基于孔结构特征的再生骨料透水混凝土抗冻耐久性试验

尹志刚，张 恺，赵 越

(1.长春工程学院,水利与环境工程学院，长春 130012;2.大连理工大学,海岸与近海工程国家重点实验室,大连 116024; 3.大连理工大学，建设工程学部水利工程学院，工程抗震研究所,大连 116024)

0 引 言

透水混凝土是一种具有高透水性能的多孔混凝土，不含或仅含少量细骨料，其内部曲折连通孔隙能有效贮存、渗透和净化水质，具有改善和缓解地表生态环境，减小城市暴雨内涝等功用，是建设“海绵城市”的重要组成部分[1]。但也是由于其多孔透水的特性，致使其冻融破坏与普通混凝土有明显不同，故开展透水混凝土在冻融环境下的力学性能和耐久性能试验是目前亟待解决的关键问题。

面对建筑垃圾粗放性填埋堆放和自然资源日益紧缺的情况，研究利用废旧建筑垃圾替换部分天然骨料来制备生产混凝土对可持续发展具有重要社会意义。国内外学者已开展大量有关再生骨料混凝土力学性能的研究，如孙家瑛等[2]研究了再生集料粒径、集灰比等对再生集料透水混凝土的物理力学性能和耐久性的影响，指出随着集料粒径增大或集灰比的提高，透水混凝土强度逐步降低，透水率增加。Zaetang等[3]研究了不同再生混凝土集料掺量和类型对透水混凝土强度、透水性和表面耐磨性的影响，结果表明，随着替代料的增加，再生骨料混凝土的抗压强度先增加后降低，且耐磨性也在一定程度上得到提升。郭磊等[4]对不同聚丙烯纤维和碳纤维改性对再生骨料透水混凝土力学性能、透水性及耐磨性进行了研究；王雅思等[5]研究了骨料种类、目标孔隙率、不同成型方式对再生骨料透水混凝土力学性能和物理性能的影响程度。张浩博等[6]探讨了水灰比、骨料粒径、砂率等因素对再生骨料透水混凝土抗压强度和透水性能的影响，结果表明水灰比对强度的影响最为显著，随着骨料粒径的增大，抗压强度逐渐下降。薛冬杰等[7]基于图像处理的方式探索了透水生态混凝土试件在冻融条件下的孔隙率和孔径的变化规律，结果表明在受冻时孔隙不断变大，0～5 mm的孔隙增幅达37%。蒋昌波等[8]探讨了孔隙率、水灰比和骨料粒径对多孔混凝土内部孔径大小分布和平面连通孔隙率的影响，并基于数字图像处理技术获取了不同配合比下多孔混凝土试件内部孔隙特征。

综上，目前对再生骨料透水混凝土力学性能的研究主要集中在配合比改性方面，而在其经受冻融破坏后孔结构与其力学性能和渗透性能方面的研究还有待进一步完善。本文以30%再生粗骨料掺量制备透水混凝土，开展快速冻融循环试验，研究再生骨料透水混凝土的渗透性能和抗压强度随冻融循环次数的变化规律，并通过CT扫描和图像处理进一步分析再生骨料透水混凝土冻融后孔结构与其渗透性能和力学性能之间的关系，为再生骨料透水混凝土工作性能和耐久性能的研究提供参考。

1 实 验

1.1 材料性能及配合比设计

试验选用P·O 42.5级普通硅酸盐水泥；矿物掺合料选用SiO2含量为94.33%的微硅粉；砂掺量为粗骨料的8%，细度模数为2.66；再生粗骨料来源于废弃C30钢筋混凝土梁破碎加工制成，其中再生骨料掺量为30%；选用南京某公司生产的透水混凝土增强剂(Reinforcing Agent)，其主要成分见表1；聚丙烯纤维的物理性能见表2；选用沈阳某公司生产的FDN萘系高效减水剂，具体物理性能见表3。试验用水为自来水。试验采用规范[9]中体积法进行设计，目标孔隙率为15%，具体配合比见表4。

表1 透水混凝土增强剂主要物理性能Table 1 Main physical properties of reinforcing agent

表2 聚丙烯纤维物理性能Table 2 Physical properties of polypropylene fiber

表3 FDN型高效减水剂物理性能Table 3 Physical properties of FDN superplasticizer

表4 再生骨料透水混凝土配合比Table 4 Mix proportion of recycled aggregate pervious concrete /(kg·m-3)

1.2 方 法

(1)试验测试主要方法

试验依据规范[9]要求和文献[10]中所采用再生骨料透水混凝土试块制备流程，以二次投料法的顺序浇筑制备立方体试块，采用人工插捣和振动成型，将拌合料分三次装入试模内，沿四边插捣，最后一次装填拌合料高出试模约20 mm，然后置于振动台上，振压约20 s，用抹刀压实抹平表面。为防止水分蒸发用保鲜膜覆盖在试件成型上表面，静置24 h后拆模，养护至规定龄期。试块主要用于测量不同冻融循环次数后的透水系数，连续孔隙率和抗压强度。其中透水系数试验参考文献[11]提出的定水头测试方法，按式(1)计算:

