基金项目:内蒙古自然科学基金项目(2018MSO534)
第一作者:杭美艳(1964-),女,教授级高工,硕士生导师,主要从事新型混凝土及混凝土外加剂、固体废弃物的建材化方面的研究.E-mail:136100841@qq.com 通讯作者:孙忠科(1995-),男,硕士研究生,主要从事超高性能混凝土力学性能和普通混凝土耐久性研究.E-mail:sunzhongke66@163.com
(1.内蒙古科技大学 土木工程学院,内蒙古 包头 014010; 2.呼和浩特建设工程质量监督站,内蒙古 呼和浩特 010020)
(1. School of Civil Engineering, Inner Mongolia University of Science & Technology, Inner Mongolia Baotou 014010, China; 2. Hohhot Construction Project Quality Supervision Station, Inner Mongolia Hohhot 010020, China)
air content; early shrinkage; later shrinkage; image processing; porosity
DOI: 10.15986/j.1006-7930.2020.01.003
通过试验研究了不同含气量对路面常用C35混凝土流动性、抗压强度、早期收缩、后期收缩的影响并通过图像处理的手段分析孔隙率和分级孔隙率对90 d收缩的影响.结果表明:混凝土的流动性随着含气量的升高先增大后减小,含气量为6.5%时坍落度达到最大值165 mm.抗压强度随含气量的升高而降低.混凝土的含气量越高对早期收缩变形的抑制越明显,当含气量为8.0%时72 h收缩率最小; 7 d以前混凝土的收缩率随着混凝土含气量的升高而减小; 14~90 d混凝土收缩率随着含气量的升高而增大.含气量为4.6%时混凝土的流动性、抗压强度和收缩性能得到较好的平衡.图像法分析可知孔隙率越大90 d混凝土收缩率越大,其中孔径为1 000~2 000 μm的气孔对90 d收缩贡献最大而10~100 μm的气孔对90 d收缩贡献最小.该方法简便快捷为今后工程应用提供了很好的理论依据.
In this paper, the effects of different air content on the fluidity, compressive strength, early shrinkage and late shrinkage of C35 concrete are studied experimentally, and the effects of porosity and graded porosity on 90 day shrinkage are analyzed by means of image processing. The results show that the fluidity of concrete increases first and then decreases with the increase of air content, and the maximum slump is 160 mm when air content is 6.5%, and the compressive strength decreases with the increase of air content. The higher the air content of concrete, the more obvious the restraint of early shrinkage deformation. When the air content is 8.0%, the shrinkage rate of 72 hours is the smallest; before 7 days, the shrinkage rate of concrete decreases with the increase of air content of concrete; and after 14 days to 90 days, the shrinkage rate of concrete increases with the increase of air content. When the air content is 4.6%, the fluidity, strength and shrinkage of concrete can be well balanced. The image analysis shows that the larger the porosity is, the larger the shrinkage of concrete in 90 days. The pore size of 1 000~2 000 μm contributes the most to the shrinkage in 90 days, while the pore size of 10~100 μm contributes the least to the shrinkage in 90 days. This method is simple and fast, which provides a good theoretical basis for future engineering applications.
混凝土在硬化过程中会因为水泥的水化反应、内部水分的蒸发以及外界环境温度湿度的变化引起体积的收缩,收缩产生的拉应力极易造成裂缝的出现,影响混凝土结构的使用寿命.关于膨胀剂、减缩剂、纤维、矿物掺合料、水胶比和养护温度对混凝土收缩性能的影响,国内外学者已做了大量的试验研究[1-6].而针对含气量对混凝土收缩性能影响的研究目前较少.
引气剂作为一种化学外加剂在混凝土的搅拌过程中可以引入大量微小、均匀、稳定、封闭的气泡,在公路、港口和桥梁等工程中有着广泛的应用,可以有效改善混凝土的气孔结构、强度、抗冻性和抗氯离子渗透性.Rath等[7]认为随着引气剂掺量的增加,气孔的平均直径减小.Wong等[8]发现随着含气量的增加气体扩散系数和渗透系数均会增加.张凯等[9]发现混凝土中掺入引气剂会使混凝土孔间距系数减小,抗冻性提高,混凝土强度降低.万惠文等[10]指出,引气剂掺量增加可增加0.1 μm以下孔的数量,增强孔的不连通性,提高抗氯离子渗透性.
本文主要研究了不同含气量对混凝土早期收缩和后期收缩的影响规律,并运用图像法研究了90 d硬化混凝土的分级孔隙率与收缩的关联度.通过研究不同含气量对混凝土收缩性能的影响规律,有助于北方地区降低路面混凝土的收缩开裂,提高耐久性,为今后工程应用提供了有效的理论依据和技术支持.
