筛余砂浆气孔结构对其28d抗压强度的影响

高 辉，张 雄，张永娟，姜 曼

（同济大学 先进土木工程材料教育部重点实验室，上海 201804）

现代工程对混凝土提出高强度、高流动度、高耐久性的要求.应用混凝土引气技术可显著改善混凝土的和易性与耐久性［1－2］.但有关研究［3－4］表明，如果混凝土含气量（体积分数）增加1%，则其抗压强度降低4%～6%，抗折强度降低2%～3%.由于目前人们对混凝土气孔结构对其力学行为影响规律的认识模糊，因此混凝土业界对混凝土引气技术的应用望而却步.在有关气孔结构对混凝土强度影响的研究中，研究较多的是混凝土总孔隙率的影响，并有很多有关混凝土强度与总孔隙率关系的半经验公式［5－7］，但这些公式都有一定的局限性，它们只考虑总孔隙率对混凝土强度的影响，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.有研究［8］表明：总孔隙率相同的混凝土，由于其孔级配不同，其强度有相当的差异.

随着混凝土测孔技术的不断提高，人们发展出一种将计算机和电子显微镜组合起来应用的定量体视学图像分析法［9］，通过该方法可以获得包括孔径、孔级配、孔空间分布等一系列参数.

1 试验原材料与测试方法

1.1 原材料

水泥：安徽宁国海螺P·Ⅱ52.5水泥；细集料：中砂，细度模数2.54；粗集料：5～25mm 粒径的玄武岩碎石；水：上海自来水.

试验中应用了11种引气剂，其主要化学成分见表1.

表1 引气剂主要化学成分Table 1 Main chemical components of air－entraining agent（AEA）

1.2 试件制备

先用上述原材料配制混凝土试件，其中水、水泥、中砂、碎石用量分别为198，360，850，1 030kg／m3，然后采用湿筛方法将粗骨料筛除（过5mm 筛），筛出的水泥砂浆即为筛余砂浆.用筛余砂浆制作40mm×40mm×160mm 筛余砂浆试件，并标准养护至28d.

通过控制掺加不同掺量（以占水泥质量分数计）不同类型的引气剂，成型出含气量不同的筛余砂浆试件.

1.3 测试方法

1.3.1 筛余砂浆抗压强度和含气量测试

参照GB／T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》测定筛余砂浆试件28d抗压强度.每个配合比测试3个试件，取平均值.

参照DL／T 5150—2001《水工混凝土试验规程》测定筛余砂浆试件含气量.

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1.3.2 筛余砂浆气孔结构参数测试

从筛余砂浆试件上切割出40 mm×40 mm×20mm薄片.用磨片机打磨薄片观测面，然后用抛光机抛光.清洗薄片观测面，并用黑色墨水均匀涂黑，然后将薄片置于（105±5）℃烘箱中烘干.用纳米（50nm）碳酸钙填充薄片观测面气孔，然后用绒布擦掉表面多余纳米碳酸钙，再用带电子目镜的体视显微镜观察拍照（拍照面积为30mm×30mm，拍照最少样本数为4），最后用Image－Pro Plus 6.0对显微图片进行处理、测量，得到筛余砂浆试件气孔结构参数.

1.3.3 界面过渡区显微硬度测试

从筛余砂浆试件上切割出40 mm×40 mm×20mm薄片.用磨片机打磨薄片，再用抛光机进行抛光处理，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测试筛余砂浆界面过渡区显微硬度，所加载荷为25g.测试时随机选取骨料上下界面各5个面，每个面沿界面法线方向以10μm 间隔取10个点，最后取各个点在10个面上的显微硬度平均值.

2 试验结果与分析

2.1 抗压强度与不同范围孔径的灰色关联度

为更细致分析不同范围孔径对筛余砂浆抗压强度的影响，本文划分了6个孔径范围：10～100μm，100～200μm，200～500μm，500～800μm，800～1 200μm，1 200～1 600μm.筛余砂浆试件28d抗压强度及气孔结构特征参数见表2.

表2 筛余砂浆28d抗压强度及气孔结构特征参数Table 2 28dcompressive strength and pore structure parameters of sifted mortar

以筛余砂浆28d抗压强度为母序列，以相应的不同范围孔径为子序列，计算出筛余砂浆28d抗压强度与不同范围孔径的灰色关联度［10－12］，结果见表3.

