混凝土气孔结构对其强度及界面过渡区的影响_高辉
第42卷第5期2014年5月同济大学学报(自然科学版)
OURNALOFTONGIUNIVERSITY(NATURALSCIENCE) JJ
Vol.42No.5
a2014 My
)文章编号:0253374X(201405075106--- :/DOI10.3969.issn.0253374x.2014.05.015-j
混凝土气孔结构对其强度及界面过渡区的影响
高 辉,张 雄,张永娟
()同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室,上海201804
摘要:为便于高性能混凝土引气剂的开发和应用,采用定量测定掺有9种引气剂的混凝土2体视学图像分析法,8d气孔运用灰色关联分析方法,研究不同范围孔径对混结构参数,
凝土抗压强度的影响,并采用显微硬度仪对混凝土界面过渡区进行了测试分析.结果表明:各范围孔径与抗压强度的关但不同的范围孔径对混凝土2联性均为负;8d抗压强度的影响有所不同,混凝土总孔隙率相近条件下,增加10~200μm范围孔径的气孔孔隙率,减少200~1600μm范围孔径的气 孔孔隙率,使气孔的平均孔径及平均间距系数减小,混凝土显微硬度提高,有利于减小因引气的界面过渡区宽度缩短,而造成的抗压强度损失.
关键词:混凝土;气孔结构;抗压强度;界面过渡区;灰色关联
中图分类号:TU528.042
文献标志码:A
,roftheaninfrom200μmto1600μm,theorosit ggpy
;eacinaveraairvoiddiameterandmeanfreesaredecreased gpg ,taswellsheidthfTZ.Onheontrarhe a t w o I t cymicrohardnessressiveoftheITZisincreasedwhilethecom pstrenthlossisdecreased. g
:c;a;cKeordsoncreteiroidtructureomressive v syp w;;strenthinterfacialtransitionzoneconnectionre ggy
水泥水化产物、 掺入引气剂的混凝土是由骨料、
未水化水泥颗粒,游离水和结晶水等液体,以及气孔
1]和裂隙中的气体所组成的复合胶凝材料[其中硬.
大小不等的孔,包括化的引气混凝土中的数量不同、
引气剂引入的气泡、搅拌、成型时引入的空气、水泥接触处的孔穴及水泥浆浆体中的毛细孔和凝胶孔、
体的干燥收缩和温度变化而引起的微裂纹等,它们都是混凝土显微结构的重要组成部分.本文所研究这的气孔主要是引气剂引入的大于10μm的大孔,
]23-
气孔结构研些气孔强烈地影响着混凝土的强度[.
EffectofAirVoidStructureonStrenthand gTransitionZoneofConcreteInterfacial
GAO Hui,ZHANG XionYonuang,ZHANG gj
(KeLaboratorofAdvancedCivilEnineerinMaterialsofthe yygg
,,)MinistrofEducationToniUniversitShanhai201804,China ygjyg
究主要包括孔隙率、孔级配和孔几何学.孔隙率、孔级配、孔的状态的测试及其评价已成为混凝土材料科学研究的重要内容.在国际上许多混凝土专家甚目前至把孔作为水泥石中的一个重要的组成部分.文献中出现较多的是总孔隙率对混凝土强度的影响.有很多强度与总孔隙率之间关系的半经验公
]46-
式[例如:反映强度-孔隙率关系的幂函数关系式、.
:IAbstractnrderoacilitateheevelomentnd o t f t d ap
alicationofairentraininaents(AEA)intheih hppggg
,concreteentrainedairvoidstructureerformancearameters pp28dconcreteweremeasuredbimaeanalsismethod.of ygy Therelationshibetweentheairvoidsizedistributionand p ofconcretewasstudiedwiththemethodofrestrenth gyg
,connectionanalsis.Inadditiontheeffectofairvoidsonthe yasteareateinterfacialtransitionzone(ITZ)wasanalzed- pgggyMicrohardness.Theesultshowhatheorrelationb r s t t cy
betweendifferentoresizeraneandthecomressivestrenth pgpgisneative.Theeffectofairvoidsizedistributionon28das gy
:ucomressivestrenthisdifferentndertheconditionof pg,wsimilartotalorositiththeincreaseoftheorositofthe pypy ,voidsizeraninfrom10μmto200μm,andthedecreaseair gg
指数关系式、对数关系式和线性关系式.但这些公式只考虑孔隙率对混凝土强度的影有一定的局限性,
响,没有考虑孔级配、孔空间分布等其他特性对混凝土强度的影响.不少研究文献表明:相同的孔隙率混凝土,由于其孔级配分布的不同,其强度有相当的差
7]
异[.
