摻淤砂混凝土力學行為與微觀孔結構特征研究

師現營，師蘇傲特，李 松

（1.河南省豫東水利工程管理局，河南 開封 475000； 2.中國電建水利水電十一局，河南 鄭州 450001；3.華北水利水電大學 水利學院，河南 鄭州 450046）

1 引 言

孔隙率是表征混凝土微觀結構的主要參數。 通過試驗發現，在相同孔隙率的條件下混凝土的力學特性可能存在差異，故對材料微觀結構的研究僅關注孔隙、空洞數量遠遠不夠，孔隙、空洞的分布特性也影響材料的力學性能和損傷演化過程。 已有研究成果表明，對于混凝土材料中的孔隙而言，考慮孔徑分布宏觀性能與微觀構造特征的關系模型比僅考慮孔隙率的模型更為合理［1］。 布特模型將孔隙分為凝膠孔（＜10 nm）、過渡孔（10 ～100 nm）、毛細孔（100 ～1 000 nm）和大孔（＞1 000 nm）［2］。 吳中偉等［3］將孔徑劃分為無害孔級（＜20 nm）、少害孔級（20 ～50 nm）、有害孔級（50 ～200 nm）和多害孔級（＞200 nm），并且認為增加50 nm以下的孔、減少100 nm 以上的孔有助于改善混凝土性能。

隨著時代的發展，混凝土產品不再單純是水泥和砂石的結合體，各種新型混凝土材料根據應用途徑和需求的不同而產生［4-6］。 SEM、MIP 及NMR 等掃描成像技術和孔隙結構分形解釋方法的出現，為深層次研究混凝土材料的微觀結構提供了條件。 Lü Qing 等［7］利用SEM 和MIP 技術，得出硅灰混凝土的抗壓強度與總孔隙率無關、細觀孔隙率能夠增加其強度、粗大孔隙始終有害、分形維數的增大可以線性地降低抗壓強度的結論；徐行軍［8］基于微米CT 掃描結合三維重構模型，得出大孔是決定混凝土孔隙分布關鍵因素的結論；邱繼生等［9］利用NMR 技術，得出陶粒混凝土最可幾孔徑減小能夠有效改善混凝土微觀孔結構的結論。

混凝土的初始缺陷和孔隙是一個多尺度的概念。目前，對材料微觀結構的研究主要考慮整體孔隙率或基于分形理論進行總體評價，而對整體孔隙進行分尺度的研究較少。 筆者利用力學性能試驗，考慮混凝土微觀結構的復雜性，選用NMR、SEM 技術，基于PCAS軟件提取孔隙參數協同各類型孔隙率對混凝土的孔隙進行分尺度研究，解釋礦渣-淤砂混凝土的微觀特征對力學行為的影響機理。

2 試驗方案

2.1 原材料

水泥采用天瑞P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，主要性能指標見表1。 礦渣購自河南豫聯電廠，外觀呈灰白色，化學組成見表2，符合《用于水泥、砂漿和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》（GB／T 18046—2017）關于礦物摻和料的規定。

表1 水泥性能指標

表2 膠凝材料化學組成 %

淤砂取自鄭州市某河道，經干燥、除雜、篩分等工序后堆積密度為1 218.0 kg／m3；粗骨料選用粒徑5 ～10 mm 的碎石，堆積密度為1 541.3 kg／m3；天然河砂（中砂）購自唐河縣鑫淼砂石有限公司，堆積密度為1 625.0 kg／m3，細度模數為2.95，含泥量為1.5%。 骨料顆粒級配曲線見圖1。

圖1 骨料顆粒級配曲線

2.2 配合比設計

本文旨在研究礦渣-淤砂混凝土力學行為與微觀結構之間的相關性，故以現有研究成果為基礎，以礦渣摻量30%為基本組（編號S0），以淤砂摻量10%、20%、30%為試驗組（編號分別為S10、S20、S30），所有試件均選用萘系減水劑（摻量1%）和NaCl+N2SO4復合激發劑（摻量1%），水膠比為0.36，各組其他成分配合比見表3。 標準試件成型尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，每組6 個試件，試件澆筑后放置室內24 h 后脫模，脫模后將成型試件移至標準養護室（室溫（20±2）℃、濕度95%），為確保膠凝材料充分水化，養護齡期為180 d。

