飽水法測定混凝土孔隙率的試塊尺寸優化研究

張 強，劉紅彪

(交通運輸部天津水運工程科學研究所 港口水工建筑技術國家工程實驗室 水工構造物檢測、診斷與加固技術交通行業重點實驗室，天津300456)

混凝土是一種多相的多孔材料，由于受施工工藝、養護條件、內外環境溫濕度變化等影響，混凝土在未承受外荷載前就存在一定量的孔隙，其物理力學性能與材料內部的孔結構有著密切的關系?？捉Y構可直接影響混凝土材料的強度、滲透性、抗凍性、耐腐蝕性、濕脹干縮、徐變及導熱性能等。同時，環境濕度、凍融循環及高溫作用等外部環境對混凝土的作用，也會影響其內部結構。因此，準確了解混凝土內部的孔隙率對研究分析混凝土內部孔隙與其宏觀力學性能及耐久性能之間的關系至關重要[1-2]。

測定混凝土內部孔隙率的方法主要有掃描電鏡(scanning electronmicroscopy，SEM)法[3]、圖像分析法[4]、甲醇法、壓汞法、氦流法及飽水法等[5-6]。周敏采用掃描電鏡對不同外加劑使用狀態下的混凝土孔隙率進行了測試分析，得到了外加劑對混凝土孔隙率的影響規律[3]。朱洪波采用圖像分析法對15種不同含氣量的混凝土孔隙率進行了測試分析，建立了混凝土孔隙率與抗壓強度之間的關系[4]。Rakesh Kumar用壓汞法測定混凝土中孔隙率一般不低于10%[7]。由于壓汞法試驗中試樣體積較小，難以真實反映混凝土中孔隙大小，而且所施加的壓力不易控制，一定程度上會使實測的孔隙率偏大。劉保東通過浸泡混凝土的方式，測定混凝土自由吸收水條件下含水率最大不超過5%，同時含水率也側面反映了混凝土內連通孔隙率的大小[8]。Yaman、孫振江通過在混凝土中添加引氣劑以產生不同含氣量的氣泡來預制孔隙，通過測定氣泡量以間接測定混凝土孔隙率，但效果不好[9-10]。葉銘勛采用甲醇法、氦流法、飽水法進行了混凝土孔隙率的測試，這些方法可反映不同水灰比混凝土的孔隙率[5]。盡管混凝土孔隙率的測定方法很多，但這些方法都存在一定的局限性；并且除了掃描電鏡法、圖像分析法外，多數試驗方法試驗過程中試樣都要經過一定的干燥處理，將試樣孔隙中的水分分離，以便測試介質(如甲醇、汞或氦氣等)的進入量，根據介質的進入量，得出試樣的孔隙率。同時，多數試驗方法需要昂貴的測試設備才可進行相關試驗，如掃描電鏡法需要掃描電鏡、壓汞法需要壓汞儀，這些設備一般價格較高，普通單位難以配備相應設備，無法采用相關方法進行混凝土的孔隙率測試。相對于其他測試方法，基于飽水試驗原理測定混凝土孔隙率的試驗條件更易達到。

但目前采用飽水法測定混凝土孔隙率沒有通用的測試步驟，且對于試塊的尺寸沒有明確的規定。葉銘勛進行相關試驗時，將試樣養護到給定齡期，用切割機切成2.0 cm×2.0 cm×0.5 cm塊狀試樣，采用飽水法進行混凝土孔隙率的測試[5]。但試塊過小，實驗室中很難進行試塊的切割，即使完成切割，切割后試塊的形狀尺寸也會造成較大的試驗誤差。因此，為了建立基于飽水原理的混凝土孔隙率標準化測定方法及確定試驗試塊的最優化尺寸，開展相關研究是很有必要的。

本文采用理論分析與試驗相結合的方式，針對基于飽水原理的混凝土孔隙率標準化測定方法及試驗試塊的最優化尺寸進行了相關研究，分析推導了飽水法測定混凝土孔隙率的計算公式，建立了基于飽水原理的混凝土孔隙率標準化測定方法及試驗步驟，確定了試驗試塊最優化尺寸。

