基于CT技术的预填骨料混凝土孔隙结构特征

马士宾1,蒋佳俊1,周文强2,梁 栋1,杨林森1

(1. 河北工业大学土木与交通学院,天津300401;2. 广州亚泰建筑设计院有限公司,江苏无锡214000)

摘要: 预填骨料混凝土(PAC)由于独特的生产工艺,致使内部容易产生孔隙,进而影响PAC的宏观性能。为考察PAC孔隙率及孔隙形态等细观结构对PAC宏观力学性能的影响,对不同级配的PAC进行抗压强度和抗弯拉强度实验,运用CT(computed tomography)技术对试件进行扫描,利用计算机图像处理技术和三维可视化模型,分别进行二维、三维层面的孔隙结构特征差异分析,通过灰色关联法探究细观结构的特征参数对PAC宏观力学强度的影响程度。结果表明:PAC早期抗弯拉强度发展比较快,且不同的级配对PAC抗弯拉强度有一定影响;孔隙平均球度、平均紧密度与孔隙大小等参数的灰色关联度在0.8以上,对强度发展关系密切,其中孔径大小对强度影响最大。

关键词: 预填骨料混凝土;力学性能;孔隙结构;计算机断层扫描

预填骨料混凝土(preplaced aggregate concrete,PAC)是将粗骨料预先放置在模板中,然后用特制的水泥基灌浆材料灌注填充集料空隙而制成的混凝土,由二次施工完成。预填骨料混凝土具有独特的材料组成和施工工艺,可以有效避免水泥混凝土在运输过程中造成的骨料离析和成型过程中造成的表面蜂窝麻面等问题,并且具有施工简单、施工周期短、可快速开放交通等优点,因此,PAC可应用在路面断交修补以及混凝土浇筑条件受限制的路面施工中。受相关技术标准缺少、试验数据支撑不足、质量控制困难较大等因素的制约,PAC在道路工程中应用实例较少。目前,PAC大多用于水下混凝土施工、大坝修建和修补工程[1-2]

近年来,为了更好地推广和使用PAC,不少学者从力学性能方面着手研究[3-4]。Coo等[5-6]研究了掺合料和粗骨料级配对PAC性能的影响,发现当砂浆混合物中掺入适量的沙子和粉煤灰时,可以获得更高的强度,降低成本,并研究了石灰石粉对PAC力学性能的影响。研究表明,添加石灰石粉后,PAC强度明显降低。Rajabi等[7]通过使用UPV(ultrasonic pulse velocity)无损检测实验,推导了超声波脉冲速度、回弹值与PAC和传统混凝土各力学参数之间的经验关系,并与实测值进行对比,发现用UPV无损检测是可行的,且PAC的力学性能优于传统混凝土。混凝土的力学强度决定所铺设路面的质量,而相关研究表明混凝土细观的孔隙结构特征参数与宏观的力学性能密切相关[8-10]。目前,表征研究水泥基材料孔隙结构的技术有很多,如压汞法、气体吸附法和显微镜技术等,不同的孔隙测定方法由于技术本身的实验误差、分析方法和制备标准,可能会产生不同的结果。CT(computed tomography)扫描技术具有速度快、图像精准、分辨率高等特点,该方法成为研究水泥基材料细观孔隙的主要方法。许多学者运用CT技术研究了混凝土孔隙结构对宏观性能的影响[11-13]。Vicente等[14-15]利用CT技术对试件进行扫描,观察内部孔隙结构,通过软件确定各实验组的孔隙形态参数,并进行疲劳试验,将疲劳寿命与孔隙形态之间建立联系,得到孔隙形态参数与疲劳寿命之间的经验关系。Zou等[16]利用CT技术研究混凝土的孔隙率和孔隙连通性对力学性能的影响。Yu等[17]也利用CT技术研究二维、三维孔隙特征与透水性之间的关系,结果表明,渗透率随水泥浆体内孔隙尺寸的增大而逐渐增大,但是,渗透率的上升随着总孔表面积的增大而受到抑制。Du等[18]也同样利用CT技术进行三维重建,获得了再生骨料掺玻璃微珠混凝土的三维微观结构,并从孔隙微观结构特征的角度阐述混凝土力学性能的劣化机理。

