基于CT技術的摻鋰渣再生混凝土孔隙結構特征

陳潔靜，秦擁軍，肖建莊，盧 義

（1.新疆大學建筑工程學院，新疆烏魯木齊 830002；2.同濟大學土木工程學院，上海 200092）

再生混凝土應用前景廣闊，但通常認為再生骨料的初始缺陷會對混凝土整體工作性能造成劣化影響［1-2］.鋰渣（LS）是鋰鹽萃取中產生的工業廢渣，其堆放占地以及對環境的污染問題愈發需要關注.LS的化學成分與粉煤灰、高爐礦渣非常相似，其SiO2含量可達45%～70%，可用于制備不同種類的混凝土［3-5］.Qin等［6］發現再生混凝土摻入一定量的LS后，其立方體抗壓強度等力學性能優于普通混凝土.摻LS再生混凝土的發展，可以緩解相關環境污染問題，實現“雙廢再利用”，兼具生態效益與經濟效益.

計算機層析成像（CT）技術是一種現代無損檢測技術，可以非破壞性與非侵入性地進行混凝土組分結構特征與空間分布的研究［7］.Wong等［8］利用CT技術研究了不同加載狀態下普通混凝土和高強度混凝土圓柱體試樣內部孔隙與骨料狀態的演變；劉京紅等［9］用工業CT技術得到不同加載階段下混凝土孔隙和裂紋的三維（3D）可視化模型.CT無損技術為研究混凝土細觀結構提供了有利條件.

本文利用CT技術對摻鋰渣再生混凝土試塊進行細觀尺度的研究，在計算機圖像處理技術與3D可視化模型的輔助下分析了二維（2D）/3D層面下不同再生骨料（RCA）替代率以及LS摻量試塊的孔隙結構特征，運用灰色關聯理論探究了混凝土孔隙結構特征參數對宏觀力學強度的影響程度.本研究為摻鋰渣再生混凝土的實際應用提供了細觀層次聯系宏觀性能的理論支持.

1 試驗

1.1 原材料

RCA來源于烏魯木齊市廢棄建筑的拆遷工地，經顎式破碎機二次破碎、篩分后調整粒徑為5～31.5 mm連續級配.天然粗骨料（NCA）采用當地卵石，經過清洗與篩分后調整為與再生粗骨料粒徑一致.NCA和RCA物理性能指標見表1，其骨料級配曲線見圖1.

表1 NCA和RCA物理性能指標Table 1 Physical indexes of NCA and RCA

圖1 NCA和RCA的骨料級配曲線Fig.1 Aggregate grading curves of NCA and RCA

采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥（C）；鋰渣取自烏魯木齊鋰鹽廠，經過烘干及研磨處理后投入試驗；細骨料為天然水洗中砂，細度模數為3.5.水泥和鋰渣的化學組成1）文中涉及的組成、替代率、摻量、水灰比等均為質量分數或質量比.見表2.

表2 水泥和鋰渣的化學組成Table 2 Chemical components of cement and LS w/%

1.2 試件的制備

試件的具體配合比參考課題組的研究成果［10-11］，RCA部分替代NCA，LS摻入并減少水泥用量，水灰比為0.45，制備C30摻鋰渣再生粗骨料混凝土.將水泥、鋰渣、骨料等采用HJW60型單軸強制式攪拌機攪拌均勻，倒入150 mm×150 mm×150 mm的模具中，試件經過28 d標準養護后，每組隨機取3個試件，進行立方體抗壓強度測試和CT掃描.抗壓強度根據GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行測試，采用定向荷載控制，加載速率為0.5 MPa/s，結果取平均值.試件配合比與抗壓強度見表3，表中wRCA、wLS分別為RCA的替代率、LS的摻量.