1 飽水法測試理論及試驗步驟

1.1 基本理論

根據特征尺寸的不同，材料結構可分為3個層次，即宏觀結構、細觀結構和微觀結構。宏觀結構是指用肉眼或放大鏡能分辨的結構；細觀結構是指可用光學顯微鏡能觀察的結構；微觀結構是指原子、分子層次的結構。針對混凝土孔隙率的研究屬于細觀層次[11]?；炷敛牧显诩氂^層次上可看作由混凝土基質、粗細骨料、過渡區界面、孔隙等組成的多相復合材料[12-13]?；炷敛牧系目紫斗譃殚_口孔隙和閉口孔隙兩種。二者孔隙率之和等于材料的總孔隙率。但影響混凝土材料性能的多是開口孔隙，如混凝土的吸水性、抗滲性、抗凍性等等。因此，本研究提出的基于飽水法測定混凝土孔隙率指的是測定混凝土開口孔隙的孔隙率，即假定測試時閉口孔隙不參與作用。飽水法測定混凝土孔隙率的計算理論如下。

設混凝土試樣的飽水孔隙率為ε1，則

(1)

式中：W1為試塊飽和狀態時懸吊在水中的質量；W2為飽和面干時的質量；W3為試塊烘干后的質量；Vv為試塊孔隙的總體積；V為試塊的總體積；ρω為水的密度。

各溫濕度條件下混凝土孔隙飽和度k

(2)

式中：Wn為試塊不同飽和度狀態下的面干質量；其他參數意義見式(1)所示。

1.2 飽水法測定混凝土孔隙率的試驗步驟

圖1 飽水法測定混凝土孔隙率的試驗流程Fig.1 Test steps of concrete pore porosity measuring with water displacement method

由上述理論分析可知，飽水法測定混凝土孔隙率的基本原理是通過相應方法將水充滿混凝土孔隙，通過測定混凝土飽水前后的質量變化來計算混凝土的孔隙率。因此，根據飽水法測定混凝土孔隙率的測試原理，測定混凝土飽水孔隙率時需獲取試塊飽和狀態時懸吊在水中的質量W1、飽和面干時的質量W2和試塊烘干后的質量W3。為了得到上述參數，借鑒混凝土抗氯離子滲透試驗方法，采用飽水試驗機、天平等相關設備，按照如下試驗步驟進行混凝土孔隙率的測定：

1)將試樣養護到給定齡期，用切割機切成相應尺寸的塊狀試樣；2)將每組4塊的試樣放入飽水試驗機中進行飽水，飽水試驗機的用法見下文介紹。飽水后，采用靜水天平測量試樣懸吊在水中的質量(飽和)W1，采用電子天平測量飽和面干時的質量W2；3)將試樣移入100 ℃的烘箱中烘24 h，得到試塊的烘干質量W3，然后按照計算公式(1)計算試塊的孔隙率即可。4)對于計算不同飽和程度試塊的飽和度時，試塊飽水前應測量試塊濕態時的面干質量Wn，然后采用公式(2)按計算不同飽和狀態下的試塊飽和度。具體試驗流程見圖1所示。

在進行混凝土試塊孔隙率及飽和度測試時，飽水試驗機的使用應按照下述步驟和控制指標進行：

1)將切割好的混凝土試件垂直碼放于真空室內，試件間要留有空隙，如果試件分兩層，則上層與下層之間應通氣；2)試驗水位應高過所裝混凝土試塊的高度，真空室蓋要蓋好，固定螺栓擰緊，確保其密封性；3)打開飽水試驗機機箱，將連接真空室底部進水電磁閥門的膠管一端放入盛有蒸餾水的容器內中；4)開啟飽水試驗機，將試件無水真空狀態保持3 h，真空壓強不大于133 Pa；然后，上水電磁閥自動開啟自動上水到液位計設定位置后，上水電磁閥自動關閉，1 h后，進氣閥自動打開進氣，進氣2～3 min至真空室內為常壓狀態后自動關閉；然后按要求使試件在常壓下再浸水18 h[14]，此時認為試塊處于飽和狀態，即可取出進行下一階段的試驗之用。