目前,国内外学者对PAC宏观力学性能的研究较为成熟,而对PAC微观结构缺乏较为深入的分析。综上所述,为了进一步探究PAC微观结构对宏观力学性能的影响,需要对PAC的孔隙率及孔隙形态等微观结构展开相关研究。本文中主要对4种不同级配的PAC抗压强度和抗弯拉强度进行对比,并运用CT技术对不同级配的PAC试件进行细观尺度研究,利用计算机图像处理技术和构建三维可视化模型,进行二维、三维层面的孔隙结构特征差异分析,从而探究PAC细观结构的特征参数对宏观力学强度的影响程度。

1 实验

1.1 主要试剂材料和仪器设备

材料:水泥(P.O.42.5普通硅酸盐水泥,唐山水泥厂生产)。按照规范[19],对水泥的性能指标进行测试,相关指标如表1所示,所用粉煤灰和硅灰具体实验检测结果如下表2、3所示,技术指标都满足规范[19]要求。

表1 水泥原材料实验结果
Tab.1 Test results of main technical indexes of cement

内容标准稠度用水质量分数/%凝结时间/min初凝终凝抗压强度/MPa3d28d抗折强度/MPa3d28d技术指标≤30.0≥45≤600≥21.0≥42.5≥4.0≥6.5测试结果27.3140 320 23.2 45.1 4.2 7.5

表2 粉煤灰技术指标
Tab.2 Technical index of fly ash

质量等级比表面积(m2·kg-1)烧失质量分数/%SO3质量分数/%碱含量(质量分数)/%含水量(质量分数)/%Ⅰ级337.42.82.11.20.85

表3 硅灰技术指标
Tab.3 Technical index of silica fume

SiO2质量分数/%氯离子质量分数/%烧失质量分数/%比表面积/(m2·g-1)96.30.073.9219.1

减水剂(西卡325C聚羧酸减水剂,淡黄色粉末,西卡(中国)有限公司);纤维素(400黏度羟丙基甲基纤维素(HPMC),上海臣启化工科技有限公司,与减水剂复合使用可以降低在相同流动度下的泌水率,降低空隙率,减少干燥收缩[20]);膨胀剂(UEA型,15 d龄期纵向限制膨胀率大于0.02%,180 d龄期纵向限制干缩率小于0.02%,抗抗渗性标号达P12以上,山东莱阳宏祥建筑外加剂厂);消泡剂(粉末消泡剂,灰度35%(800 ℃),pH为7.2,凯纳(天津)环保科技有限公司。主要作用是减少在高速搅拌过程中产生的气泡,减少孔隙产生)。

细集料选用粒径<2.36 mm的天津本地河砂,细度模数为1.775。砂子级配如表4所示。粗骨料选用天津市北辰区料场的集料,为了研究不同级配对PAC力学性能的影响,实验分为4组,分别为2组连续级配、2组单一粒径进行实验。采用的粗集料粒径为5~10 mm、10~20 mm、20~30 mm 3个层次,根据筛分结构进行合理的掺配,得到级配如表5所示。单一粒径级配为9.5~16 mm和19.5~26.5 mm。

表4 砂子级配
Tab.4 Sand grade

筛孔孔径/mm4.752.361.180.60.30.150.075<0.075分计筛余/%002.5303017.5155累计筛余/%002.532.562.58095100

表5 粗集料级配表
Tab.5 Coarse aggregate table

方孔筛尺寸/mm2.364.759.5161926.531.5级配上限/%100100907560355级配中值/%9590756040200

本实验中灌注浆体所用胶凝材料由水泥、粉煤灰和硅灰组成,各材料组分质量分别占胶凝材料总体质量的85%、10%和5%。同时,前期实验得出了纤维素、膨胀剂、消泡剂的较佳固定用量(质量分数),分别为总胶凝材料的0.012%、0.3%和0.05%。胶凝材料总用量为2 500 g,水灰质量比为0.4。

仪器设备:FF35型X射线计算机断层扫描仪(X-CT,依科视朗国际有限公司);500 t试验机(上海三思纵横机械制造有限公司)。

1.2 方法

1.2.1 试件成型

为了保证连续级配集料的均匀性及PAC的质量,实验时将清洗烘干后的集料按质量比混合均匀后使用六分法将集料等分,再将分好的集料按层铺满模具。力学性能实验灌浆料采用上述配合比进行实验。然后,将低速搅拌均匀的水泥浆放入高速搅拌锅内,转速为2 000 r/min搅拌40 s,待大部分气泡消除后,将水泥浆体灌注在装满集料的模具内,灌注速度视集料空隙大小而定。集料六分法如图1所示,试件灌注如图2所示。

