圖像分析法在水泥早期抗裂性研究中的應(yīng)用

劉 朝（上海建科檢驗(yàn)有限公司，上海 201108）

現(xiàn)代水泥混凝土中新工藝、新材料的引入使其施工性能和力學(xué)性能都有了長(zhǎng)足發(fā)展，但開(kāi)裂問(wèn)題尤其是早期開(kāi)裂問(wèn)題卻日益嚴(yán)重。水泥作為混凝土的基本膠凝組分，是引起混凝土收縮開(kāi)裂的源頭。由于片面追求強(qiáng)度，在1920—1990 年的 70 a 間，美國(guó)水泥的細(xì)度從 220 m2/kg增長(zhǎng)到了 340～600 m2/kg，C3S 含量也從 35% 提升到了50%～70%[1]，我國(guó)水泥的發(fā)展歷程也類似，這是引發(fā)混凝土結(jié)構(gòu)早期開(kāi)裂增多的重要原因。

圖像分析測(cè)試技術(shù)[2]是一種將圖像信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)軟件計(jì)算處理的新型測(cè)試方法，由于其再現(xiàn)性好、精度高、靈活度高等特點(diǎn)。本文以平板法為基礎(chǔ)，輔以圖像分析技術(shù)探索一種新的水泥凈漿早期抗裂性試驗(yàn)方法[3]，其主要包括：圖像采集、二值化處理、軟件計(jì)算、結(jié)果輸出等過(guò)程。試驗(yàn)中過(guò)程中，50 倍放大數(shù)碼相機(jī)對(duì)移動(dòng)的試樣表面進(jìn)行連續(xù)拍照監(jiān)測(cè)，20 min 完成一次圖片采集，對(duì)采集的圖片匯總并進(jìn)行二值化處理，軟件分析計(jì)算裂縫的特征參數(shù)。此方法對(duì)試樣表面進(jìn)行實(shí)時(shí)拍照監(jiān)測(cè)，不僅能夠定量計(jì)算水泥凈漿試樣的初裂時(shí)間、24 h 最大裂縫寬度和裂縫總面積等參數(shù)，還可以分析 24 h 裂縫的分布以及 1 d內(nèi)最大裂縫寬度和裂縫面積的發(fā)展規(guī)律，對(duì)精確研究水泥自身的早期抗裂特性，提高水泥混凝土的早期抗裂性能具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 原材料

試驗(yàn)用水泥為上海海螺牌 42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥，其3 d 和 28 d 抗壓強(qiáng)度分別為 24.1 MPa 和 46.3 MPa；礦粉為磨細(xì) S 95 級(jí)礦粉，比表面積 467 m2/kg；粉煤灰為上海寶鋼自備電廠Ⅱ 級(jí)粉煤灰；硅灰（上海）。水泥、粉煤灰、硅灰的化學(xué)組成見(jiàn)表1。

表1 水泥、粉煤灰、硅灰的化學(xué)組成

2 試驗(yàn)方案研究

水泥凈漿抗壓強(qiáng)度試塊采用 40 mm×40 mm×40 mm模具成型，與水泥抗裂試件同條件養(yǎng)護(hù) 24 h 后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。

開(kāi)裂測(cè)試用模板凈尺寸為 200 mm×200 mm× 20 mm，四周邊框?yàn)楹皲摪逯瞥桑０宓撞夸佉粚铀芰媳∧ぃ瑴p小底模對(duì)試件收縮變形的影響。模板 4 周、底部保持平整，無(wú)翹曲、凹坑等現(xiàn)象。四周鋼板中心每 40 mm，放置一根直徑 8 mm 的光圓鋼筋，模板內(nèi)凈長(zhǎng)度 30 mm，以此限制模板內(nèi)試件的收縮。水泥凈漿試樣制備過(guò)程：水泥凈漿攪拌完成后澆注在模板中，漿體自行流平，防止振動(dòng)產(chǎn)生泌水現(xiàn)象。成型高度略高于模板，在水泥凈漿成型 2 h后，將試件刮平與模板高度一致，同時(shí)在試件表面均勻撒上 BaSO4粉末，試樣制備完成后放置在樣品臺(tái)上，開(kāi)啟圖像采集系統(tǒng)，對(duì)試樣開(kāi)裂情況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)境條件和水膠比對(duì)水泥漿體的早期開(kāi)裂特性有較大影響，為使該測(cè)試方法具有較高的準(zhǔn)確度與可靠性，需要確定合適的環(huán)境條件和水膠比等參數(shù)，以下兩小節(jié)對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了研究，試驗(yàn)以 P.O 42.5 水泥為膠凝材料，勃氏法測(cè)得比表面積 336 m2/kg。。