2 飽水法測定混凝土孔隙率的試塊尺寸優化選擇

根據上文內容介紹，飽水法測定混凝土孔隙率時，首先應將養護完成的混凝土切成相應尺寸的試塊，再開展下一步的試驗。因此，合理的試驗試塊尺寸非常重要。但目前采用飽水法測定混凝土孔隙率的試驗方法，針對混凝土試塊的尺寸沒有統一定論。葉銘勛將混凝土切成20 mm×20 mm×5 mm的尺寸，采用飽水法進行了混凝土孔隙率及飽和度的測試[5]。但項目組在后期的試驗研究中發現，20 mm×20 mm×5 mm尺寸的混凝土試塊在實驗室中很難通過切割實現，切割總發生試塊斷角、局部破損等情況，嚴重影響試驗的精度。因此，為了進一步確定飽水法測定混凝土孔隙率時的試塊最優尺寸，確?；炷燎袎K的可行性、易操作性及試驗精度，本項目采用2種不同強度等級的混凝土，4種不同尺寸的、實驗室中易操作的混凝土試塊尺寸，進行混凝土孔隙率的測試，通過試驗結果的對比，確定飽水法測定混凝土孔隙率的最優試塊尺寸，并推薦相應的試驗步驟和控制指標。

2.1 試驗設計

為了檢驗上述建立的飽水法測定混凝土孔隙率的可行性并確定試驗試塊的最優化尺寸，本文設計了兩種強度等級的混凝土C30和C40進行孔隙率測試試驗，混凝土配合比見表1所示。

表1 混凝土配合比設計(質量比)Tab.1 The mix proportion design of concrete (mass ratio)

混凝土宏觀力學性能試驗是較為常規的試驗，相應試驗模具也較為容易得到，由此，本試驗制作了一批150 mm×150 mm×150 mm的立方體試塊和300 mm×150 mm×150 mm的棱柱體兩種試塊，供基于飽水法的混凝土孔隙率測定試驗時切割試塊用。

為了確定飽水法測定混凝土孔隙率時的試塊最優尺寸，基于混凝土切塊的可行性、易操作性及試驗精度，本項目設計4種不同尺寸的混凝土試塊進行相應試驗，尺寸分別為30 mm×30 mm×30 mm、50 mm×50 mm×50 mm、80 mm×80 mm×80 mm、100 mm×100 mm×100 mm。通過不同尺寸試塊下的孔隙率數據對比，確定試塊的最優尺寸。其中，試驗時每種尺寸的混凝土試塊4塊一組進行試驗，取4塊試塊孔隙率測試值的平均值作為每種尺寸試塊的測試值。由此，采用C30、C40兩種混凝土，4種試塊尺寸，2種被切割試塊尺寸，共計64塊試塊用于混凝土孔隙率測試試驗。

2.2 試驗數據分析

根據上述設計的混凝土試塊尺寸，采用飽水法，按照建立的試驗方法及步驟，開展了不同強度等級、不同試塊尺寸的混凝土孔隙率對比測試試驗，試驗過程見圖1所示。由于試驗數據量較大，試驗過程數據僅提供一種試塊尺寸的數據，見表2～表5所示，C30和C40兩種等級混凝土的孔隙率測定值分別匯總于表6和表7所示。其中，30 mm×30 mm×30 mm的試塊尺寸在實驗切割中很難操作，作者認為試驗數據精度不夠，數據參考價值有所降低。