随着混凝土测孔技术的不断提高,将计算机和
收稿日期:20130606--
);)基金项目:“十二五”国家科技支撑计划(国家自然科学基金(2011BAE27B04251378391-
,:第一作者:高 辉(女,工学博士,主要研究方向为建筑功能材料.1981—)E-mailhonline63.com-@1g—),,,,,通讯作者:张 雄(男教授博士生导师工学博士主要研究方向为建筑功能材料及其功能外加剂1956.
:E-mailxion.zhani.sina.com@vggp
752
同济大学学报(自然科学版)第42卷
电子显微镜结合,研究出一种基于定量体视学的光
8]
,学显微图像分析法[通过该方法可以获得包括孔该试件尺寸为1每个d.00mm×100mm×100mm,
配合比成型4个试件,3个试件用于测试其抗压强度,1个试件用于测试其气孔结构.
引气剂按水泥用量的百分比掺加,通过控制不同引气剂的不同掺量及搅拌时间,成型出不同孔隙率的混凝土试件,用于测试硬化混凝土气孔特征参数.
1.3 测试方法
1.3.1 混凝土性能测试
/《参照国家标准(混凝土强GBT50107—2010)度检验评定标准》对上述混凝土试样进行28d抗压强度测定,结果见表2.
1.3.2 混凝土气孔结构参数测试
从养护28d的100mm×100mm×100mm混凝土试件上切割100mm×100mm×20mm的薄对观测面进行打磨、抛光、清洗,并用黑色墨水均片,
匀涂黑后,将混凝土切片置入烘箱在105℃±5℃条件下烘干.用5并用绒布擦0nm级碳酸钙填充气孔,
孔级配、孔空间分布等一系列参数.本文测试混径、
凝土大于1运用灰0μm的气孔结构及其抗压强度.
色关联分析方法,研究引气混凝土气孔结构与强度的关系,并研究了掺入引气剂后其界面过渡区的变化,为高性能混凝土引气技术的应用提供理论依据.
1 试验原材料与测试方法
1.1 原材料
水泥:安徽宁国海螺PⅡ5细集料:中砂,细2.5.度模数2.粗集料:选用了粒径为5~2表54.5mm,面比较粗糙且质地坚硬的玄武岩碎石.水:上海自来水.引气剂:试验中应用了9种引气剂,其主要成分及性能指标见表1.
表1 引气剂的性能指标
Tab.1 Proertiesofairentraininaent -引气剂ABCDEFGHI
主要成分三萜皂甙类碳氟表面活性剂十二烷基硫酸钠十二烷基苯磺酸钠烷基醚硫酸盐类合成引气剂烷基乙氧硫酸铵和脂肪醇混合物
烷基磺酸盐类
脂肪醇、聚醚等阴离子、非离子混合物
松香类
颜色浅黄色黄色白色白色浅棕色浅黄色黄色黄色深棕色
性状粉末液体粉末粉末液体液体液体粉末液体
掉表面多余纳米碳酸钙,此时可以清晰分辨出观测用带电子目镜的体视显微镜观察拍照,面上的气孔.
2
,根据A其测试面积为8100mmSTM C457
“Standardestethodoricroscoical T M f Mp
Determinationfarametersfheiroid o P o t A-V
”(《硬化混凝土气泡参SsteminHardenedConcrete y
),测试最小样本数为1个数显微镜测定方法标准》
面.最后用软件ImaeProPlus6.0对显微图片进- g行处理测量,得到所需气孔结构参数(包括孔直径、
7]
)孔隙率、孔级配、平均间距系数[图1为混凝土气.
