泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)的表征及其對(duì)性能的影響

泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)的表征及其對(duì)性能的影響龐超明;王少華【摘要】采用壓汞法(MIP)、計(jì)算機(jī)斷層成像(X-CT)技術(shù)及真空飽水吸水率法測(cè)試了泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu).對(duì)由X-CT技術(shù)獲得的二維切片圖，采用Image-ProPlus軟件進(jìn)行圖像分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)泡沫混凝土宏觀孔隙率、孔徑分布及孔形狀因子等的表征.研究了密度等級(jí)和粉煤灰摻量對(duì)泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)、抗壓強(qiáng)度及吸水率等的影響結(jié)果表明:泡沫混凝土的平均孔徑和孔形狀因子隨其密度等級(jí)的降低而增加，摻入適量粉煤灰能夠改善泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能.％Astudywasconductedontheporestructurecharacteristicsoffoamconcretebymercuryintrusionporosimetry(MIP),X-raycomputedtomography(X-CT)andvacuumsaturatedapproach.The2DsliceimagesobtainedbyX-CTwereanalysizedbyImage-ProPlussoftware;andtheporosity,poresizedistributionandporeshapefactoroffoamconcretewascharacterizedbyimageanalysissoftware.Theeffectsofdrydensitylevelandflyashcontentonporestructure,compressivestrength,waterabsorptionwerestudied.Thetestresultsshowthattheaverageporesizeandshapefactorsincreasewithdecreasingdrydensitylevels;anappropriatecontentofflyashcanimprovetheporestructureandmechanicalpropertiesoffoamconcrete.【期刊名稱】《建筑材料學(xué)報(bào)》【年(卷)，期】2017(020)001【總頁數(shù)】6頁(P93-98)【關(guān)鍵詞】泡沫混凝土;孔結(jié)構(gòu);計(jì)算機(jī)斷層成像(X-CT);圖像分析【作者】龐超明;王少華【作者單位】東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京211189;東南大學(xué)江蘇省土木工程材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京211189;東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京211189;東南大學(xué)江蘇省土木工程材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京211189【正文語種】中文【中圖分類】TU528.01泡沫混凝土是一種輕質(zhì)且含有大量封閉氣孔的新型墻體保溫材料，其孔隙率、孔徑尺寸、孔徑分布及孔形等對(duì)泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度和吸水性等影響較大［1］.Tada等［2］將加氣混凝土孔劃分為微觀毛細(xì)孔(<50nm)、宏觀毛細(xì)孔(50nm-50pm)和人工孔(>50pm).也有學(xué)者把大于60pm的孔作為宏觀孔［3］.目前常用的水泥基材料孔結(jié)構(gòu)的測(cè)試方法如吸附法、壓汞法(MIP)主要集中在微觀層面?然而，泡沫混凝土中大量宏觀氣孔的孔徑大小、分布及形狀也是決定其性能的重要因素.眾多學(xué)者利用光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡獲取圖像，然后用圖像分析法來分析泡沫混凝土中的孔結(jié)構(gòu)［4-8］,這樣做不僅會(huì)破壞試件，且反映的也只是局部信息啟Morgan等［9］首次將計(jì)算機(jī)斷層成像(X-raycomputeredtomography,X-CT)技術(shù)應(yīng)用到骨料、砂漿及裂紋等分析后，其應(yīng)用于混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究逐漸增多［10-11］.CT技術(shù)可實(shí)現(xiàn)無損檢測(cè)，通過對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行〃透視”成像，重構(gòu)獲得三維空間圖像，進(jìn)而可對(duì)其中的孔洞形狀、體積及連通性等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)［12］.但此技術(shù)針對(duì)泡沫混凝土宏觀孔結(jié)構(gòu)的定量分析，尤其是對(duì)二維切片的再分析較少.