根據混凝土孔隙率的試驗結果，經統計分析，獲取了不同試塊尺寸下混凝土孔隙率測試值的變化規律，其中試塊尺寸與孔隙率測定值的趨勢變化分別見圖2和圖3所示。由試驗結果及孔隙率測定值的趨勢變化曲線圖(圖2和圖3)可知，不論何種等級的混凝土，其孔隙率測定值隨試塊尺寸的增大而減小，但當試塊尺寸大到一定尺寸后，混凝土的孔隙率測定值趨于穩定。根據試驗結果對比可知，由邊長80 mm的立方體試塊測定的混凝土孔隙率與邊長100 mm的立方體試塊測定的混凝土孔隙率基本一致，根據圖2和圖3的變化曲線可判斷，基于飽水法使用不同尺寸試塊測定混凝土孔隙率時，基于邊長100 mm的混凝土立方體試塊測試時，孔隙率測定值趨于穩定。并且，根據實際試驗的操作難度及試驗結果對比可知，30 mm×30 mm×30 mm尺寸的混凝土試塊在實驗中很難制備，切割操作困難，很難保證試驗的精度。而其他尺寸的試塊制備難度及試驗操作難度隨試塊尺寸的增加而降低，且試驗精度隨試塊尺寸的增加逐步提高。

同時，考慮到實際結構的尺寸一般較大，且針對混凝土結構檢測試驗時，多采用邊長100 mm尺寸的立方體試塊進行相關試驗，因此，考慮到試驗的方便性并與常規的試驗規定相統一，本文建議：當采用飽水法進行混凝土孔隙率測試試驗時，宜采用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊進行相關試驗。該尺寸的試驗結果與混凝土的實際狀態更為接近，且與相關的混凝土試驗規程相統一，方便試驗操作。

表2 C30混凝土孔隙率測定值(150 mm×150 mm×150 mm)Tab.2 The pore porosity testing results of C30 concrete(150 mm×150 mm×150 mm)

表3 C30混凝土孔隙率測定值(300 mm×150 mm×150 mm)Tab.3 The pore porosity testing results of C30 concrete(300 mm×150 mm×150 mm)

表4 C40混凝土孔隙率測定值(150 mm×150 mm×150 mm)Tab.4 The pore porosity testing results of C40 concrete(150 mm×150 mm×150 mm)

表5 C40混凝土孔隙率測定值(300 mm×150 mm×150 mm)Tab.5 The pore porosity testing results of C40 concrete(300 mm×150 mm×150 mm)

表6 C30混凝土孔隙率測定值匯總Tab.6 The all pore porosity testing results of C30 concrete

表7 C40混凝土孔隙率測定值匯總Tab.7 The all pore porosity testing results of C40 concrete

圖2 C30混凝土孔隙率測試對比Fig.2ResultscomparisonofC30concreteporeporosity圖3 C40混凝土孔隙率測試對比Fig.3ResultscomparisonofC40concreteporeporosity

3 結論

混凝土的孔隙率對其宏觀力學性能及耐久性有較大影響，準確測定混凝土孔隙率對分析混凝土的宏觀力學性能至關重要。本文通過調研分析、理論推導、對比試驗等手段，對混凝土孔隙率的測定方法及孔隙率測定時的混凝土試塊尺寸選擇方法進行了系統研究，研究結論如下：

(1)目前，混凝土孔隙率的測定方法很多，但多數方法都存在一定的局限性；并且除了部分方法外，多數試驗方法均是通過介質填充置換的方式進行混凝土孔隙率的測試。且不同的測試方法需要的測試設備不同，操作的難度和危險性不同。相對于其他方法，飽水法測定混凝土孔隙率在設備價格、操作難度方面均具有明顯的優勢。因此，本文基于調研分析及理論推導，提出了基于混凝土飽水試驗的混凝土孔隙率測定方法，推導了飽水法測定混凝土孔隙率的計算公式，并建立了相應的試驗步驟。

(2)飽水法測定混凝土孔隙率時，采用的試塊尺寸沒有統一的定論。不同尺寸試塊的制備難度，測試精度也不同。因此，本文基于飽水法、通過采用不同混凝土試塊尺寸測定混凝土孔隙率的對比試驗，獲取了不同試塊尺寸對混凝土孔隙率測定結果的影響，基于試驗的可操作性、方便性及與常規試驗規定的統一性，建議了基于飽水法測定混凝土孔隙率的最優化試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊。本研究對推動混凝土孔隙率測定方法的進步與標準化具有積極作用。

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