表3 試件配合比與抗壓強度Table 3 Mix proportions and compressive strength of specimens

1.3 CT掃描

采用YXLON的Y.CT Compact設備對試件進行掃描，掃描電壓為430 V，掃描電流為1.55 mA，最大工作功率為0.70 k W，掃描間距為0.50 mm，放大系數為2.02，掃描方式為線陣掃描.掃描所得混凝土CT圖像的分辨率高達3 000×2 084，三相組分在圖像上能夠相對清晰區分.

1.4 圖像處理與2D/3D數據提取

用Matlab函數對CT圖像進行預處理［12］.預處理步驟主要包括：增強，以凸顯各相形貌信息；濾波除噪，以減少分割的誤差；形態學處理.預處理后的CT圖像轉化為灰度模式，有256個灰度級，根據孔隙所占灰度級的不同，利用最大類間方差法計算出孔隙的閾值，提取出只余孔隙相的二值化圖像.利用Image Pro Plus軟件對圖像進行孔徑、表面積等2D孔隙特征參數提取（見圖2），同時使用VG Studio軟件，將主視圖（front），俯視圖（top），右視圖（right）三視角度的CT切片構建成孔隙結構的3D模型（見圖3）.

圖2 圖像處理及2D孔結構提取Fig.2 Image processing and 2D pore structure extraction

圖3 基于三視圖的3D模型構建Fig.3 3D model construction based on three views

2 2D孔隙結構

2.1 孔隙率

沿Z軸等間距選取30張CT圖片進行孔隙結構特征的提取與分析.圖4為試件沿Z軸的孔隙率，圖中L為距Z軸原點的距離.由圖4可見：試件孔隙率沿Z軸變化明顯；孔隙率在接近試件上下表面時表現出了離散性波動，而60～100 mm間逐漸趨向于平均值附近.

圖4 試件沿Z軸的孔隙率Fig.4 Porosity along the Z axis of specimens

方差越大，說明孔隙率離散程度越大，孔隙分布越不均勻.試件的平均孔隙率與方差見表4.由表4可見：方差最小值出現在R30L 20組；在30%RCA替代率下，方差隨著LS的摻入而降低，而25%摻量的LS使試件方差發生了回升，說明適量的LS摻入可有效改善孔隙分布的均勻性，但過量的LS卻不利于孔隙分布均勻；R30L 0的平均孔隙率最大，比LZ增大了17.213%，這是因為RCA比NCA更粗糙，棱角更分明，其表面包裹的老舊水泥砂漿使其孔隙率有所增加［13-14］；30%RCA替 代 率 下，R30L 15、R30L 20、R30L 25的平均孔隙率分別比LZ減少了34.321%、53.017%、16.765%，這是因為LS的火山灰效應，使其與水泥水化作用產生的Ca（OH）2進行二次水化，生成的水化硅酸鈣（C-S-H）膠凝體有填充孔隙作用［4］，此外，經過研磨后的LS粒徑小于45μm，達到了微集料效應的條件.但LS對平均孔隙率的正面效應影響有遞減現象，這意味著其摻量在優化孔隙結構方面有一個極值，可以使再生混凝土內部孔隙結構達到最佳.對此較恰當的解釋是：LS具有形態效應［15］，表現為適量的LS能使混凝土需水量不增加或者減少，也會在體系中起到潤滑作用，但同時LS具有多孔、疏松結構，顆粒微觀形貌不規則，過量的LS會喪失形態效應的優越性，對混凝土孔隙結構、性能造成不利影響；再者，水泥用量的減少極有可能會發生水化不完全的情況，使LS無法與足夠的Ca（OH）2發生有效反應.LS摻量為20%的試件平均孔隙率均低于LZ，且R30L 20的平均孔隙率最小.這是因為R30L 20中RCA與LS的用量達到了一個較理想的平衡，且R50L20、R70L20均表現出比普通混凝土更致密的孔隙結構，平均孔隙率比LS分別減少了30.369%、16.568%.

