若干因素对多孔水泥混凝土内部孔隙状态影响研究

彭永胜

摘 要：为研究骨料因素和成型工艺的不同对多孔水泥混凝土内部孔隙状态的影响，采用工业CT扫描技术对多孔水泥混凝土试件内部孔隙进行识别，并通过CT图像数据提取方法获得多孔水泥混凝土内部孔隙率、孔隙连通状态及孔径尺寸等。结果发现，不同骨料级配中，随骨料粒径增大，多孔水泥混凝土试件内部孔隙率、平均孔径大小以及孔隙连通状态整体呈增长趋势。与碎石相比，卵石多孔水泥混凝土孔隙率和平均孔径略小，连通孔隙率略高。振动时间越长，孔隙率越低，平均孔径越小，但随时间的增加，变化并不明显。与此相反，采用插捣法制备的试件内部孔隙分布均匀性较振动法差，且试件内部连通孔隙率要高于振动法。相较于骨料体积比、骨料种类以及成型工艺，骨料级配对孔隙状态影响最为显著。

关键词：工业CT扫描技术;多孔水泥混凝土;孔隙状态;骨料;成型工艺

中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）10-0091-05

Abstract： In order to study the influence of aggregate factors and forming technology on the pore state of porous concrete， industrial CT scanning technology was used to identify the pore inside the porous concrete specimen， and the image data extraction method was adopted. The porosity， porosity， porosity and size of porous cement concrete were obtained. The results showed that the porosity， average pore size and porosity of porous concrete specimens increased with the size of aggregate. Compared with gravel， the porosity and average aperture of pebble porous concrete were slightly smaller， and the connected porosity is slightly higher. The longer the vibration time， the lower the porosity and the smaller the average aperture， but the change is not obvious with the increase of time. In contrast， the internal porosity distribution of the sample was worse than that of the vibration method， and the connected porosity of the sample was higher than that of the vibration method. Compared with aggregate volume ratio， aggregate type and forming technology， aggregate grade pair pore state had the most significant influence.

Keywords： Industrial CT Scanning Technology;porous concrete;porosity;aggregate;forming process

多孔水泥混凝土作為一种新型生态混凝土材料是国内外研究混凝土材料的热点，因其具有大量孔隙且孔隙状态不一而形成较好的吸声、排水、抗滑以及生态环保等性能[1-5]。对多孔水泥混凝土内部结构模型进行的研究较多，其中最为合理的一种研究为[6]粗骨料充当骨架，水泥净浆或砂浆作为胶结材料覆盖于粗骨料表面，使粗骨料紧密连接且形成良好孔隙。

部分研究发现，多孔水泥混凝土在粗骨料用量80%、细骨料用量20%条件下，所得试件透水性能大增，测得孔隙率以及内部孔隙状态良好[7]。当增加水泥用量，多孔水泥混凝土内部孔隙状态变化较大，孔隙率减少8%～10%[8]。粗骨料作为多孔水泥混凝土主要组成部分，其变化亦会引起孔隙状态的较大波动。因此，对比碎石与卵石两种骨料作为粗骨料试验发现[9]，由于碎石表面易于裹覆水泥砂浆等胶结材料，因此碎石骨料多孔水泥混凝土所得抗压强度与其孔隙率之间具有良好的相关性;卵石制备试件内部孔隙状态较差，所得抗压强度与孔隙率之间相关性不佳。与普通混凝土相同之处在于，水灰比对多孔水泥混凝土强度以及其内部孔隙状态均有较大影响[10]。

当前研究多数为针对多孔水泥混凝土力学性能以及其内部孔隙率的研究，而对于其内部孔隙状态、孔隙大小等尚未提及。本文主要采用工业CT扫描技术，从骨料、成型工艺等多个因素对多孔水泥混凝土内部孔隙状态展开研究。

1 试验

1.1 原材料

1.1.1 水泥。本试验选用祁阳海螺普通硅酸盐42.5基准水泥，其基本参数为：比表面积为340m2/kg，密度为3.12g/cm3。具体化学分析及组成如表1所示。

1.1.3 水。水采用普通自来水。

1.2 孔隙状态的获得

试验采用工业CT扫描系统。为避免扫描图像模糊，将成型试件二等分切割;为减小边壁效应的影响[11]，扫面位置分别在距离试件上表面40、50、60、70、80、90、100mm及110mm处，如图1所示。采用“Magic Eye ICT”软件进行图像处理工作，图像中白色代表骨料，黑色代表孔隙，两者之间的灰色表示其中的硬化浆体，设定灰度值，计算其孔隙率，如图2所示。取8处不同位置CT切片图像孔隙率的平均值，视该平均值为试件的孔隙率。软件Image Pro Plus作为进一步处理图像的工具，可将扫描到的图像转化为等面积的圆，以转换后圆的直径大小代表该扫描孔径尺寸，如图3所示。

2 结果与讨论

2.1 骨料级配

表3为四种不同级配下多孔水泥混凝土的孔隙率及平均孔径尺寸，从级配1至级配4，测得孔隙率持续增大，其原因在于骨料级配不同，其堆积密度也不相同，制备的多孔水泥混凝土孔隙率随之不同，且试件孔隙率呈现增长趋势。四种骨料级配变化，则多孔水泥混凝土内部骨料粒径变化较大;骨料粒径逐步增大，骨料间距越来越大，所形成的内部孔隙不仅增多，且孔隙直径变大，即连通孔隙增多。图4为四种级配下多孔水泥混凝土内部不同孔径的孔隙所占比例。由图4可知，骨料级配由级配1到级配4变化时，多孔水泥混凝土内部孔隙率越来越大，同时连通孔隙亦同步增多。