(1)

式中：K为渗透系数，cm/s；Q为t时间内流过试件的水量，cm3；L为透水混凝土试件高度，cm；A为透水混凝土试件横截面积，cm2；H为透水仪器水头差，cm；Δt为测试时间，s。

连续孔隙率Cvoid按式(2)计算：

(2)

式中：Cvoid为连续孔隙率(精确至0.1%)，%；m1为透水混凝土试件在水中的重量，g；m2为试件在60 ℃烘箱中烘24 h后的重量，g；ρ为常温下水的密度，g/cm3；V为实测试件体积，cm3。

再生骨料透水混凝土冻融试验制度参考GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中快冻法要求进行，一次冻融循环4 h，其中冻结时长2.5 h，融化时长1.5 h。抗压强度试验依据GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行，采用WAW-2000kN压力试验机测试。

(2)孔结构测试方法

为研究冻融过程中再生骨料透水混凝土基体内部孔隙率的劣化演变情况，利用医用128层高档螺旋CT机对经历不同冻融次数后的透水混凝土试件(100 mm×100 mm×100 mm)进行扫描，扫描间距设定为2.5 mm，然后将CT扫描图像导入MIMICS软件，经调整阈值范围，可直观看到试件内部真实的骨料与孔隙分布，具体CT扫描试验过程见图1。此外，利用图像处理软件Image-Pro Plus 6.0对二值化处理后的CT图像进一步统计分析，获得不同冻融次数下透水混凝土试件内部的孔结构特征。

图1 再生骨料透水混凝土试件CT扫描试验
Fig.1 CT scanning test of recycled aggregate pervious concrete specimens

2 结果与讨论

2.1 连通孔隙率、透水系数和抗压强度与冻融次数的关系

图2所示为连续孔隙率和透水系数随冻融次数变化的曲线。从图中可以看出，随着冻融次数的增多，再生骨料透水混凝土的连续孔隙率和透水系数呈增大的趋势，表明在冻融循环过程中，试件内部的孔隙结构劣化程度逐渐变大。这是由于透水混凝土试件本身为多孔骨架的特性，在周期性的静水压力和冻胀力共同作用下，骨料与周围水泥浆体粘结面会发生开裂，再生粗骨料在经过机械破碎后，且含有很多微裂纹，其形状和棱角多为非均匀的，且表面黏附薄层旧水泥砂浆，导致其吸水量增大，在持续的冻融循环作用下，骨料之间接触面较弱的部位和初始包含的微裂纹的薄弱层处易发生开裂、错动，造成试件内部的连通孔隙逐渐萌生、扩展甚至贯通为宏观裂缝，进而引起连通孔隙率和透水系数随冻融循环次数的增加而不断增大。

图2 连续孔隙率和透水系数随冻融次数变化曲线
Fig.2 Relationship between continuous void rate and permeability coefficient with freeze-thaw cycles

图3 抗压强度随冻融次数变化曲线
Fig.3 Relationship of compressive strength with freeze-thaw cycles

图3为抗压强度与冻融次数之间的关系曲线。分析可知，冻融后再生骨料透水混凝土的力学性能与连续孔隙率和透水系数的规律明显相反，这是由于透水混凝土试块主要依靠骨料与胶凝材料浆体之间的粘结咬合能力来承受和传递荷载，随着冻融循环次数的增加，冻融作用使得骨料与浆体粘结面处发生开裂、错动等现象，内部连通孔隙变大，造成试件的整体密实度降低，进而宏观上表现为力学性能的下降。采用二次多项式拟合抗压强度与冻融次数两者之间的关系，相关系数可达0.98以上。

2.2 CT扫描断面平均孔隙率

透水混凝土因其孔隙结构较大，使得其冻融破坏现象较普通混凝土更加复杂，因此研究透水混凝土受冻状态下的孔隙结构演变规律十分必要。图4(a)中分别给出了经受20～100次冻融循环后的透水混凝土试件CT扫描断面图像，从图中可以更为直观地看到骨料、胶凝材料及孔隙结构的分布情况。基于Otsu阈值分割法利用MATLAB软件对CT扫描得到的图像进行处理，得到CT扫描断面的黑白二值化图像，如图4(b)所示。图中白色区域表示再生骨料透水混凝土的骨料与水泥浆体胶凝材料，黑色区域表示骨料之间的孔洞，通过统计分析黑色孔洞所占的面积，即可获得该CT扫描断面处的孔隙率。

图4 CT扫描断面图像与二值化图像随冻融次数变化规律
Fig.4 Relationship between CT scanning images and binary images with freeze-thaw cycles