水泥选用蒙西P·O42.5水泥,密度为2 940 kg/m3,3 d抗压强度19.8 MPa,28 d抗压强度47.8 MPa,比表面积389.7 m2/kg.矿物掺合料采用东华电厂Ⅰ级粉煤灰,细度为2.6%,需水比为89%,28 d活性指数88%.
粗骨料采用包头当地5~25 mm连续级配碎石,表观密度为2 755 kg/m3,堆积密度为1 625 kg/m3,压碎指标10%.细骨料选用包头产河砂,细度模数为2.7,表观密度为2 520 kg/m3,堆积密度为1 543 kg/m3,含泥量为2.7%.
减水剂选用含固量为12.5%,减水率为21%的聚羧酸高性能减水剂.
引气剂选用K12粉剂配制的浓度为2%的溶液.采用摇泡法对K12引气剂的气泡高度和稳泡性进行测定,测定结果:初始泡沫高度202 mm,30 min后泡沫高度173 mm,稳泡性能较好.如图1所示.
为研究不同含气量对混凝土流动性、抗压强
度、收缩性能的影响,依据JGJ55-2011选用北方路面常用C35混凝土的配合比作为基准组.试验组在基准组的基础上,仅改变引气剂的掺量,引气剂按胶材质量分数外掺,以此来改变混凝土的含气量.确定试验用混凝土配合比如表1所示.(1)混凝土含气量测试参照GB/T50080-2016的有关规定进行检验.
(2)混凝土立方体抗压强度测试参照GB/T50081-2002的有关规定进行检验.
(3)混凝土早期收缩测定方法
参照GB/T50082-2009非接触法的有关规定对混凝土早期收缩进行测定.将试验装置放在(20±2)℃,相对湿度为66%的环境中,在混凝土初凝后每隔25分钟读一次数,测量总时长为72 h,每组取3个试件测试结果的算术平均值为评定结果.
(4)混凝土后期收缩测定方法
参照GB/T50082-2009接触法的有关规定对混凝土后期收缩进行测定,将试件放在(20±2)℃,相对湿度为90%以上的环境中养护,在3 d测完初长后,分别间隔1 d、3 d、7 d、14 d、28 d、45 d、60 d、90 d测量其收缩变形读数.
表1 混凝土配合比/(kgm-3)
Tab.1 Concrete mix ratio/(kgm-3)
(1)分析原理
本方法基于定量体视学[11],即通过二维截面参数获得三维结构组织的定量表征.主要分为三步:二维测量→应用体视学公式→三维定量表征,本方法应用的体视学公式如下:
体积分数VV=AA=LL=PP
式中:AA代表空间中的面,LL代表空间中的线,PP代表空间中的点.体视学公式的运用保证了把二维图像的相关参数转换为精确度较高的三维几何形态的定量信息[12].
Fatih Özcan等[13]认为新拌混凝土的含气量与图像处理硬化混凝土的孔隙面积值之间表现出良好的相关性.图像处理可用于硬化混凝土空气含量的测定.
(2)断面处理方法
混凝土掺入引气剂后,引入大量微小的气泡,为方便分析掺入引气剂后混凝土孔结构的变化,故选取孔径范围为10~2 000 μm的气孔进行气孔分析.参照张雄等人[14]断面处理的方法.将养护90 d的试块从中部切开,并对截面进行表面打磨处理,将打磨好的截面用黑色记号笔涂黑,用0.4 μm白色CaCO3粉末均匀涂抹在处理后的截面上,刮去多余粉末并进行拍照.采用Image Pro Plus软件对图片进行灰度和二次化处理,使气孔在浆体中的分布和形貌变得清晰,然后进行数据分析得到10~2 000 μm气孔的分级孔隙率.
不同含气量对混凝土性能的影响如表2所示.相比J组,各试验组随着引气剂掺量的增加混凝土坍落度呈先增大后减小的趋势,Y-3组混凝土坍落度达到最大值165 mm,此时含气量为6.5%.将适量封闭稳定的气泡引入新拌和的混凝土中,均匀分布的气泡起到滚珠的作用,减小骨料之间的摩擦力,大大增加了浆体的润滑作用[15],使得混凝土坍落度变大.引入过量气泡,浆体孔隙间的填充水被吸附在气泡表面,使胶材颗粒间的水分减少,骨料间填充的浆体变得干稠,导致混凝土的流动性降低.
相比J组,各试验组掺入引气剂后,混凝土7 d和28 d抗压强度都随含气量的增大而减小.J组28 d抗压强度最高,为52.1 MPa; Y-4组28 d抗压强度最低,为37.8 MPa.新拌混凝土中引入气泡之后,混凝土内部出现大量气孔,且含气量越大气孔越多,使得混凝土不再密实; 有部分气泡围绕在骨料周围,气泡表面的水膜使得骨料与水泥石之间的粘结减弱,形成薄弱界面.以上原因使得混凝土的抗压强度随含气量的升高而降低.