1.2 试件制备
本次试验首先用上述材料配制混凝土试件,每立方混凝土中水、水泥、砂、石子的质量配合比为204试件采用标准养护,养护龄期为2000,8∶370∶818∶1
孔结构定量体视学图像分析图谱.其中,图1a为原始图像,图1图1b为灰度处理后的灰阶八位图像,c为二值化后的图像
.
a
原始图像b
灰阶八位图像c二值化图像
图1 混凝土气孔结构分析图谱
Fi1 Analsismaofairvoidstructuresofconcretes g.yp
第5期高 辉,等:混凝土气孔结构对其强度及界面过渡区的影响753
1.3.3 界面过渡区测试分析
从养护28d的100mm×100mm×100mm混凝土试件上切割100mm×100mm×20mm的片状试样,用磨片机打磨试样,然后将试样在抛光机上进行抛光处理得到平整光滑的待测表面,采用HXS-1000A型数字式智能显微硬度仪做界面过渡区显微采用三棱锥形金刚石压头,体积尺寸小于硬度测试,
顶部曲率半径为5所加载荷为250μm,0nm,40测试随机选取骨料上下界面各5个面,每个面mN,
沿界面法线方向以1最后0μm间隔交互取10个点,取10组数据的平均值作为每个样品的显微硬度值.
试样O A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 B1 B2 C1 C2 C3 C4 D1 D2 D3 E1 E2 F1 F2 F3 G1 G2 G3 H1 H2 H3 I1 I2 I3
表2 28d混凝土性能及气孔结构特征参数Tab.2 Proertiesandairvoidstructure p
of28dconcretearameters搅拌时引气剂
间/min掺量/%3 3 3 3 1 1 1 3 3 3 1 1 1 1 3 3 3 3 3 1 1 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
0
抗压强总孔隙
度/MPa率/%42.0
1.05 1.81
平均孔
径/mμ
平均间距
系数/mμ
91.4106.14 395.4321.51 2
0.0050.7 4 0.0108.0 3 0.0152.9 3 0.0205.1 3 0.0253.4 3 0.0301.4 3 0.0507.5 2 0.0059.7 3 0.0100.3 3 0.0028.8 3 0.0037.5 3 0.0046.4 3 0.0052.1 3 0.0028.0 2 0.0037.8 2 0.0044.2 2 0.0047.8 3 0.0109.8 2 0.0027.2 3 0.0044.4 3 0.0107.6 2 0.0027.5 2 0.0046.1 2 0.0065.0 2 0.0204.2 2 0.0306.2 2 0.0403.7 2 0.0059.5 2 0.0104.0 2 0.0151.9 2
2.6201.3908.49 1 23.3103.0492.59 1 13.16 4.12 4.86 8.21 2.51
98.0987.39 186.8471.62 199.8178.12 196.7428.25 197.4802.91 2
4.6210.8584.47 1 11.9520.5940.58 1 22.1121.6228.19 1 22.2929.1824.87 1 23.5428.6896.79 1 15.7819.8766.18 1 16.0712.7265.13 1 18.2813.9941.41 1 12.6015.5114.57 1 25.8718.0062.83 1 11.6626.9745.41 1 22.4732.8539.06 1 26.7425.6851.29 1 16.8119.0543.84 1 17.0916.1742.16 1 18.2912.5032.41 1 16.7038.9359.00 1 17.1821.5647.53 1 17.3325.9753.88 1 15.3514.7769.51 1 18.3409.0635.30 1 18.6823.8338.11 1 1
2 试验结果与分析
2.1 抗压强度与分级孔隙率的关联度分析
所测混凝土2如8d强度及气孔结构特征参数,)为了进一步分析不同孔径(表3对混凝土表2所示.
抗压强度的影响,将气孔划分为6个等级:0~>1100μm,00~200μm,00~500μm,00~>1>2>5
800μm,00~1200μm,200~1600μm.>8 >1 而多种因素共同作 一般系统都包含许多因素,
用的结果决定了系统的发展态势.灰色关联分析
[]910-
的基本原理是考察系统各因素之间微观或宏观的几何接近,根据序列曲线几何形状的相似程度来判断各因素联系是否紧密.曲线越接近,相应序列(因素)之间的关联度就越大,反之就越小.关联度是因素之间关联极性的量度,其值愈大,反映子序列与母序列的相关性愈大,正关联表示子序列对母序列起增强作用;而负关联则表示子序列对母序列起削弱作用.有关灰色关联度计算方法参见文献[现以211].8d的抗压强度为母序列,以相应的不同范围的孔径孔计算出不同范围孔径孔隙率与混凝隙率为子序列,
土抗压强度的关联度,其关联度结果分别为:0~>1100μm,-0.6189;00~200μm,-0.5659; >1 00~500μm,-0.7422;>500~800μm,>2 -0.8425;00~1200μm,-0.8953;200~ >8 >1 可见不同范围孔径对混凝土1600μm,-0.9473.