本研究選取3種密度等級(jí)的水泥-粉煤灰泡沫混凝土，通過X-CT獲得其三維重構(gòu)圖，然后選擇二維切片圖，結(jié)合Iamge-ProPlus圖像分析軟件，分析泡沫混凝土的孔隙率、孔徑分布、孔形狀因子及其影響因素，研究孔結(jié)構(gòu)對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度和吸水率等性能的影響.1.1原材料水泥為海螺牌PH42.5R硅酸鹽水泥；I級(jí)粉煤灰，需水量比（質(zhì)量比，文中涉及的需水量比、燒失量等除特別注明夕卜均為質(zhì)量比或質(zhì)量分?jǐn)?shù)）95%，燒失量1.5%;動(dòng)物蛋白型發(fā)泡劑，稀釋倍數(shù)30,發(fā)泡倍數(shù)16,1h泌水量45mL，密度84kg/m3左右；自制穩(wěn)泡劑，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%；蘇博特產(chǎn)聚羧酸系高效減水劑JM-PCA;自來水.1.2試驗(yàn)方法及性能測(cè)試用上述原材料制成具有一定流動(dòng)性的料漿，然后將制備好的泡沫加到料漿中，攪拌均勻，最后控制泡沫混凝土的實(shí)際濕密度與理論濕密度的差值為±50kg/m3.依據(jù)JG/T266-2011《泡沫混凝土》測(cè)試泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度和吸水率（體積分?jǐn)?shù)，下同）.參考真空飽水吸水率的方法［13］測(cè)試泡沫混凝土的孔隙率.X-CT采用德國(guó)Y.CTPrecisionS，其中X射線管的電壓和電流分別為80kV,0.20mA，探測(cè)器像素?cái)?shù)量為1024x1024,分辨率為62pm/像素.試件尺寸為40mmx40mmx40mm.壓汞測(cè)試使用AUTOPOREIV9500儀器V1.04自動(dòng)孔測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)孔范圍為3.6nm-360pm，平衡時(shí)間設(shè)置為20s.2.1泡沫混凝土的力學(xué)性能及吸水率將泡沫混凝土的水膠比設(shè)為0.33，減水劑摻量控制在0.4%.不同配合比泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度和吸水率如表1所示.由表1可見：泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度和吸水率受粉煤灰摻量和干密度等級(jí)的影響較大；當(dāng)泡沫混凝土干密度相近，密度等級(jí)同為1000時(shí)，其抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量的增加先增后減，最優(yōu)摻量為40%，同時(shí)，泡沫混凝土吸水率隨著粉煤灰摻量的增加而降低；當(dāng)粉煤灰摻量為20%時(shí)，泡沫混凝土的吸水率隨著密度等級(jí)的增加而增加；但密度等級(jí)從600增加到1000時(shí)，吸水率顯著降低，當(dāng)繼續(xù)增加到1400時(shí)，吸水率變化不大.2.2泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)的表征采用MIP，X-CT技術(shù)和真空飽水吸水率法分別測(cè)試泡沫混凝土單位體積下的孔隙率（體積分?jǐn)?shù)），結(jié)果如表2所示.理論上認(rèn)為，采用真空飽水吸水率法可測(cè)量所有水能滲透進(jìn)入的孔，因此用真空飽水吸水率法測(cè)得的孔隙率可作為實(shí)際孔隙率，但不能表征孔分布和孔特征.由表2可以看出，利用真空飽水吸水率法測(cè)得的孔隙率明顯大于利用MIP和X-CT技術(shù)所測(cè)得的孔隙率，這說明MIP和X-CT技術(shù)均不能準(zhǔn)確測(cè)得泡沫混凝土的孔隙率.MIP所測(cè)孔范圍為3.6nm~360pm;X-CT技術(shù)更傾向于測(cè)試孔徑大于100pm的宏觀孔，且受分辨率和分析方法影響較大.另外，將泡沫混凝土中摻入的泡沫體積與采用X-CT法計(jì)算出來的孔隙率進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，兩者具有相同的變化規(guī)律，但前者大于后者，這說明泡沫在混合過程中產(chǎn)生了消泡現(xiàn)象.干密度是影響泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)的主要因素.干密度越小，泡沫混凝土的孔隙率、平均孔徑、形狀因子就越大，這將導(dǎo)致泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度降低、吸水性能發(fā)生變化干密度相近時(shí)，適宜的粉煤灰摻量可降低泡沫混凝土的孔隙率、平均孔徑和形狀因子，從而可改善其抗壓強(qiáng)度和吸水性能，即泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu)與其抗壓強(qiáng)度、吸水性能表現(xiàn)出良好的相關(guān)性.2.2.1不同密度等級(jí)下的孔徑分布利用X-CT軟件Vgstudiomax獲得泡沫混凝土樣品的二維切片圖，如圖1所示.由圖1可見，隨著密度等級(jí)的降低，孔徑越大，泡沫混凝土的缺陷就越多.這是由于泡沫摻量的增加導(dǎo)致弓1入的宏觀孔增多的原因.X-CT二維切片圖即為灰度圖像，為試件中相應(yīng)部位的X射線衰減系數(shù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的灰度分布，圖像中不同區(qū)域的灰度值代表了試件中對(duì)應(yīng)物相對(duì)X射線吸收能力的強(qiáng)弱.