1.2.2 抗弯拉强度

混凝土抗弯拉强度实验采用三点弯曲法,实验设备采用500 t试验机,按集料级配上限、级配中值、单一粒径19~26.5 mm、9.5~16 mm 4组制备试件,试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm(长度×宽度×高度),加载速率始控为0.05 MPa/s,终控为50 MPa/s。抗弯拉强度计算公式按式(1)计算,尺寸转换系数为0.85。

(1)

式中:ft为混凝土的抗弯拉强度,MPa;F为施加的极限荷载,N;L为支座间间距,mm;B为试样宽度,mm;H为高度,mm。

1.2.3 抗压强度

立方体抗压强度是混凝土最基本的力学性能,一般情况下,路面所受到的压应力远达不到混凝土材料的极限抗压强度,现行规范中未对混凝土抗压强度做出明确规定。PAC应力传递机制与普通混凝土不同,理论上其抗压强度要略高于普通混凝土。

将集料级配上限、级配中值、单一粒径19~26.5 mm、9.5~16 mm制备4组标准立方体抗压强度试件,养护7、28 d龄期后分别进行抗压强度实验。实验采用500 t试验机,设定抗压强度试验机的加载速率为0.5 MPa/s,程序控制自动断裂,当定力衰减幅度为20%时实验停止,抗压强度公式按式(2)计算。

(2)

式中:fcu为混凝土立方体抗压强度,MPa;A1为受压面积,mm2

折压比是混凝土韧性的一个重要指标,相关研究显示,混凝土的折压比越小,脆性越大,韧性较差,抗开裂能力相对较差。对路面水泥混凝土而言折压比也是衡量其路用性能的一个重要指标。

1.2.4 CT扫描成像

本实验中采用最大空间分辨率为5 μm的X射线计算机断层扫描仪对试件进行扫描,在扫描试件过程中X射线源和探测器阵列围绕试样纵轴同步旋转,从而生成多组横截面矩阵及试样截面多个视图数据图像,具体工作原理如图3所示,扫描参数如表6所示。

表6 CT扫描参数
Tab.6 CT scanning parameters

扫描电流/A扫描电压/V扫描间距/mm放大系数扫描张数2301900.52.21080

由于设备限制,为了确保检测精度,本实验中将标准立方体抗压强度试件切割成边长为50 mm的小立方体试件进行扫描,使用VGSTUDIO软件对的图像进行处理提取二维孔结构,进行三维重建,获得沿混凝土试件高度的每个横截面的孔隙率和孔隙形态。在CT图像中,物质密度不同会导致图像亮度不同,组份密度越大,X射线的能量被混凝土材料吸收的越多,剩余的衰减信息越少,从而亮度越低[21-22]。由粗细骨料、水泥砂浆、气泡孔隙三相组份组成的非均匀介质构件对X射线的吸收能力差别较大,因此,三相组份在图像上能清晰的区分。CT扫描结果得到的参数信息被分为二维参数及三维参数2部分,以下将结合二维、三维对预填骨料混凝土的内部孔隙特征进行研究。

2 力学性能结果与分析

2.1 抗弯拉强度

2.1.1 弯拉破坏形态

加载方式为应力加载,混凝土的破坏方式为脆性破坏。选取2组有代表性的实验组,养护7和28 d龄期试件断裂后的截面图如图4所示。图4(a)、(c)为单一粒径19~26.5 mm、9.5~16 mm养护7 d龄期后弯拉破坏的断裂截面图,如蓝色指示区所示,断裂面多为集料和浆体的界面破坏,这是由于养护时间较短界面强度较低,试件在受到外力破坏以后,力沿粗骨料表面扩展;图4(b)、(d)为同实验组养护28 d龄期的试件断裂后的截面图,如红色指示区所示,可以看到断裂面中的骨料大多都已断裂,这是由于混凝土养护28 d龄期后水泥浆体强度趋于稳定,而界面强度水化过程中逐渐上升,内部强度差减小。