关联度从大到小顺28d抗压强度的影响有所不同,
序为:12001600μm,>8001200μm,500> ~ ~ >~800μm,00~500μm,0~100μm,>100~>2>1其中,混凝土2200μm.8d抗压强度与孔径范围为也就是说,越大200~1600μm的关联度最大,>1 孔径使混凝土的抗压强度损失越大.
2.2 总孔隙率与抗压强度的关系
图2显示了混凝土总孔隙率与抗压强度的关系.从图2可看出,虽然混凝土总孔隙率与抗压强度线性拟合较好,但存在个别点偏离直线较远
.
图2 混凝土总孔隙率与抗压强度关系Fi2 Relationshibetweentotalandorosit g.ppy
compressivestrenthofconcrete g
754
同济大学学报(自然科学版)第42卷
表3 28d混凝土不同孔径范围分级孔隙率Tab.3 Gradedofdifferentairvoidsizeorosit py
of28dconcreterane分级孔隙率/%
试样O A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 B1 B2 C1 C2 C3 C4 D1 D2 D3 E1 E2 F1 F2 F3 G1 G2 G3 H1 H2 H3 I1 I2 I3
0~>100~>200~>500~>800~>1200~>1
100μm200μm500μm800μm1200μm1600μm 0.10 0.36 0.38 0.37 0.62 0.61 0.72 1.06 0.44 0.46 0.28 0.31 0.32 0.55 0.50 0.56 0.81 0.28 0.31 0.20 0.21 0.57 0.48 0.63 0.90 0.23 0.52 0.55 0.49 0.92 0.82
0.11 0.45 0.61 0.79 0.97 1.39 1.75 2.56 0.64 0.94 0.34 0.39 0.40 0.90 1.55 1.76 2.22 0.62 1.51 0.29 0.23 1.60 2.00 1.85 2.38 1.55 2.07 1.87 1.31 2.41 2.36
0.18 0.41 0.73 1.04 0.90 1.31 1.67 2.74 0.57 1.44 0.50 0.55 0.62 1.11 1.87 1.89 2.82 0.75 2.36 0.50 0.84 2.81 2.71 2.51 2.96 2.86 2.44 2.70 1.79 2.94 3.07
0.24 0.30 0.35 0.55 0.33 0.43 0.42 1.07 0.41 0.89 0.36 0.37 0.45 0.57 0.89 0.93 1.21 0.43 0.96 0.32 0.45 1.05 0.93 1.09 1.15 1.07 1.02 1.14 0.82 1.09 1.26
0.20 0.15 0.35 0.36 0.23 0.25 0.16 0.50 0.21 0.56 0.25 0.31 0.23 0.29 0.65 0.55 0.75 0.28 0.49 0.18 0.44 0.53 0.47 0.55 0.59 0.59 0.63 0.68 0.52 0.57 0.70
0.210.140.200.200.100.130.150.280.240.320.240.170.260.120.320.390.460.230.240.170.290.190.220.450.310.400.490.390.410.410.47
cD
3
dA7
aF
2
bB
1
图3 混凝土气孔结构分析图谱
Fi3 Analsismaofairvoidstructuresofconcrete
s g.yp
2.3 孔径分布与抗压强度的关系对表2、表3中混凝土孔径分布与强度的关系进行分析,有6差值<4.5%的数据呈现总孔隙率相近(,)但抗压强度存在较大差异(的现0.5%)a>3MP象;有4差值<5.5%的数据呈现总孔隙率相近(,抗压强度无明显差别现象.0.5%)
现以两组对比试样为例进一步分析,对比试样,但BF2和B1的总孔隙率相近(2.5%±0.5%)1比图3F2的抗压强度高4.7MPa.a与3b是两者的气图4是两者的孔径分布图.孔结构分析图谱.