进一步分析图4中的CT扫描图像和二值化处理图可知，随着冻融次数的增多，黑色孔隙所占的面积越来越大，表明试件内部孔隙结构劣化愈加严重，骨料之间也出现宏观贯穿性裂缝。在冻融循环作用过程中，周期性的静水压力和膨胀压力使得试块的边缘愈加不规整，原有孔隙不断扩大，且伴有新裂纹的产生。不同冻融循环次数下透水混凝土试件的CT扫描截面处的孔隙率变化趋势如图5所示。经过100次冻融循环后，CT扫描断面平均孔隙率为29.26%，较20次、40次、60次、80次冻融后的孔隙率分别增大了1.895倍、1.583倍、1.427倍、1.234倍。图6为不同冻融循环次数下CT扫描断面平均孔隙率与实测连续孔隙率的对比关系图。可以看出，两者整体变化趋势相同，均随着冻融循环次数的增加而逐渐增大。

图5 CT扫描孔隙率分布与冻融循环次数的关系
Fig.5 Relationship porosity of CT scanning with freeze-thaw cycles

图6 CT扫描孔隙率与实测连续孔隙率的关系
Fig.6 Relationship between porosity of CT scanning and continuous void rate with freeze-thaw cycles

图7 试块内部孔径分布与平均孔径随冻融循环次数变化曲线
Fig.7 Relationship between pore size distribution and average pore size with freeze-thaw cycles

2.3 不同冻融次数下试件内部平均孔径及其分布

利用Image-Pro Plus 6.0软件对二值化处理后的透水混凝土CT扫描图像进一步分析，并利用其统计功能可获得不同冻融循环次数后混凝土试件的孔隙结构演变规律。图7(a)～(e)分别描述了不同冻融循环次数后的孔径频数柱状图及拟合的正态分布曲线图。从图中可以看出，再生骨料透水混凝土内部孔隙结构的平均孔径随着冻融循环次数的增加逐渐增大，峰值逐渐向右移动，相应的正态分布曲线逐渐变得“矮胖”，大孔径所占的比值逐渐增多，即冻融循环过程中，部分小孔径的孔隙逐渐劣化为大孔，致使连通孔数量增多；从图7(f)中还可以看出，经历60次冻融循环后，孔径的劣化速率加快，宏观上表现为透水系数和连续孔隙率增大，力学性能降低。

2.4 平均孔径与其他结果之间的关系

图8为经受不同冻融循环次数后试件内部孔隙平均孔径与抗压强度及CT扫描断面平均孔隙率之间的关系曲线。可见，随着平均孔径的增大，再生骨料透水混凝土试件的抗压强度逐渐降低，两者之间呈负相关；CT扫描断面平均孔隙率随着平均孔径呈抛物线型增大。这是由于透水混凝土冻融破坏的实质是骨料粘结面处与内部孔隙之间的微裂纹萌生、扩展直至贯通的过程，平均孔径越大，表明孔隙劣化连通现象越严重，进而造成抗压强度降低。

图8 平均孔径与抗压强度和CT扫描平均孔隙率的关系曲线
Fig.8 Relationship between compressive strength and CT porosity with average pore size

图9 平均孔径与连续孔隙率和透水系数之间的关系曲线
Fig.9 Relationship between continuous void rate and permeability coefficient with average pore size

图9为经受不同冻融循环次数后试件内部孔隙结构平均孔径与连续孔隙率和透水系数之间的关系曲线，连续孔隙率与透水系数随平均孔径增大呈抛物线型增大。分析可知，随着冻融损伤劣化程度的加深，连续孔隙率与透水系数随着平均孔径的增大均有不同程度的涨幅，透水系数随着平均孔径的增大呈抛物线上升的趋势；连续孔隙率随着平均孔径的增大，呈现出先快速上升，之后变得缓慢上升的趋势。

3 结 论

(1)再生骨料透水混凝土的连续孔隙率和透水系数均随冻融循环次数的增加而增大，抗压强度随冻融次数的增加而逐渐降低；在冻融循环过程中，最外侧粗骨料逐渐剥落，脱离基体，且在骨料与水泥浆体粘结薄弱位置处有明显的贯通裂缝出现，试件内部的孔隙结构劣化程度逐渐变大，相应的试块宏观力学性能表现为逐渐降低的趋势。

(2)通过图像处理后的CT扫描断面图可用于表征冻融环境下再生骨料透水混凝土内部孔隙结构的连通、扩展特性以及冻融损伤的演变过程，通过进一步分析各扫描断面孔径频数柱状图的分布情况，采用正态分布函数拟合孔径分布，可以看到正态分布曲线逐渐变得“矮胖”，曲线峰值逐渐向右移动，大孔径所占的比值逐渐增多。

(3)混凝土内部孔隙结构的平均孔径随着冻融次数的增加逐渐增大，CT扫描断面平均孔隙率、透水系数与连通孔隙率均随着平均孔径的增大而增大，再生骨料透水混凝土的抗压强度随平均孔径的增大逐渐降低。