對(duì)同一試件選取不同位置的6張二維切片，利用Image-ProPlus軟件對(duì)灰度圖像進(jìn)行處理.首先根據(jù)圖片進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別閾值，基于X-CT分辨率的限制，自動(dòng)識(shí)別后的圖像常出現(xiàn)孔與孔連通的現(xiàn)象，且不能反映真實(shí)孔結(jié)構(gòu)特征；其次，利用功能WatershedSplit即分水嶺法對(duì)第1步處理后的圖像進(jìn)行再次分割，分水嶺分割可有效避免孔之間的連通現(xiàn)象；最后，選擇要測(cè)量的參數(shù)——孔徑、形狀因子等，計(jì)算并導(dǎo)出數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì).限于X-CT技術(shù)的掃描精度，研究?jī)H討論62pm以上的氣孔.將利用壓縮空氣法制備出的泡沫放在載玻片上，在光學(xué)顯微鏡下觀察.泡沫形狀及孔徑累計(jì)分布曲線如圖2所示.為定量說明氣孔的等效孔徑，在累計(jì)分布曲線上選取累計(jì)分布占比90%時(shí)對(duì)應(yīng)的孔隙直徑D90.由圖2可見，該發(fā)泡劑發(fā)出的泡沫孔徑為70~820pm,且主要分布在150~400pm,泡沫孔徑分布均勻.Feret直徑是經(jīng)過1個(gè)不規(guī)則顆粒中心任意方向的平均直徑，可利用Feret直徑的平均值來表征等效孔徑.圖3為3個(gè)密度等級(jí)的泡沫混凝土等效孔徑累計(jì)分布圖和等效孔徑分布圖.由圖3可見，泡沫混凝土中氣孔尺寸分布符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布[14],密度等級(jí)越小，等效孔徑分布擬合后的相關(guān)系數(shù)越高，即引入的宏觀孔越多，其宏觀孔正態(tài)分布越明顯.由圖3可見，密度等級(jí)為600,1000,1400的泡沫混凝土在D90處的孔徑分別為1100,720,610pm.而原始泡沫的D90處孔徑為490pm（見圖2）.這同樣說明，在凈漿中加入泡沫后，原始泡沫受轉(zhuǎn)子攪拌、固體顆粒的擠壓而發(fā)生了消泡現(xiàn)象，導(dǎo)致泡沫由小變大，使硬化泡沫混凝土中的孔徑大于原始泡沫的孔徑.隨著泡沫摻量的增加，泡沫消融現(xiàn)象越發(fā)嚴(yán)重，表2中泡沫混凝土中的平均等效孔徑隨著密度等級(jí)的降低而逐漸增大的規(guī)律也說明了此現(xiàn)象的發(fā)生.2.2.2不同密度等級(jí)下的形狀因子用形狀因子S描述氣孔的幾何形狀特征，其計(jì)算公式為：.其中，P為氣孔的周長(zhǎng)，A為氣孔的面積.S=1時(shí)為圓形孔，其值越大，形狀就越偏離圓形.形狀因子的頻率分布和累計(jì)分布如圖4所示，圖中S90指累計(jì)分布占比達(dá)90%時(shí)對(duì)應(yīng)的形狀因子.由圖4(a)可見，密度等級(jí)為1400，1000，600的S90處形狀因子分別為1.85，2.09，2.19；隨著密度等級(jí)的降低，形狀因子變大，不規(guī)則氣孔增加，這從二維切片圖(圖1)中也可以看出.由圖4(b)可見，圓形孔含量隨著密度等級(jí)的增加而增加，而非圓形孔形狀因子從1.4~2.8的各種孔隨著密度等級(jí)的增加而降低，密度等級(jí)為1400,1000,600的泡沫混凝土圓形孔所占比例分別為46.8%,33.1%和19.5%.這說明隨著泡沫摻量的增加，泡沫之間的消泡現(xiàn)象不僅使孔徑變大，也會(huì)導(dǎo)致氣孔越來越不規(guī)則，形狀因子變大.2.2.3不同粉煤灰摻量下泡沫混凝土的孔徑分布和形狀因子不同粉煤灰摻量下泡沫混凝土的孔徑分布和形狀因子分布如圖5所示.由圖5可見，摻入適量的粉煤灰可明顯改善泡沫混凝土的孔徑，尤其是小于400pm的孔.表2也表明摻粉煤灰降低了泡沫混凝土的平均孔徑，適當(dāng)?shù)姆勖夯覔搅窟€可以改善泡沫混凝土的形狀，增大圓形孔的比例.這是因?yàn)橐环矫娣勖夯揖哂形⒓咸畛湫?yīng)，可以與水泥形成良好的級(jí)配；另一方面，由于粉煤灰的密度較小，為達(dá)到相同的干密度，使得在控制一定濕密度條件下，摻入的泡沫摻量變小.綜合作用下，粉煤灰改善了泡沫混凝土的宏觀孔徑分布和形狀因子.但隨著粉煤灰摻量的進(jìn)一步增大，泡沫混凝土的平均等效孔徑和形狀因子都增大.這可能是由于大量粉煤灰不利于泡沫混凝土的早期水化，它會(huì)使水化物的膠凝性變差，對(duì)泡沫混凝土的穩(wěn)定性不利[15].采用X-CT技術(shù)和MIP測(cè)試的泡沫混凝土孔隙率明顯低于用真空飽水吸水率法測(cè)試結(jié)果.采用X-CT技術(shù)對(duì)泡沫混凝土宏觀孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行無損掃描和三維重構(gòu)，同時(shí)結(jié)合圖像分析軟件WatershedSplit技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了泡沫混凝土宏觀孔結(jié)構(gòu)的無損、量化表征.⑶根據(jù)圖像分析結(jié)果，泡沫混凝土在成型過程中會(huì)出現(xiàn)消泡現(xiàn)象，隨著泡沫摻量的增加和密度等級(jí)的降低，泡沫混凝土的平均等效孔徑和形狀因子均變大.⑷泡沫混凝土的力學(xué)性能與孔結(jié)構(gòu)具有良好的相關(guān)性.