2.1.2 实验数据分析

图5所示为不同养护龄期对灌浆料和PAC不同级配抗弯拉强度的影响规律。为了研究粗骨料级配对PAC力学性能的影响,将配比相同的灌浆料注入不同的级配中,实验结果如表7所示。PAC的抗弯拉强度变异性较大,但仍处于合理范围。由图5可得,在2个不同龄期时,级配中值的抗弯拉强度都是最低的,这是由于级配中值组的集料大小比例相差较大,类似于一个断级配,从而导致集料间嵌挤结构较差,浆界面区较薄弱。断裂面多为界面破坏,与数据呈现一致。级配上限的抗弯拉强度上升较快,这是由于上限中各级粒径的粗骨料占比比较均匀,形成一个骨架密实型结构,而粒径>25 mm的粗骨料浆界面黏结强度在龄期为7 d时远低于28 d,所以级配上限的弯拉强度上升较快,在28 d龄期时为同批实验组中最高。对于2组单一粒径的试件,19~26.5 mm的抗弯拉强度在2个龄期都明显低于9.5~16 mm,这是由于当粗骨料粒径较大时,整体表面积反而相对较小,因此能够裹挟在骨料表面的水泥浆较少,使得界面粘结强度较小。另一方面,较大粒径的骨料虽然起到混凝土内部整体框架的支撑作用,对裂缝扩展的抑制作用较强,但分布不够均匀,导致受力不均,所以骨料粒径大的混凝土较骨料粒径小的混凝土抗弯拉强度表现较差。

表7 不同级配时的抗弯拉强度
Tab.7 Flexural tensile strength at different levels

龄期级配不同实验组抗弯拉强度/MPa123均值变异系数/%7d级配上限3.803.673.753.701.78级配中值3.823.343.573.606.6719~26.5mm3.433.673.564.102.599.5~16mm4.194.153.994.553.2728d级配上限5.305.095.395.302.92级配中值3.904.004.124.002.7419~26.5mm4.504.785.014.805.369.5~16mm4.784.904.994.902.15

图5 灌浆料和PAC不同级配的抗弯拉强度
Fig.5 Bending tensile strength of slurry and PAC at different grades

2.2 抗压强度

2.2.1 抗压破坏形态

图6所示为龄期为7 d时,级配上限、中值、19~26.5 mm和9.5~16 mm PAC受压完成后的破坏形态。在PAC抗压强度实验中,试件在开始承受压力时,表面未出现明显变化,随着压力增大,表面逐渐出现纵向裂纹,并伴随混凝土破裂声,达到最大力后,发出清脆破裂声,此时试件破坏失效,抗压破坏过程和普通混凝土相似。试件在受压后均产生较多纵向裂缝,试件结构整体发生较大纵向变形,边角产生大面积剥落现象,4组级配均为脆性破坏模式。级配上限和中值受压后混凝土中部出现膨胀现象,破坏以表面剥落为主,而2组单一级配破坏较严重,底部边角大面积破坏,从露出的集料来看,受压后集料未产生破坏。

2.2.2 实验数据分析

表8所示为抗压强度实验结果。由表可知,PAC在7 d龄期时,抗压强度变异性较高,而在养护28 d龄期后,抗压强度变异性明显降低,多组平行实验试件误差仍在合理范围内。图7所示为不同养护龄期对灌浆料和PAC不同级配抗压强度的影响规律。由图可知,集料级配对于抗压强度的影响主要体现在强度形成早期,在28 d龄期时对抗压强度影响并不大,而在2个龄期中,含有较多大粒径粗骨料的实验组,抗压强度表现更好,这是因为粒径大的粗骨料能形成更坚固的粗骨料结构,抵抗压应力的能力较强。图8所示为不同级配PAC的折压比。由图可知,一般水泥材料的折压比为1/8~1/10,PAC折压比满足条件,整体呈现脆性大,韧性较差的特征,级配中值的折压比最小,韧性表现最差,级配上限和19~26.5 mm的实验组折压比表现较好,级配上限的折压比随着龄期增大而增大,19~26.5 mm实验组折压比较稳定。

表8 不同级配时的抗压强度
Tab.8 Compressive strength at different levels

龄期级配不同实验组抗压强度/MPa123均值变异系数/%7d级配上限26.0625.4226.6126.032.29级配中值29.1528.2526.3527.925.1219~26.5mm26.4827.9329.9128.106.269.5~16mm25.2329.2426.4626.987.9528d级配上限32.2233.4633.9733.222.63级配中值35.1534.5333.8235.501.8919~26.5mm33.4732.4732.9532.964.189.5~16mm34.9132.1233.4633.501.52