2.1 環(huán)境條件對(duì)水泥凈漿早期抗裂性的影響

環(huán)境條件對(duì)水泥凈漿試件早期抗裂性的影響見(jiàn)表 2 和圖 1、圖 2。

表2 環(huán)境條件對(duì)水泥凈漿1d抗壓強(qiáng)度的影響

圖1 環(huán)境條件對(duì)水泥凈漿 1 d 最大裂縫寬度的影響

圖2 環(huán)境條件對(duì)水泥凈漿 1 d 裂縫面積的影響

圖 1 和圖 2 分別為不同環(huán)境條件下，試樣最大裂縫寬度和裂縫總面積發(fā)展規(guī)律圖。由圖 1 和圖 2 可以看出，在 W 2 的環(huán)境中，凈漿試樣開(kāi)裂明顯，初裂時(shí)間為 3 h 40 min，1 d 最大裂縫寬度與 1 d 裂縫面積分別達(dá)到了 1.34 mm 和 176.4 mm2，而 W 1 組試樣未出現(xiàn)明顯開(kāi)裂現(xiàn)象。在 W 3 環(huán)境中，試樣1 d 時(shí)的裂縫較 W 2 又有一定程度的發(fā)展，初裂時(shí)間提前1 h 左右，且 1 d 最大裂縫寬度與 1 d 裂縫面積分別增長(zhǎng)了44.8% 和 85.1%。這可能是因?yàn)殡S著溫度的升高，水泥水化速率加快；同時(shí)試樣中的水分蒸發(fā)速率加快，使毛細(xì)管中水產(chǎn)生彎液面、表面張力增加，促使了水泥凈漿的早期開(kāi)裂。溫度升高使試樣 1 d 的抗壓強(qiáng)度增大，抵抗內(nèi)部變形的能力增強(qiáng)，但并不能抵消較大的毛細(xì)管壓力。試樣表面吹風(fēng)是增大水分蒸發(fā)速率的措施，會(huì)進(jìn)一步增大毛細(xì)管壓力，加速試樣開(kāi)裂進(jìn)程。

研究發(fā)現(xiàn)，W 2 和 W 3 均出現(xiàn)明顯開(kāi)裂，但由于試樣要在制備過(guò)程中需要在表面涂撒 BaSO4粉末，為防止風(fēng)吹散，在試驗(yàn)方法中養(yǎng)護(hù)條件定為無(wú)風(fēng)、溫度（30±2）℃、相對(duì)濕度（60±5）%。

2.2 水膠比對(duì)水泥凈漿早期抗裂性的影響

水膠比對(duì)水泥凈漿試件早期抗裂性的影響見(jiàn)表 3 和圖 3。

表3 水膠比對(duì)水泥凈漿早期抗裂性的影響

圖3 水膠比為 0.35 和 0.45 時(shí)，水泥凈漿 1 d 開(kāi)裂形態(tài)圖

表3 為水膠比對(duì)水泥凈漿早期抗裂性的影響，圖5為水泥凈漿的開(kāi)裂形態(tài)圖。由表 3 可以看出，養(yǎng)護(hù)環(huán)境為無(wú)風(fēng)、溫度（30±2）℃、相對(duì)濕度（60±5）%時(shí)，隨著水膠比的增大，試樣開(kāi)裂程度減輕，水膠比為 0.45 時(shí)，試樣表面未觀察到明顯裂縫。水膠比由 0.35 增加至 0.40 時(shí)，凈漿初裂時(shí)間延遲了 45 min，而 1 d 最大裂縫寬度與 1 d裂縫面積分別降低了 34.0% 和 28.8%。這可能是因?yàn)椋核z比較低時(shí)，漿體內(nèi)部大孔中的自由水較少，水泥水化反應(yīng)后漿體內(nèi)部相對(duì)濕度降低，自收縮較大；此外，按照Pc=σ(1/R1＋1/R2)（Pc 為毛細(xì)管壓力，σ 為液體表面張力，R1和 R2為主曲率半徑)計(jì)算得到的毛細(xì)管壓力較大，試樣內(nèi)部收縮應(yīng)力大，因此開(kāi)裂更為嚴(yán)重。

由圖 3 可以看出，水膠比 0.35 時(shí)，試樣出現(xiàn)多條不規(guī)則裂縫，且裂縫寬度的變化規(guī)律不明顯，用傳統(tǒng)觀察估算的方法已不能準(zhǔn)確判斷裂縫的總面積。利用圖像分析法，對(duì)試樣進(jìn)行圖像采集，通過(guò)計(jì)算裂縫區(qū)內(nèi)的像素點(diǎn)占圖片內(nèi)像素點(diǎn)的比值，進(jìn)而計(jì)算圖片內(nèi)的裂縫面積，最終對(duì)裂縫面積匯總求和，該方法簡(jiǎn)單準(zhǔn)確、適用性高。

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，水膠比為 0.35 時(shí)，漿體稠度較大，不能在模板中自行流平，需要輕微振動(dòng)，這可能會(huì)引發(fā)漿體泌水，因此在試驗(yàn)方法中水泥漿體水膠比定為 0.40。