適量的粉煤灰可改善其孔結(jié)構(gòu)，降低其等效孔徑及形狀因子，其抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量的增加先降后升.【相關(guān)文獻(xiàn)】NAMBIAREKK,RAMAMURTHYK.Air-voidcharacterisationoffoamconcrete[J].CementandConcreteResearch,2007,37(2):221-230.TADAS,NAKANOS.Microstructuralapproachtopropertiesofmoistcellularconcrete[C]iiProceedingsAutoclavedAeratedConcrete,MoistureandProperties.Amsterdam:Elsevier,1983:71-89.PETROVI,SCHEGELE.Applicationofautomaticimageanalysisfortheinvestigationofautoclavedaeratedconcretestructure[J].CementandConcreteResearch,1994,24(5):830-840.方永浩，王銳，龐二波，等.水泥-粉煤灰泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度與氣孔結(jié)構(gòu)的關(guān)系[J].硅酸鹽學(xué)報(bào),2010,38(4):621-626.FANGYonghao,WANGRui,PANGErbo,etal.Relationshipbetweencompressivestrengthandair-voidstructureoffoamedcement-flyashconcrete[J].JournaloftheChineseCeramicSociety,2010,38(4):621-626.(inChinese)彭軍芝，彭小芹,桂苗苗，等.蒸壓加氣混凝土孔結(jié)構(gòu)表征的圖像分析方法[J].材料導(dǎo)報(bào),2011,25(2):125-129.PENGJunzhi,PENGXiaoqin,GUIMiaomiao,etal.Porestructurecharacterizationofautoclavedaeratedconcreteusingimageanalysismethod[J].MaterialsReview,2011,25(2):125-129.(inChinese)高立.泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)的調(diào)控與評(píng)價(jià)[D].武漢：武漢理工大學(xué),2012.GAOLi.Regulationandevaluationoffoamedconcrete'sholestructure[D].Wuhan:WuhanUniversityofTechnology,2012.(inChinese)吳麗曼，孫勇，張曉莉，等.粉煤灰對(duì)超輕發(fā)泡混凝土孔結(jié)構(gòu)及吸聲性能的影響[J].硅酸鹽通報(bào),2014,33(9):2387-2392.WULiman,SUNYong,ZHANGXiaoli,etal.Flyashonporestructureandsoundabsorptionperformanceofultralightfoamedconcrete[J].BulletinoftheChineseCeramicSociety,2014,33(9):2387-2392.(inChinese)張雄，黃廷皓,張永娟，等.Image-proplus混凝土孔結(jié)構(gòu)圖像分析方法[J].建筑材料學(xué)報(bào),2015,18(1):177-182.ZHANGXiong,HUANGTinghao,ZHANGYongjuan,etal.Image-proplusanalysisofporestructureofconcrete[J].JournalofBuildingMaterials,2015,18(1):177-182.(inChinese)MORGANIL,ELLINGERH,KLINKSIEKR,etal.Examinationofconcretebycomputerizedtomography[J].JournaloftheAmericanConcreteInstitute,1980,77(1):23-27.高英力，胡柏學(xué),羅陽青.工業(yè)CT層析掃描技術(shù)在混凝土微結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀淺析[J].公路工程2010,35(1):59-63.GAOYingli,HUBaixue,LUOYangqing.Presentconditionbriefanalysisaboutindustrialcomputeredtomographyusinginthemicrostructureresearchofconcrete[J].HighwayEngineering,2010,35(1):59-63.(inChinese)張萍，秦鴻根,萬克樹，等.X-CT技術(shù)在水泥基材料孔結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用[J].商品混凝土,2011(11):27-29.ZHANGPing,QINHonggen,WANKeshu,etal.ApplicationofX-CTtechnologyinthecement-basedmaterialsporestructureanalysis[J].Ready-MixedConcrete,2011(11):27-29.(inChin