表4 試件的平均孔隙率與方差Table 4 Mean porosity and variance of specimens

2.2 孔徑

有學者根據孔徑范圍將孔隙分為無害孔、少害孔、危害孔等，并認為一定尺寸的小尺寸孔隙對混凝土的負面影響不明顯，而大尺寸孔隙的負面影響較為顯著［16］.基于體視學原理的2D層面研究中，一般會把孔隙定義為圓或橢圓［17-18］，利用孔徑表征孔隙尺寸，結果見表5，表中dmean、dmax分別為孔隙的平均孔徑、最大孔徑.

表5 試件的孔隙尺寸Table 5 Pore size of specimens

由表4、5可見：不同配合比試件中孔徑的發展趨勢與平均孔隙率不同；平均孔隙率最大的R30L0試件平均孔徑也最大；30%RCA替代率下，隨著LS摻量的增大，試件最大孔徑和平均孔徑均先減小后增大，證明了LS對縮小孔隙尺寸所發揮的積極作用；最大孔徑出現在LZ組，與孔隙結構最優的R30L 20以及RCA替代率最大的R70L 20相比，LZ的最大孔徑分別提高了48.059%、38.018%.由此推測，NCA的堆積方式與大孔徑的出現幾率可能有一定的關系.平均孔徑是評價試件孔隙結構整體優劣的指標.由表5還可見：R30L 0的平均孔徑比LZ增大了1.673%；除了R30L 0，其他試件的平均孔徑均比LZ有一定程度的降低；當LS摻量為20%時，隨著RCA替代率的增大，試件的平均孔徑先減小后增大，這表明適量的RCA帶來的負面影響是可以在一定程度上被LS所緩解.

對孔徑與抗壓強度、孔徑與平均孔隙率的關系進行分析，其結果見圖5.由圖5可見：在圖示范圍內隨著最大孔徑的增大，試件的抗壓強度逐漸降低，二者基于二次方程擬合優度達0.904 2；最大孔徑與平均孔隙率的正相關趨勢較明顯，平均孔隙率隨著最大孔徑的增大而增大；平均孔徑與平均孔隙率亦為正相關，但平均孔徑與抗壓強度基于二次方程的擬合優度不佳.

圖5 孔徑與抗壓強度、孔徑與平均孔隙率的關系Fig.5 Relation among pore diameter，compressive strength and porosity

2.3 表面積分布

孔隙在數量與形態大小上的表征較復雜，以單一均值或極值進行分析難以表現其尺寸分布規律.本文基于統計結果將孔隙表面積S從0開始進行分級統計，獲得不同表面積下的孔隙占比，結果見圖6，圖中Save為平均孔隙表面積.由圖6可見：整體上看，孔隙面積大都集中在0～3 mm2，其占比超過了60%；隨著表面積分級的提高，其占比大致呈現減少的趨勢；在0～2 mm2范圍的小表面積孔中，小表面積孔占比隨著LS摻量的增大表現出先增加再減少的趨勢，而此范圍內R30L 20的小表面積孔占比R30L 0減少了42.710%，證明了20%摻量的LS能顯著影響孔隙生長規律，使孔隙總體趨于小孔分布.

圖6 孔隙表面積分布直方圖Fig.6 Frequency histogram of pore area distribution

綜上，適量LS的加入可以優化再生混凝土的孔隙結構，促進內部結構致密化與孔隙分布均勻化.

3 孔隙3D形態表征

在2D層面的研究中，有學者常用外接橢圓的長軸與短軸之比來量化孔隙偏離橢圓的程度；也有學者提出形狀因子［19］，但都是基于與標準圓相比較的思想來實現.基于孔隙3D模型的建立，可以直觀孔隙真實形態，可使用密實度（C）與球體度（Sp）2個形態特征參數對真實孔隙形狀進行描述.孔隙的球體度與密實度越接近1，則形態越接近標準圓，其計算公式為：

式中：Vdefect為孔隙3D體積；Vsphere即以孔隙3D幾何體最長軸的1/2為半徑的外接球體體積；A為孔隙3D表面積.