两者的气孔结构有明显差别,从图 如图3所示,
两者的孔径分布存在较大差异,与F4也可以看出,2比较,即在>1B1的孔径分布更加合理,0~200μm
孔径范围气孔孔隙率大,在>200~1600m孔径范 μ围气孔孔隙率小,抗压强度高
.B1的平均孔径小,
图4 F2与B1的孔径分布
Fi4 AirvoidsizedistributionofF2andB1 g.
两3与A7也呈现上述规律, 另一组对比试样D
,者的总孔隙率相近(但A8.22%+0.5%)7比D3的抗压强度高3.图35MPa.c与3d是两者的气孔图5是两者的孔径分布图.从图中可结构分析图谱,
以看出,所以其抗压强度A7的孔径分布更加合理,高.这与前面的关联度分析是相对应的,即增加>10减少>200μm范围较小气孔的孔隙率,00~~2
有利于减小因引1600μm范围较大气孔的孔隙率,
气而造成的抗压强度损失.2.4 界面过渡区测试分析
试验选取了总孔隙率相近,但孔径分布不同的
第5期高 辉,等:混凝土气孔结构对其强度及界面过渡区的影响
755
显微硬度比D这说明混凝土总孔隙率相近时,3高.孔径分布越合理,即增加10~200μm范围较小气孔
的孔隙率,减少200~1600m范围较大气孔的孔隙 μ率,使平均孔径减小,气泡间距系数减小,混凝土的显微硬度增高,从而致使混凝界面过渡区宽度减小,土的强度增高.
混凝土总孔隙率相近时,孔径分布越 分析原因,合理,即小气孔所占比例越大,如图3所示,单位体积水泥浆体中会存在更多的气孔,致使气孔与骨料英国伦敦帝国理工大学的H.的间距减小.S.Wong
12]
(等人[研究发现,CaOH)2晶体在气孔与水泥浆体界面区富集量小于其在骨料与水泥浆体界面区富集(量,且C由此可以推断,aOH)2晶体取向指数减小.气孔与骨料的间距减小,会导致骨料与水泥浆体界(面过渡区CaOH)Ca(OH)2晶体富集量减小,2晶从而使混凝土的界面过渡区宽度体取向指数减小,减小,显微硬度增高.
图5 A7与D3的孔径分布
Fi5 AirvoidsizedistributionofA7andD
3 g.
两组混凝土试样进行对比分析,测试其界面过渡区处显微硬度.图6给出了两者界面过渡区显微硬度图,根据参数特征曲线趋于平缓时,就表示界面已经如图6所示,试样B过渡至水泥石本体部分.1的界面过渡区宽度大约为4而试样F0μm,2的界面过渡且B区宽度大约为50μm,1界面过渡区的显微硬度另一组对比试样A比F2高.7与D3也呈现上述规
律,图7给出了两者界面过渡区显微硬度图,试样而试样DA7的界面过渡区宽度大约为55μm,3的界面过渡区宽度大约为6且A5μm,7界面过渡区的
3 结论
本文通过混凝土试验,实测引气混凝土大于10研究气孔结构对混凝土抗压强度的m的气孔结构,μ
影响,并研究了引入引气剂后其界面过渡区的变化.得出以下结论:
()各范围孔径与混凝土抗压强度的关联性均1为负,但不同范围孔径对混凝土28d抗压强度的影响有所不同,混凝土总孔隙率相近条件下,增加10~减少2200μm范围孔径的气孔孔隙率,00~1600m μ范围孔径的气孔孔隙率,使气孔的平均孔径减小,有利于减小因引气而造成的抗压强度损失.
()混凝土总孔隙率相近时,孔径分布越合理,2
即平均孔径及平均间距系数越小,混凝土的界面过渡区宽度越窄,显微硬度越高,从而使混凝土的抗压强度也越高.参考文献:
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图6 B1与F2界面过渡区的显微硬度图Fi6 ThemicrohardnessofITZofB1andF2 g.
图7 A7与D3界面过渡区的显微硬度图Fi7 ThemicrohardnessofITZofA7与D3 g.
756
同济大学学报(自然科学版)第42卷
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