不同含气量时混凝土的早期收缩如图2所示.对比J、Y-2、Y-4这3组的早期收缩,J组72 h的收缩率最大,其值为120×10-6.Y-2组72 h的收缩率为72×10-6,Y-4组72 h的收缩率最小,其值为51×10-6,相比于J组,Y-2组72 h的收缩率下降了40%,Y-4组72 h的收缩率下降了57.5%.结果证明引气剂的掺入对混凝土早期收缩有明显的抑制作用,随着含气量的升高混凝早期收缩逐渐降低.
在试验过程中混凝土表面进行覆膜处理,所以混凝土的早期收缩主要以自收缩[16]为主.自收缩主要受毛细管压力、表面张力、分离压力和层间水迁移的影响[17].随着含气量的增大,气泡间隔减小,能有效隔断混凝土内部毛细管通道,防止混凝土内部的水分泌出,减弱毛细管压力并抑制了层间水的迁移.大量气泡均匀分布在混凝土内部起到气垫缓冲作用,削弱了因水泥凝胶颗粒的表面张力和C-S-H凝胶粒子间的分离压力引起的体积变化.因此,混凝土含气量越大早期收缩越小.不同含气量时混凝土的后期收缩如图3所示.混凝土的收缩曲线呈阶段性变化,7 d以前混凝土的收缩率随含气量的升高而减小,相比于J组Y-2组7 d的收缩率下降幅度为5.6%,Y-4组7 d的收缩率下降幅度为22.4%; 14~90 d混凝土收缩率随含气量的升高而增大.相比于J组Y-2组90 d的收缩率增长幅度为39.9%,Y-4组90 d的收缩率增长幅度为114.8%.由此可见引气剂的掺入对混凝土7 d以前的收缩起抑制作用但对14~90 d的收缩起促进作用.
混凝土后期收缩主要以自收缩和干燥收缩[18]为主.在7 d以前,混凝土开始逐渐硬化,水化反应迅速,在水胶比相同的情况下各组水化速率基本相同.混凝土的含气量越高,内部气泡隔断毛细管通道的作用越明显,混凝土自收缩和干燥收缩越小[19],此时与早期收缩的机理相似.14 d以后,随着水化反应的进行混凝土已具有一定强度,此时大部分毛细管中的水被消耗一空,气孔对毛细管压力和层间水迁移的抑制作用减弱.混凝土的含气量越大,孔隙率越大,平均孔径减小,毛细孔数量增多.有学者认为,毛细孔和胶凝孔对混凝土收缩有明显影响[20],主要依靠胶凝孔和较小的毛细孔来补偿因水泥水化反应和干燥失水产生的体积变化.另外随着含气量的增加,气孔 - 水泥浆体界面过渡区微小气孔和重叠与连通的气孔增多,增大了混凝土内部水分扩散速度,加速了干燥收缩[21].因此,含气量越大14 d以后的收缩越大.分别对5组混凝土断面的气孔进行图像处理和分析,混凝土截面气孔的孔隙率和分级孔隙率如表3所示.采用灰色关联分析方法[22]分析分级孔隙率与90 d混凝土收缩率之间的关联度,其中90 d混凝土收缩率是母序列,分级孔隙率是子序列.此方法主要是通过比较子序列与母序列曲线几何形状的相似程度来判断各序列间的联系是否紧密,曲线形状越接近关联度越大,反之则越小.若正关联则说明子序列对母序列起促进作用,负关联则说明子序列对母序列起抑制作用.
图5 不同含气量时孔隙率对90 d混凝土收缩的影响
Fig.5 Effect of porosity on shrinkage of 90 d concrete with different air content
(1)混凝土的流动性随含气量的增大呈先升高后降低的趋势,含气量为6.5%时坍落度达到最大值165 mm; 抗压强度随含气量的增大而减小.
(2)引气剂的掺入对混凝土早期收缩有很好的抑制作用,混凝土的早期收缩率随着含气量的升高逐渐减小,在含气量为8%时72 h收缩率最小,其值为51×10-6; 混凝土7 d前的收缩随含气量的升高逐渐减小; 14~90 d的收缩随含气量的升高逐渐增大.
(3)含气量为4.6%时,混凝土流动度较好,对早期收缩有很好地抑制作用,对强度和后期收缩的影响较小,这四者之间得到较好的平衡.
(4)新拌混凝土含气量越高,90 d收缩增长越大; 其中孔径为1 000~2 000 μm的气孔对90 d收缩贡献最大,而10~100 μm的气孔对90 d收缩贡献最小.应用图像法可以更简单快捷的测出气孔分布对后期收缩的影响.