試件的平均密實度Cmean與平均球體度Sp，mean見表6.由表6可見：30%RCA替代率下，隨著LS摻量的增加，試件平均密實度有輕微的下降，而這個趨勢在平均球體度中并不明顯；在20%LS摻量下，隨著RCA替代率的增加，平均球體度也呈現下降趨勢.

表6 試件的平均密實度與平均球體度Table 6 Mean compactness and mean sphericity of specimens

以0.1為間隔對孔隙球體度進行劃分，0～0.4與0.8～1.0區間的球體度占比較小且差異不明顯，因此將其合并.試件球體度分布見圖7.由圖7可見：大部分孔隙的球體度在0.5～0.7之間，0.8以上球體度的孔隙占比極少，說明越接近標準圓的孔隙數量越少，因此以標準圓規范孔隙形態的設計與計算存在一定誤差；所有試件中球體度大于0.6的孔隙占比均超過50%，可以認為大多數孔隙形態較為理想；摻LS再生混凝土試件的球體度大于0.6的孔隙占比均超過60%，比LZ組提高了12.506%.

圖7 球體度分布直方圖Fig.7 Proportion histogram of pore sphericity

4 關聯性評估

由于孔隙尺寸、分布的復雜性，很難建立每個單一孔隙特征與抗壓強度之間的關系.因此，本文利用灰色關聯度理論，基于所提取的多個孔隙特征來量化其對抗壓強度的影響程度.將孔隙特征相關參數設為比較序列，將抗壓強度設為參考序列.根據文獻［20］，計算各孔隙特征參數與抗壓強度的灰色關聯度，結果見表7、8.由表7可見：除了2～3 mm2孔隙表面積外，所有試件孔隙表面積與抗壓強度的灰色關聯度均達到了0.700以上；表面積為0～1、1～2 mm2的孔隙對其抗壓強度影響最明顯，比平均表面積與抗壓強度的灰色關聯度分別提高了2.660%、16.888%.由表8可見：在孔隙形態特征參數中，平均密實度、平均球體度與抗壓強度灰色關聯度達了0.886、0.968，比平均表面積與抗壓強度的灰色關聯度分別高了17.819%、28.732%，說明除孔隙的數量與大小之外，孔隙的形態特征對抗壓強度的影響也值得關注；隨著球體度的增大，其與抗壓強度的灰色關聯度持續提高，說明孔隙越接近標準圓，其與抗壓強度關系更密切.

表7 孔隙表面積與抗壓強度的灰色關聯度Table 7 Grey correlation between pore area and compressive strength

表8 孔隙形態特征參數與抗壓強度的灰色關聯度Table 8 Grey correlation between pore morphological characteristic and compressive strength

5 結論

（1）30%再生骨料（RCA）替代率下，再生混凝土的平均孔隙率隨著鋰渣（LS）摻量增大先降低后提高；在20%鋰渣摻量下，再生混凝土的平均孔隙率隨RCA替代率增加先降低后提高，R30L 20平均孔隙率最低且分布最均勻；平均孔徑與平均孔隙率呈正相關，最大孔徑與抗壓強度擬合優度達0.904 2；適量的LS可以優化再生混凝土的孔隙結構，促進其內部結構致密化與孔隙分布均勻化.

（2）在三維孔隙表征的基礎上，大部分孔隙的球體度在0.5～0.7之間，極少出現接近標準圓形態的孔隙，LS與RCA的共同作用可以提高孔隙整體球體度.

（3）平均球體度、平均密實度與抗壓強度的關系緊密，孔隙球體度越接近1，與抗壓強度關聯性越好；在二維表面積特征參數中，0～1、1～2 mm2的表面積分布與抗壓強度關聯性較好.

（4）建議采用適用于高密度部件的高壓扇束型工業CT掃描技術輔以數字圖像處理技術對混凝土進行細觀結構無損檢測，以實現其強度預測分析.