表3 試驗配合比設計 kg／m3

2.3 試驗方法

力學性能試驗參照《水工混凝土試驗規程》（SL 352—2006）進行。

利用真空加壓飽和裝置使試件真空飽和，然后將試件放入核磁共振儀線圈中，利用EDUMR20-015V-Ⅰ核磁共振（NMR）分析系統進行核磁共振弛豫時間測量，采集到CPMG 序列衰減信號數據后，進行反演，得到T2譜圖，最后轉化為孔徑分布圖。

取混凝土樣品，保留原始形態，用鑷子輕取少量殘塊，斷面朝上，固定于樣品臺座導電膠上，對其噴金鍍膜處理后進行分析檢測，儀器采用美國FEI 公司QUANTA-650 型環境掃描電鏡（ESEM）及EDAX 公司的APOLLO-X 型能譜儀，工作電壓25 kV，工作距離10 mm，掃描時間30 s。

3 基于PCAS 技術的孔隙結構分析方法

PCAS 技術基于閾值法，將高分辨率圖像進行二值化轉化，其分析過程如圖2 所示，其中黑色為孔隙，空洞與白色為其他部分，為盡可能消除分析誤差，多次取閾值對孔隙進行分析，從而提取孔結構的數量、面積、平均周長、分形維數及孔隙形狀因子等參數［10-11］。

圖2 PCAS 技術分析過程

提取孔結構特征參數：孔隙率、最大孔隙面積、平均孔隙面積、平均周長、形狀因子（ff）、概率熵（H）、分形維數（Df）。

形狀因子（ff）表征孔隙邊緣的粗糙程度，最大值為1（圓形），值越小表明孔隙邊緣越粗糙，結構越復雜。

式中：s為像素面積；c為像素周長。

概率熵（H）用來量化孔隙的定向性，概率熵取值0～1，當H＝0 時表征孔隙發育均在同一方向上，當H＝1 時表征孔隙發育方向隨機分布。

式中：Pi為孔隙i在一定方向角的概率。

分形維數Df用于描述參數在一定范圍內的變化程度，即數據的非均質性，值越大相關參數的非均質性越強，反之非均質性越弱。 定義為

式中：c1為常數。

整理式（1）與式（3）得

式（4）可概化為

其中

4 試驗結果分析

4.1 力學性能

以抗壓強度為指標對礦渣-淤砂混凝土進行宏觀力學性能評價。 不同淤砂摻量混凝土的抗壓強度見圖3。

圖3 不同淤砂摻量混凝土的抗壓強度

由圖3 可知，隨著淤砂摻量的增大，混凝土的抗壓強度先增后減，淤砂摻量為10%時抗壓強度最大，為20%時次之且大于摻量為0 時的。 原因是淤砂顆粒與河砂相比細度偏小，在合理摻量范圍內，可以優化混凝土骨料堆積結構，細集料可以對粗集料間隙進行充分填充，使混凝土內部孔隙率減小，達到密實的效果［12-13］；淤砂自身具有吸水效應，當水泥基體的濕度小于淤砂顆粒的濕度時，在水勢差作用下水泥基體得到“補水”，使得混凝土內部的自養護作用增強，從而增大抗壓強度［9］。

4.2 孔結構特征

根據核磁共振（NMR）試驗結果以及布特模型和吳中偉對孔隙尺度分級的標準［2-3，14］，通過數據處理計算，得到系列孔隙參數（孔隙率、最小孔徑、最可幾孔徑、各尺度孔級占比），具體結果見表4、表5、圖4。

圖4 淤砂摻量與孔隙特征的關系

表4 基于布特模型的各類型孔的孔隙率及孔級占比統計 %

表5 基于吳中偉模型的各類型孔的孔隙率及孔級占比統計 %

由表4 統計結果發現，當淤砂摻量為30%時，布特模型中大于100 nm 孔徑的孔隙孔級占比減小，100 nm孔徑以下孔隙增多。 由表5 統計結果發現，50 nm 孔徑以上孔和以下孔具有同樣的變化規律。 原因可能是：淤砂微粒的絮凝成團作用使得孔隙結構的規則度變差，淤砂摻量越大，孔隙不規則性越明顯。 根據SEM 測試原理，真空加壓難以飽和，造成部分大孔信號缺失，孔隙率呈先減小后增大變化趨勢，造成有害孔孔隙率低，強度反而降低的情況［15-16］。 淤砂顆粒對混凝土的物理填充作用越明顯，細小孔隙越多。

