結構特征參數見表2.

表2 篩余砂漿28d抗壓強度及氣孔結構特征參數Table 2 28dcompressive strength and pore structure parameters of sifted mortar

以篩余砂漿28d抗壓強度為母序列，以相應的不同范圍孔徑為子序列，計算出篩余砂漿28d抗壓強度與不同范圍孔徑的灰色關聯度［10－12］，結果見表3.

由表3可見，篩余砂漿28d抗壓強度與各范圍孔徑的灰色關聯度均為負值，但不同范圍孔徑對篩余砂漿28d抗壓強度的影響有所不同.

表3 篩余砂漿28d抗壓強度與不同范圍孔徑的灰色關聯度Table 3 Grey connection degrees between 28dcompressive strengths of sifted mortar and pore sizes in different ranges

2.2 抗壓強度與總孔隙率關系擬合

圖1顯示了篩余砂漿28d抗壓強度與總孔隙率之間的擬合關系.由圖1可見，篩余砂漿28d抗壓強度與總孔隙率之間有較好的線性擬合關系.

圖1 篩余砂漿28d抗壓強度與總孔隙率之間的擬合關系Fig.1 Fitting relationship between 28dcompressive strength and total porosity（by volume）of sifted mortar

2.3 抗壓強度與孔徑分布的關系

分析表2中篩余砂漿28d抗壓強度與總孔隙率數值，結果表明有58.5%（24／41）的數據總孔隙率相近（差值＜0.5%），但抗壓強度存在較大差異（＞3MPa）；有41.5%的數據總孔隙率相近（差值＜0.5%），而抗壓強度則無明顯差別（＜3MPa）.

現以2組對比試件（K5和C5，J3和B1）為例對篩余砂漿抗壓強度與孔徑分布的關系作進一步的分析.

第1組對比試件K5 和C5 的總孔隙率相近，但試件K5 比試件C5 的抗壓強度高近4 MPa（見表2）.這是因為，試件K5 和C5 的氣孔結構明顯不同（見圖2（a），（b）），兩者的孔徑分布存在較大差異.與試件C5比較，試件K5的孔徑分布更加合理，其在10～200μm 孔徑范圍孔隙率較大，在200～1 600μm孔徑范圍孔隙率較小，因此其平均孔徑較小（見表2），抗壓強度較高.

第2組對比試件J3 與B1 也呈現上述規律，即試件J3與B1的總孔隙率相近，但試件J3比試件B1的抗壓強度高4MPa（見表2）.這是因為試件J3的氣孔結構和孔徑分布比試件B1的更加合理（見圖2（c），（d）和表2），導致其抗壓強度較高的緣故.

上述結果表明，增加10～200μm 較小氣孔的孔隙率，降低200～1 600μm 較大氣孔的孔隙率，可減小因引氣而造成的篩余砂漿28d抗壓強度損失.

2.4 界面過渡區顯微硬度

試件K5，C5的界面過渡區顯微硬度見圖3；試件J3，B1的界面過渡區顯微硬度見圖4.圖3，4中，當顯微硬度曲線變化趨于平緩時，表明界面已經過渡至水泥石本體部分，此時相應的與骨料界面間距即為界面過渡區寬度.

圖2 篩余砂漿氣孔結構圖像Fig.2 Images of pore structure of sifted mortar

圖3 試件K5，C5的界面過渡區顯微硬度Fig.3 Microhardness of ITZ of sample K5and C5

圖4 試件J3，B1的界面過渡區顯微硬度Fig.4 Microhardness of ITZ of sample J3and B1

由圖3可見：試件K5的界面過渡區寬度大約為40 μm，試件C5 的界面過渡區寬度大約為50μm；試件K5的界面過渡區顯微硬度比試件C5高.由圖4可見：試件J3的界面過渡區寬度大約為35μm，試件B1的界面過渡區寬度大約為45μm；試件J3的界面過渡區顯微硬度比試件B1高.上述說明篩余砂漿總孔隙率相近時，孔徑分布越合理，平均孔徑越小，砂漿界面過渡區寬度越小、顯微硬度越高，砂漿28d抗壓強度就越高.

篩余砂漿總孔隙率相近時，孔徑分布越合理，小氣孔所占比例越大，單位體積砂漿中會存在更多的氣孔數，致使氣孔與骨料的間距減小，從而使界面過渡區寬度縮短.英國Wong等［13］的研究也得到相似的結果.

3 結論

（1）篩余砂漿28d抗壓強度與各范圍孔徑的灰色關聯度均為負值，但不同范圍孔徑對篩余砂漿28d抗壓強度的影響有所不同.

（2）在篩余砂漿總孔隙率相近條件下，增加10～200μm 孔徑的孔隙率，降低200～1 600μm 孔徑的孔隙率，可使氣孔平均孔徑減小，砂漿界面過渡區寬度縮短、顯微硬度提高，最終減小因引氣而造成的砂漿28d抗壓強度損失.

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