3 活性礦物對(duì)水泥凈漿早期抗裂性影響的實(shí)例分析

本小節(jié)利用圖像分析測(cè)試方法研究了活性礦物對(duì)水泥凈漿早期抗裂的影響，以驗(yàn)證試驗(yàn)方法的可行性。活性礦物為粉煤灰和硅灰，摻量分別為 30% 和 10%，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖 4—圖 6。

圖 4 和圖 5 分別為摻加不同活性礦物時(shí)，試樣最大裂縫寬度和裂縫總面積發(fā)展規(guī)律圖，圖 6 為試樣 24 h 時(shí)表面裂縫寬度分布。由圖 4 和圖 6 可以看出，不同活性礦物對(duì)水泥早期開(kāi)裂性的影響不同。粉煤灰對(duì)凈漿試樣的早期開(kāi)裂有一定抑制作用，當(dāng)摻量為 30%時(shí)，試樣初裂時(shí)間為 5 h 20 min，較水泥對(duì)比組延遲 1 h 40 min 左右，而凈漿試樣的 1d 最大裂縫寬度和 1d 裂縫面積為 0.57 mm 和58.7 mm2，僅為水泥對(duì)比組的 43% 和 33%；硅灰會(huì)促進(jìn)凈漿試樣的早期開(kāi)裂，當(dāng)摻量為 10% 時(shí)，試樣初裂時(shí)間為 2 h 40 min，較水泥對(duì)比組提前 1 h 左右，而凈漿試樣的 1d最大裂縫寬度和 1d裂縫面積為 2.1 mm 和 286.9 mm2，分別比水泥對(duì)比組增長(zhǎng)了57% 和 63%。此外，結(jié)合圖 1 和圖 2 還可以發(fā)現(xiàn)，凈漿試樣的裂縫發(fā)展速率存在一個(gè)拐點(diǎn)，多出現(xiàn)在 7～9 h 內(nèi)，拐點(diǎn)以前裂縫發(fā)展速率較快，拐點(diǎn)以后裂縫形態(tài)基本穩(wěn)定，W 2組 9 h 的最大裂縫寬度和裂縫面積分別達(dá)到終值的 86% 和88%，這表明水泥凈漿的早期開(kāi)裂主要為塑性收縮開(kāi)裂，降低 9 h 內(nèi)的塑性開(kāi)裂能有效提高水泥混凝土的早期抗裂性。試樣開(kāi)裂前期，裂縫面積有時(shí)會(huì)出現(xiàn)突然增大的現(xiàn)象，這是由于對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)新裂縫導(dǎo)致的。

圖4 活性礦物對(duì)水泥凈漿 1 d 最大裂縫寬度的影響

圖5 活性礦物對(duì)水泥凈漿 1 d 裂縫面積的影響

圖6 摻加不同活性礦物后，試樣 24 h 時(shí)裂縫寬度

由圖 6 可以看出，水泥組的裂縫分布出現(xiàn)兩個(gè)峰值，裂縫寬度 0.5 mm 及以下的部分占了 43.5%，表明除主裂縫外，出現(xiàn)了較細(xì)小的裂縫。摻加粉煤灰后，試樣中大寬度裂縫消失，開(kāi)裂受到抑制，出現(xiàn)的多為寬度在 0.1～0.4 mm的小裂縫；而摻加硅灰后，小裂縫明顯減少，主要為大寬度裂縫，其中裂縫寬度在 1 mm 以上的部分占到 77.5%，試樣開(kāi)裂現(xiàn)象加重。

可以看出，圖像分析法研究水泥的早期抗裂性，不僅可以定量計(jì)算裂縫寬度、裂縫面積等參數(shù)，還可以發(fā)現(xiàn)裂縫在發(fā)展過(guò)程中的潛在規(guī)律，可行性較高。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）圖像分析法測(cè)定水泥早期抗裂性具有精確度高、適用性強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)裂縫發(fā)展?fàn)顟B(tài)，定量計(jì)算裂縫寬度、裂縫面積等特征參數(shù)。

（2）試驗(yàn)方法中試樣尺寸為 200 mm×200 mm×20 mm，環(huán)境條件為無(wú)風(fēng)、溫度（30±2）℃、相對(duì)濕度（60±5）%，水膠比為 0.40 時(shí)，試件的開(kāi)裂結(jié)果有較高的可靠性。

（3）P.O 42.5 水泥中摻加 30% 粉煤灰會(huì)抑制漿體的收縮開(kāi)裂，其 1 d 最大裂縫寬度和裂縫面積分別降低 57% 和67%；摻加 10% 硅灰會(huì)促進(jìn)漿體的早期開(kāi)裂，試樣 1 d 最大裂縫寬度和裂縫面積分別增長(zhǎng) 57% 和 63% 。裂縫發(fā)展速率存在拐點(diǎn)，早期開(kāi)裂主要為塑性收縮開(kāi)裂。