辅助振捣后自密实重晶石混凝土表面气孔特征

姚建华，颜 维,王进峰

(苏交科集团检测认证有限公司，江苏 苏州 215000)

自密实重晶石混凝土因其良好的防辐射性能在核电站项目中有着广泛的应用前景。但施工时因自密实重晶石混凝土骨料较重、胶凝材料用量高、砂率高[1]等特点，易产生气孔附着在混凝土的表面，不仅影响了混凝土结构的美观，同时还对混凝土的耐久性产生了重要的影响。

田培云、张武宗等[2-3]研究表明为了获得表面质量较好的自密实混凝土，可以适当牺牲一些混凝土的流动性，采用辅助振捣的技术帮助混凝土排出气泡。胡俊等[4]研究表明，在振捣过程中，通常通过调整振捣的时间、频率等因素来观察不同辅助振捣情况下混凝土表面气孔的变化情况。孟书灵[5]研究表明在振捣10 s时自密实清水混凝土的表面性能达到最好。辅助振捣对自密实混凝土表面气孔的影响研究正在逐步展开，但关于辅助振捣对自密实重晶石混凝土表面气孔影响的研究尚未展开。因此探究辅助振捣对自密实重晶石混凝土表面气孔的影响显得十分重要。

为了研究不同振捣状态下混凝土表面气孔的变化情况，本文采用25振捣棒以不振捣、电压70 V时间8 s的振捣以及电压100 V时间10 s的振捣进行试验，采用数码相机对不同方式成型的混凝土试块表面进行拍照，获得混凝土表面图像，并结合图像分析软件Image-pro Plus对混凝土表面气孔进行分析处理，以获得混凝土在不同振捣方式下其表面气孔的表面积、数量、孔径等变化特点。

1 试验设计

1.1 原材料

水泥为P.O42.5硅酸盐水泥；粗骨料为衡阳产的重晶石，5 mm～20 mm连续级配，表观密度为4 089 kg/m3；细骨料为衡阳产的重晶石砂，细度模数为2.8，表观密度为4 148 kg/m3；外加剂为衡阳某建材厂生产的高效聚羧酸减水剂；粉煤灰为湖南耒阳电厂的Ⅱ级粉煤灰。

1.2 混凝土配合比

试验设计混凝土强度为C30，基于文献[6]研究，并结合试验原材料的情况试配调整自密实重晶石混凝土配合比参数：水胶比(质量比)为0.37，砂率46%，粉煤灰用量25%，详细配合比见表1。

表1 自密实重晶石混凝土试验配合比

1.3 试验方法

按GB/T 50080—2016普通混凝土拌合物性能试验方法标准，进行混凝土的坍落度、扩展度、T500及V形漏斗实验，得到自密实重晶石混凝土流动性参数，详见表2，满足《自密实混凝土应用技术规程》中自密实混凝土坍落扩展度550 mm～650 mm，T500时间2 s～5 s以及V形漏斗时间5 s～25 s的规定。

表2 自密实重晶石混凝土工作性能试验数据

为了观察不同面积混凝土表面状况，一组试样采用尺寸为100 mm×250 mm×300 mm塑料模具，另外两组试样采用150 mm×150 mm×150 mm的标准模具。辅助振捣振捣棒为手提式25振捣棒，正常振动(简称ZD)设置电压为70 V、振捣时间为8 s，过振(简称GZ)设置电压为100 V、振捣时间为10 s，不辅助振捣(简称BZ)的试样作为对照。试块养护24 h后脱模，并标准养护28 d，然后采用数码相机对混凝土的表面进行拍照，其中BZ1组、ZD1组和GZ1组试块尺寸为100 mm×250 mm×300 mm，BZ2(3)组、ZD2(3)组和GZ2(3)组试块尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，100 mm×250 mm×300 mm试样拍250 mm×300 mm底 面图像见图1～图3，150 mm×150 mm×150 mm试样拍150 mm×150 mm侧面图像见图4～图6。考虑振捣棒作用半径的影响，100 mm×250 mm×300 mm试样取中心150 mm×150 mm表面进行图像处理，其余6组均为150 mm×150 mm×150 mm标准立方体试块测试结果。

2 Image-pro Plus 图像分析法

采用Image-pro Plus 6.0软件对数码相机拍摄的图片进行分析处理，具体处理流程为：图像的获取→图像的增强→图像的二值化→图像的分割→计算参数的选定与测量→进行数据分析[7-8]。

2.1 图像的获取

采用数码相机对不振时的自密实重晶石混凝土试块表面进行拍照，获取原始图像(见图7～图9)。为了使测量更加精确，对图片进行格式的转化，得到混凝土试块表面的RGB图像，如图10～图12所示。

2.2 图像的增强

虽然在图像获取阶段自密实重晶石混凝土试块表面气孔的对比度已经有所提升[9]，但为了进一步提高测量的精度[10]，需通过进一步调整图像的对比度和亮度对图像进行增强处理，增强后的不振的混凝土试块表面气孔图像如图13～图15所示。

2.3 图像的二值化

即使在图像增强阶段自密实重晶石混凝土试块表面气孔的对比度已经有很大程度提升[11]，但由于混凝土试块表面气孔和非气孔处颜色差异不大，故其表面的微小气孔仍然较模糊[12]。然而，通过二值化可以使混凝土的表面形成非黑即白的极端颜色(见图16～图18)，并且通过二值化可以提高软件的计算精度，使得测量更加精确。