3 细观孔隙结构对PAC力学性能影响

3.1 二维孔隙结构

二维孔结构主要表征参数有切片孔隙率、孔径、表面积分布规律等,沿扫描时的Z轴进行等距切片,选取15张图片进行孔隙结构特征提取及分析。4组试件的二维切片如图9所示。

3.1.1 切片孔隙率

为了获得各层的孔隙率,将试件沿Z轴进行等距的16个CT切片进行二维孔隙结构特征分析,二维孔隙率的确定是由切片中的孔隙面积与图像总面积的比值来表征。图10所示为各试件的二维切片孔隙率分布,方差如表9所示。

表9 平均孔隙率及方差
Tab.9 Mean porosity and variance

平均孔隙率/%0.2250.2010.5301.176方差0.0370.0390.3340.467

由图10可知,二维切片孔隙沿Z轴深度变化较明显,并在试件下方呈离散型波动。方差数值越大,说明孔隙数据的离散程度越大,沿Z轴扫描层之间的孔隙分布越不均匀,方差最大的出现在9.5~16 mm组,这可能是由于骨料粒径小,骨料整体表面积较大,从而导致界面之间气孔较多;19~26.5 mm底面切片孔隙率出现剧烈上升,可能是由于底部灌浆出现了不密实的气孔;而方差最小的出现在级配上限,级配中值次,这是由于这2种级配含有大粒径的骨料,骨料整体的表面积较小,从而气孔较均匀。上述表明,粗骨料级配是影响孔隙分布均匀性的一个重要因素,由于预填骨料混凝土的成型过程中未进行振实也导致孔隙分布均匀性较差。

3.1.2 孔径

混凝土内部孔隙在三维视角下接近于球体,在二维层面研究中会把内部孔隙定义为圆或椭圆,利用孔径来表征孔隙尺寸及其分布特征。内部孔结构在细微观层次上被分为无害孔、少害孔和危害孔等,在一定尺寸内的孔隙对混凝土负面影响较小,而大孔隙是一个危害指标,在混凝土力学性能及耐久性中造成重要影响。孔隙按尺寸可以被分为微孔(孔径<1 μm)、中孔(孔径为1~10 mm)和大孔(孔径>10 mm),而平均孔径是评价混凝土孔隙结构整体优劣性的重要指标。各组孔隙尺寸如表10所示。

表10 二维孔隙尺寸
Tab.10 2D pore size mm

组别级配上限级配中值19~26.5mm9.5~16mm最大孔径12.3613.7313.4414.24平均孔径0.4550.4120.3670.328

孔径在不同实验组中变化趋势与孔隙率有所不同,最大平均孔径出现在级配上限组,最大孔隙率和最大孔径均出现在9.5~16 mm组。对二维孔径尺寸参数与强度及整体孔隙率进行线性拟合,发现存在一定规律,具体效果见图11所示。

由图11(a)、(b)可知,最大孔径与抗压强度关系密切,在图示范围内总体上呈现抗压强度随最大孔径的增加而减少,在级配上限组出现不同,平均孔径与抗压强度的关系亦是如此,这与普通混凝土有差异,整体趋势相同;最大孔径与孔隙率呈正相关趋势,与普通混凝土趋势相同,而平均孔径与孔隙率呈负相关趋势,这与普通混凝土趋势完全相反,这可能是由于特殊的成型方式造成了孔结构孔径小但较密集的情况,由此可以推测为骨料的堆积方式与大孔径的出现几率存在一定联系。由图11(c)发现,平均孔径与抗弯拉强度呈负相关,抗弯拉强度随着平均孔径增大而减小。

3.2 三维孔隙形态表征

进行CT处理后,每个试件被分成1 080个切片,将切片重构,将平面照片转化成三维立体模型,能较为直观的显示孔隙在试件中的分布情况。4组试件的三维孔隙模型如图12所示。

图12(a)~(d)分别为4组试件级配上限、中值和单一粒径19~26.5 mm、9.5~16 mm的三维孔隙结构模型,彩色区域代表孔隙,不同颜色代表不同体积的孔隙,从三维孔隙结构模型中能提取出孔隙的三维结构特征参数。