由表3可见，筛余砂浆28d抗压强度与各范围孔径的灰色关联度均为负值，但不同范围孔径对筛余砂浆28d抗压强度的影响有所不同.

表3 筛余砂浆28d抗压强度与不同范围孔径的灰色关联度Table 3 Grey connection degrees between 28dcompressive strengths of sifted mortar and pore sizes in different ranges

2.2 抗压强度与总孔隙率关系拟合

图1显示了筛余砂浆28d抗压强度与总孔隙率之间的拟合关系.由图1可见，筛余砂浆28d抗压强度与总孔隙率之间有较好的线性拟合关系.

图1 筛余砂浆28d抗压强度与总孔隙率之间的拟合关系Fig.1 Fitting relationship between 28dcompressive strength and total porosity（by volume）of sifted mortar

2.3 抗压强度与孔径分布的关系

分析表2中筛余砂浆28d抗压强度与总孔隙率数值，结果表明有58.5%（24／41）的数据总孔隙率相近（差值＜0.5%），但抗压强度存在较大差异（＞3MPa）；有41.5%的数据总孔隙率相近（差值＜0.5%），而抗压强度则无明显差别（＜3MPa）.

现以2组对比试件（K5和C5，J3和B1）为例对筛余砂浆抗压强度与孔径分布的关系作进一步的分析.

第1组对比试件K5 和C5 的总孔隙率相近，但试件K5 比试件C5 的抗压强度高近4 MPa（见表2）.这是因为，试件K5 和C5 的气孔结构明显不同（见图2（a），（b）），两者的孔径分布存在较大差异.与试件C5比较，试件K5的孔径分布更加合理，其在10～200μm 孔径范围孔隙率较大，在200～1 600μm孔径范围孔隙率较小，因此其平均孔径较小（见表2），抗压强度较高.

第2组对比试件J3 与B1 也呈现上述规律，即试件J3与B1的总孔隙率相近，但试件J3比试件B1的抗压强度高4MPa（见表2）.这是因为试件J3的气孔结构和孔径分布比试件B1的更加合理（见图2（c），（d）和表2），导致其抗压强度较高的缘故.

上述结果表明，增加10～200μm 较小气孔的孔隙率，降低200～1 600μm 较大气孔的孔隙率，可减小因引气而造成的筛余砂浆28d抗压强度损失.

2.4 界面过渡区显微硬度

试件K5，C5的界面过渡区显微硬度见图3；试件J3，B1的界面过渡区显微硬度见图4.图3，4中，当显微硬度曲线变化趋于平缓时，表明界面已经过渡至水泥石本体部分，此时相应的与骨料界面间距即为界面过渡区宽度.

图2 筛余砂浆气孔结构图像Fig.2 Images of pore structure of sifted mortar

图3 试件K5，C5的界面过渡区显微硬度Fig.3 Microhardness of ITZ of sample K5and C5

图4 试件J3，B1的界面过渡区显微硬度Fig.4 Microhardness of ITZ of sample J3and B1

由图3可见：试件K5的界面过渡区宽度大约为40 μm，试件C5 的界面过渡区宽度大约为50μm；试件K5的界面过渡区显微硬度比试件C5高.由图4可见：试件J3的界面过渡区宽度大约为35μm，试件B1的界面过渡区宽度大约为45μm；试件J3的界面过渡区显微硬度比试件B1高.上述说明筛余砂浆总孔隙率相近时，孔径分布越合理，平均孔径越小，砂浆界面过渡区宽度越小、显微硬度越高，砂浆28d抗压强度就越高.

筛余砂浆总孔隙率相近时，孔径分布越合理，小气孔所占比例越大，单位体积砂浆中会存在更多的气孔数，致使气孔与骨料的间距减小，从而使界面过渡区宽度缩短.英国Wong等［13］的研究也得到相似的结果.

3 结论

（1）筛余砂浆28d抗压强度与各范围孔径的灰色关联度均为负值，但不同范围孔径对筛余砂浆28d抗压强度的影响有所不同.

（2）在筛余砂浆总孔隙率相近条件下，增加10～200μm 孔径的孔隙率，降低200～1 600μm 孔径的孔隙率，可使气孔平均孔径减小，砂浆界面过渡区宽度缩短、显微硬度提高，最终减小因引气而造成的砂浆28d抗压强度损失.

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