2.2 骨料体积比

骨料体积比变化，多孔水泥混凝土内部孔隙状态随之变化。由表4可知，体积比越大，多孔水泥混凝土内部孔隙率越大，且孔隙率增涨幅度越来越高;当体积比达到0.98时孔隙率增大最多。结合试验过程分析该变化规律原因可知，多孔水泥混凝土中粗骨料所占比例较高，体积比增大，則剩余材料中水泥用量必然减少，即胶结材料不断减少。多孔水泥混凝土理想模型中，胶结材料减少势必导致骨料表面的包裹层变薄，同时骨料之间起连接和胶结作用的黏结点减少;随着骨料体积比的增大，试件内部骨料仅达到互相搭接但无法形成紧密黏结的程度，其孔隙率逐步增大，连通孔隙等增多，如图5所示;然而其抗压强度大幅度降低，不足以提供有效的强度支撑。在多孔水泥混凝土体积比变化试验中所分析体积比增大最终导致形成孔隙率增大，连通孔隙增加，进一步佐证骨料级配变化对多孔水泥混凝土内部孔隙状态试验中所得结论。

2.3 骨料种类

试验中对比玄武岩碎石与河卵石两种粗骨料制备多孔水泥混凝土试件性能。观察表5试验数据可知，卵石骨料制备多孔水泥混凝土孔隙率明显低于碎石制备多孔水泥混凝土孔隙率。结合试验过程分析可得，碎石与卵石两种骨料表面质地差异较大，碎石棱角多且表面粗糙，纹理复杂，而卵石多数为椭圆体。对比两种骨料可知，当多孔水泥混凝土成型时，水泥浆体更加容易覆盖于碎石骨料表面;而卵石光滑不易使浆体滞留，造成其沉积于骨料间隙中，阻碍部分连通孔隙的形成，因此所得连通孔隙率较小。

根据图6数据分析，碎石多孔水泥混凝土内部平均孔径为9.66mm，而卵石多孔水泥混凝土内部平均孔径与前者相比降低1.82mm。碎石多孔水泥混凝土内部孔径大小以10～12mm为主，10mm以上的孔隙占75.6%左右;卵石多孔水泥混凝土内部孔隙主要集中在8～10mm，10mm以上的大孔径孔隙占总孔隙的44%。因此，骨料种类不同，多孔水泥混凝土内部不同孔径孔隙所占比例不同。

2.4 成型工艺

成型工艺不同，多孔水泥混凝土内部孔隙状态表现出不同变化。表6为使用三种不同成型工艺即插捣法、振动15s以及振动30s分别测试其孔隙率、平均孔径及连通孔隙率。当采用插捣法时，多孔水泥混凝土的孔隙率为32.5%;采用振动15s和振动30s方法时，多孔水泥混凝土的孔隙率分别降低4.8%和6.9%。振动法所制备的多孔水泥混凝土的孔隙率比插捣法的低。这是因为采用振动法制备多孔水泥混凝土时，振动频率快，骨料颗粒在振动条件下不断运动，空间位置分布变换，堆积紧密，部分浆体脱离骨料表面而沉积于骨料间空隙造成堵塞。此外，随着振动时间越来越长，骨料颗粒振动加剧，其表面覆盖的浆体脱落沉积于底部阻塞孔隙，所得连通孔隙率减少，因此采用振动30s成型后的多孔水泥混凝土比振动15s成型的孔隙率小。图7为不同成型工艺下孔隙大小比例，不同成型工艺所得试件内部孔隙尺寸大小显著不同。当以插捣法成型时，所制得试件内部孔隙以8～10mm孔径居多，其比例为27.3%，大孔隙亦占据相当一部分，即孔径在10mm以上孔隙为42%;振动15s成型与振动30s成型所得试件内部观测到孔隙孔径分别主要集中在6～10mm、4～10mm，后者孔径以4～6mm为多数。因此，多孔水泥混凝土插捣成型孔隙率较大，振动成型随振动时间延长试件更加密实，孔隙率较低。

3 结论

①骨料级配是影响多孔水泥混凝土孔隙状态的关键因素。随骨料粒径增大，多孔水泥混凝土试件内部孔隙率、平均孔径大小以及孔隙连通状态整体呈增长趋势;体积比增大，骨料用量增加，多孔水泥混凝土内部形成较多孔隙，且以连通孔隙为主。

②与碎石相比，卵石多孔水泥混凝土孔隙率和平均孔径略小，连通孔隙率略高，且骨料种类不同，多孔水泥混凝土内部不同尺寸孔隙多少不一。较之碎石试件，卵石多孔水泥混凝土试件内部孔隙率及平均孔径略小，连通孔隙率略高。

③采用插捣法所得多孔水泥混凝土内部孔隙分布均匀性不佳，但具备一定的连通孔隙;振动成型试件随振动时间延长内部更加密实，孔隙率减小且连通孔隙形成概率降低，平均孔径减小，但变化并不明显。

参考文献：

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