3.2.1 孔隙体积

根据扫描识别的孔隙,导出每个孔隙的体积值,绘制孔隙体积直方图,能清楚的表示孔隙体积分布情况。各实验组孔隙体积分布直方图如图13所示。

在图13中,横坐标为不同孔隙体积范围,由于体积<0.1 mm3的孔隙出现频率都高于80%,大图横坐标间隔为0.01 mm3,孔隙体积>0.1 mm3的体积跨度较大,所以横坐标间隔逐渐增大,纵坐标代表该范围孔隙体积出现的频率。由图13可知,大部分孔隙体积都<0.1 mm3 ,其中孔隙体积<0.01 mm3的占比最高,级配上限和中值明显高于单一粒径组,这可能是由于这2组试件灌注水泥浆的体积更大,而水泥基中包裹的小孔隙会更多。同时,体积>0.1 mm3的孔隙占比不容忽视,大孔的出现更容易导致强度的降低,其中粒径为19~26.5 mm的实验组占比最高。

3.2.2 孔隙球度

混凝土的强度不仅与内部孔隙率和孔隙尺寸有关,也与孔隙形状有关。混凝土内部孔隙形状复杂,几乎不存在标准的球形,使用孔隙球度(简称球度)来表示孔隙形状接近标准球体的程度[23],从数值上来说,球度的大小越接近1,孔隙形态越接近标准球体[23]。为了还原孔隙的真实形态,引入紧密度这一概念,用紧密度与球度2个三维参数对孔隙形状进行具体考量。参数计算公式(3)如下:

(3)

式中:c为紧密度;V1为三维孔隙体积,mm3;V2为以三维孔隙几何体最长轴的一半为半径的外接球体积,mm3

(4)

式中:s为球度;A2为三维孔隙表面积,mm2;V为三维孔隙体积,mm3。各实验组球度与紧密度结果如表11所示。

表11 平均球度与紧密度
Tab.11 Average sphericity and tightness

组别级配上限级配中值19~26.5mm9.5~16mm平均球度0.5470.5590.5710.575平均紧密度0.250.2640.2740.276

将球度进行区域划分,以0.1为间距,由于0~0.3和0.8~1的2个范围概率占比较小,因此把这2个范围进行合并。各实验组球度分布直方图如图14所示。由图可知,球度在0.8以上的孔隙占比极小,说明PAC孔隙中越接近球体的孔隙数量越少,大部分孔隙球度在0.5~0.7之间,以标准圆规范化孔隙形状的设计计算存在一定误差,所以考虑三维孔隙球度与紧密度的孔隙形态更接近真实混凝土内部的构造。所有实验组的球度大于0.5的都超过60%,这意味着大多数孔隙形态是较为理想的,对比4组实验组发现,单一粒径的孔隙球度发展趋势相近,级配上限和中值发展趋势相似,单一粒径的孔隙球度超过0.5的占比更高。

3.3 灰色关联性评估

为了研究各孔隙特征与力学性能之间的关联性,提取多个孔隙特征运用灰色关联法找出其对力学强度的影响程度,将孔隙特征参数定义为比较数列,将抗压强度及抗弯拉强度定为参考序列。根据文献[24],计算得到强度与各孔隙特征参数的灰色关联度如表12、13、14所示,其数值越大,关联性则越强。

表12 孔隙球度、紧密度与力学性能的灰色关联度
Tab.12 Grey correlation degree between porosity,coarseness and mechanical properties

指标平均紧密度平均球度球度分布0~0.3>0.3~0.4>0.4~0.5>0.5~0.6>0.6~0.7>0.7~0.8>0.8~1抗压强度0.9510.9480.5900.6860.6030.7000.7640.7310.755弯拉强度0.8650.8970.5690.7500.5580.7380.7760.7220.739

表13 孔隙体积分布与力学性能的灰色关联度
Tab.13 Grey correlation degree between pore volume distribution and mechanical properties

指标孔隙体积分布/mm30~0.01>0.01~0.02>0.02~0.05>0.05~0.1>0.1~5>5~10>10抗压强度0.8720.5540.7880.8770.7190.7850.728弯拉强度0.7620.5220.8570.7770.7090.8430.772