由圖4 可知，隨著淤砂摻量的增大，混凝土最小孔徑和最可幾孔徑均為單調遞減趨勢，充分說明淤砂顆粒的物理填充作用與上述推斷相符。 孔隙率呈先減小后增大變化趨勢，S10 組孔隙率最小。

根據布特模型的孔徑統計結果可知：淤砂混凝土的孔徑主要集中在10～100 nm，即主要為過渡孔，占總孔隙的65%～78%，并隨著淤砂摻量的增大，其孔隙率先減后增，最小孔隙率對應的淤砂摻量為10%；0 ～10 nm尺度的孔隙率遞增；100～1 000 nm 和大于1 000 nm 孔徑的孔隙率變化規律相同。

根據吳中偉模型孔徑分布統計結果可知，各尺度孔級占比相差不大，同時各尺度孔隙率的變化規律與布特模型所示結果基本保持一致。 充分說明兩種模型對于評價淤砂混凝土的孔隙尺度變化均有一定的參考意義。

為進一步推理研究，選取S0 組SEM 掃描圖片和S30 組SEM 掃描圖片，根據孔隙尺度，以1 000 倍電鏡圖片表征微觀孔隙結構，以5 000 倍電鏡圖片表征納米級孔結構即凝膠孔，如圖5、圖6 所示。 利用PCAS技術和分形理論進一步評價混凝土微觀結構，并對分析結果進行統計，其中孔隙面積、平均周長均為基于給定同尺度圖片的相對長度，見表6。

圖5 S0 組SEM 掃描圖片

圖6 S30 組SEM 掃描圖片

由表6 可知：在1 000 倍尺度下，S30（淤砂摻量30%）組的孔隙率比S0 組的明顯增大，最大孔隙面積和平均周長均有體現，形狀因子減小，概率熵增大，說明孔隙結構變復雜，孔隙的發育方向隨機。 在5 000倍尺度下，S30 組混凝土凝膠孔的孔隙率劇增，孔洞增多，形狀因子增大，概率熵減小，分形維數增大，說明凝膠孔的孔隙結構有轉優的趨勢，但孔隙率增大，孔洞體積變大，均勻分布的孔洞使凝膠體形成“網狀結構”，膠凝效應弱化，導致出現表4 和表5 中混凝土的大孔徑占比由大變小，強度反而降低的情況。 分析結果與上述推斷情況吻合［17-18］。

表6 PCAS 技術微觀分析參數統計

4.3 力學性能與孔結構相關性分析

為建立孔結構與抗壓強度之間的作用規律，對抗壓強度與孔隙率、各尺度孔隙率進行相關性分析，如圖7～圖9 所示。

觀察圖7、圖8 所示的線性模型可知，擬合效果較好，抗壓強度與總孔隙率、布特模型中10 ～100 nm 級孔隙率保持良好的線性關系，故對于外摻淤砂-礦渣混凝土來說，10～100 nm 級孔隙率對抗壓強度的劣化作用最為明顯。 而圖9 所示線性模型有所差異，原因是吳中偉模型中僅將20～50 nm分為一級，包含于10～100 nm中，包含范圍過小。

圖7 抗壓強度與孔隙率相關性分析

圖8 抗壓強度與各尺度孔隙率相關性分析（布特模型）

圖9 抗壓強度與各尺度孔隙率相關性分析（吳中偉模型）

5 結 論

（1）礦渣-淤砂抗壓強度隨淤砂摻量的增大先增大后減小，在淤砂摻量為10%時最優，為20%時次之，并且抗壓強度優于摻量為0 的混凝土，基于經濟性和資源化考慮，淤砂有效摻量區間為10%～20%。

（2）對抗壓強度與孔結構參數進行相關性研究得出，抗壓強度與總孔隙率保持良好的線性關系，對于各尺度孔隙率來說，10 ～100 nm 級孔隙結構對抗壓強度影響最為顯著。

（3）淤砂摻量增大，凝膠孔的形狀因子增大，概率熵減小，分形維數增大，孔隙結構有轉優的趨勢，但孔隙率增大，孔洞體積變大，均勻分布的孔洞使凝膠體形成“網狀結構”，膠凝效應弱化，導致混凝土的大孔徑占比由大變小，強度反而降低。