2.4 图像尺寸的标定

在进行测量前，需要对图像进行定标尺的操作。若不进行定标尺，测量的数据则会以像素为单位，然而，定标尺操作后能得出所测量图像的实际长度值。选定混凝土试块上一条长度为20 mm的标尺线，打开尺度校正窗口，新建长度为20 mm的标尺，这样测出的即为实际气孔数值。

2.5 选取测量参数并测量

利用Irregular AOI自动拾取测量混凝土的边界[13]，同时去除边界气孔，避免其他因素引起误差。首先选择混凝土试块的表面积、数量、直径等气孔参数，并完成参数的设定，然后选择测量区域，完成后即导出数据。具体操作如图19～图24所示。

3 试验数据分析

选取BZ1,ZD1,GZ1组300 mm×250 mm底面中心的150 mm×150 mm及BZ2,BZ3,ZD2,ZD3,GZ2,GZ3组150 mm×150 mm侧面进行拍照，并进行Image-pro Plus测试，在不同振捣方式下的测试结果如表3所示。

表3 不同振捣方式下气孔测量数据

3.1 气孔面积分析

在不同辅助振捣方式下，自密实重晶石混凝土表面气孔的面积随振捣方式的变化如图25,图26所示。

由图25，图26可知，经辅助振捣技术处理后，大试块混凝土表面大于0.1 mm2的气孔面积从263.9 mm2下降至51.4 mm2,降低率为80.5%，而大于1 mm2大孔面积从95.16 mm2下降至8.28 mm2，降低率为83.56%。结果表明，适当的对自密实重晶石混凝土进行辅助振捣有利于提升混凝土的表观质量，但当过振时混凝土的表观质量又会降低。混凝土试块表面状况得到明显改善，但当过振时混凝土表面气孔面积却会不断增大，这是因为成型过程中混凝土截留了部分空气, 自密实重晶石混凝土内部未完全自密实或混凝土状态不好离析时无法将这部分空气排出, 由于振捣及混凝土流变特性, 空气集中聚集在混凝土的表面，最终在混凝土表面形成气孔。

3.2 气孔数量分析

不同辅助振捣方式下自密实重晶石混凝土表面气孔的数量变化如图27,图28所示。

由图27，图28可知，通过辅助振捣技术处理后，大试块混凝土表面气孔面积大于0.1 mm2的气孔数量从723下降到167,降低率为76.9%，而大于1 mm2的大孔数量从88下降至6，降低率为93.2%。结果表明，随着辅助振捣时间及频率的加大，混凝土表面气孔的数量先降低后增加。产生此现象的原因是：虽然辅助振捣可以有效的排出混凝土中的气孔，使得混凝土表面气孔的数量急剧下降；但是过振会导致自密实混凝土的离析，进而形成麻面等表面质量缺陷，因此导致混凝土表面气孔的数量增大。

3.3 气孔直径分析

不同振捣方式下自密实重晶石混凝土表面气孔的孔径变化如图29,图30所示。

由图29，图30可知，通过辅助振捣技术处理后，大试块混凝土表面气孔的平均孔径从0.48 mm降低至0.41 mm，下降了14.6%，且从最大孔径变化可以看出，最大孔径从4.59 mm降低至1.82 mm，降低了60.3%。这说明辅助振捣技术有效的排出了混凝土中的空气，使得混凝土中的气孔直径整体趋于变小。但根据图中我们可以发现当过振的时候，虽然混凝土的平均孔径降低了，但是最大孔径却明显增加。这是因为，当过振的时候，混凝土会产生较大的离析，致使混凝土的表面形成了大量的蜂窝麻面，当这些蜂窝麻面相互贯通时，混凝土表面就会形成较大的气孔。

3.4 不同大小试块表面气孔状况对比

不同振捣方式下混凝土表面气孔占比情况如图31所示。

由图31可知，三种不同振捣方式下混凝土表面气孔占比尺寸均为100 mm×250 mm×300 mm的试块表面效果好于尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的混凝土试块。原因是150 mm×150 mm×150 mm的混凝土试块尺寸较小，模具的边缘会因振捣棒的作用而产生能量反射，加剧混凝土的离析，从而导致混凝土的表面效果较尺寸较大的试件有所降低。

4 结论

1)研究表明，Image-pro Plus软件可以有效的对自密实重晶石混凝土表面气孔状况进行量化分析。

2)Image-pro Plus量化分析结果表明辅助振捣可以有效降低自密实重晶石混凝土表面气孔的面积以及数量，改善混凝土的表面状况。

3)随着辅助振捣时间和电压的增大，自密实重晶石混凝土表面气孔的面积、数量、最大孔径呈先减小后增大趋势，且气孔的平均直径一直降低。采用25振捣棒进行辅助振捣时，当电压为70 V，辅助振捣时间为8 s时混凝土表面气孔状况最优，气孔面积占比仅为0.228%。

4)100 mm×250 mm×300 mm模具混凝土表面气孔的提升效果比150 mm×150 mm×150 mm模具提升效果更好，表明辅助振捣对自密实重晶石混凝土表面气孔的提升效果在大面积混凝土施工时效果更佳。