表14 其他孔隙特征与力学性能的灰色关联度
Tab.14 Grey correlation degree between other pore characteristics and mechanical properties

指标总体孔隙率最大孔径平均孔径抗压强度0.6440.9530.857弯拉强度0.6230.9250.771

由表12可知,平均球度与平均紧密度对力学性能之间的关联度都高于0.85,这说明孔隙的形态特征对强度发展影响关系密切。并且随着球度的增加,灰色关联度也有所增加。由表13可知,孔隙体积分布与力学性能的灰色关联度,除了体积分布在>0.01~0.02 mm3之外,其他孔隙体积分布区间与抗压强度和抗弯拉强度的关联度都>0.7,这说明PAC的强度形成与孔隙体积分布密切相关,其中体积在0.05~0.1 mm3范围内的孔隙对抗压强度影响最大,>0.02~0.05 mm3范围内的对抗弯拉强度的影响最大。总体来说,孔隙体积分布对抗压强度的影响高于抗弯拉强度。

从其他孔隙特征与力学性能的灰色关联度来看,最大孔径对抗压强度及抗弯拉强度的关联度都大于0.9,是各孔隙特征中关联度最大的参数,平均孔径的与力学性能的关联度也较大,这说明孔径大小对强度的影响相较其他特征参数来说最大。

4 结论

1)不同级配的试件对PAC抗弯拉强度有一定影响,对比4组试件7和28 d龄期的抗弯拉强度,发现PAC早期抗弯拉强度发展比较快,龄期7~28 d之间强度发展缓慢,在2个不同龄期时,级配中值的抗弯拉强度都是最低的。

2)集料级配对于抗压强度的影响主要体现在强度形成早期,在28 d龄期时对抗压强度影响并不大。在折压比方面,PAC折压比满足条件,整体呈现脆性大,韧性较差的特征,级配中值的折压比最小,韧性表现最差,级配上限和19~26.5 mm的实验组折压比表现较好,级配上限的折压比随着龄期增长而增长,19~26.5 mm实验组折压比较稳定。

3)平均球度与平均紧密度对力学性能之间的关联度都高于0.85,孔隙的形态特征对强度发展影响关系密切,孔径大小对强度的影响相较其他特征参数来说最大。

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Pore structure characteristics of prefilled aggregate concrete based on CT technology

MA Shibin1,JIANG Jiajun1,ZHOU Wenqiang2,LIANG Dong1,YANG Linsen1

(1.School of Civil and Transportation,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China; 2.Guangzhou Yatai Architectural Design Institute Co.Ltd.,Wuxi 214000,China)

AbstractPrefilled aggregate concrete (PAC) is easy to produce pores because of its unique production process,which affects its macro performance.In order to investigate the influence of microstructures such as porosity and pore morphology of PAC on its macroscopic mechanical properties,the compressive strength and flexural and tensile strength tests of PAC with different levels were carried out first,and then the specimens were scanned by CT(computed tomography) technology.Based on the computer image processing technology and three-dimensional visualization model,the difference analysis of pore structure characteristics in two and three dimensions was carried out,and the influence of the characteristics parameters of PAC microstructure on its macroscopic mechanical strength was explored by the grey correlation method.The results show that the flexural and tensile strength of PAC develops rapidly in the early stage,and different stages have certain effects on the flexural and tensile strength of PAC.The gray correlation degree between pore size and mean pore sphericity is above 0.8,which has a close relationship with strength development,and pore size has the greatest influence on strength.

Keywordspreplaced aggregate concrete;mechanical properties;pore structure;computed tomography

中图分类号: U416.1

文献标志码:A

引用格式:

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MA S B,JIANG J J,ZHOU W Q,et al.Pore structure characteristics of prefilled aggregate concrete based on CT technology[J].China Powder Science and Technology,2023,29(3):47-62.

文章编号:1008-5548(2023)03-0047-16

doi10.13732/j.issn.1008-5548.2023.03.005

收稿日期: 2022-10-11,修回日期:2022-12-08。

基金项目:国家自然科学基金项目,编号:51978236;天津市交通运输科技发展计划项目,编号:2022-01。

第一作者简介:马士宾(1973—),男,教授,博士,硕士生导师,研究方向为路基路面材料以及桥梁施工。E-mail:marotolo@hebut.edu.cn。

(责任编辑:吴敬涛)