印拓图像二值法测试自密实混凝土的密实性.pdf

2 0 1 5 年 第 8期 ( 总 第 3 1 0 期 ) Nu mb e r 8 i n 2 0 1 5 ( T o ta l No 3 1 0) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THE0RETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 5 0 8 0 1 1 印拓图像二值法测试 自密实混凝土的密实性 单智 ， 余志武 。 郭风琪 - 。 金城 ( 1 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 4 1 0 0 0 4 ； 2 高速铁路建造技术国家工程实验室，湖南 长沙 4 1 0 0 0 4 ) 摘要： 通过印拓图像二值法测试了自密实混凝土的表面密实性 ， 讨论了 自密实混凝土的表面密实性( 孔隙率) 与其水灰比、 抗 压强度 、 工作性等之间的关系， 发现其表面密实性与工作性之间无明显关系 ， 可能原因是在高效减水剂与粉煤灰等的作用下， 工 作性不再类似于普通混凝土由水灰 比决定 ； 提出了表面孔隙率与体积孔隙率关系的球孔修正模型， 并通过试验结果验证 了该模 型的有效性 。 关键词 ： 密实率；自密实混凝土 ； 体积孑 L 隙率 ； 孔洞模型 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 8 0 0 4 3 0 6 E x p e r i me n t a l I n v e s t i g a t i o n on c o mp a c t n e s s o f s e l f c o mp a c t i n g c o n c r e t e b y pr i n t i n g wi t h I ma g e b l n a r i z a t i o n S HAH Zt u ， yU 删 ， GUO Fe n gq i ， J 1 N Ch e n g ( 1 S c h o o l o f Ci v i l E n g i n e e r i n g ， Ce n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y， C h a n g s h a 4 1 0 0 0 4， C h i n a ； 2 Na ti o n al E n g i n e e r i n g L a b o r a t o r y o f Hi g hs p e e d Ra i l wa y C o n s t r u c ti o n T e c h n o l o g y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 0 4， C h i n a ) Ab s t r a c t ： E x p e ri me n t a l i n v e s ti g a ti o n o n c o mp a c t n e s s o f s e l fc o mp a c ti n g c o n c r e t e wa s h e l d b y p n n ti n g wi t h i ma g e b i n a x i z a t i o n Th e d i s c u s s i o n o n the r e l a ti o n s h i p s b e t we e n the s u rfa c e c o mp a c tne s s ( o r s u rfa c e p o r o s i ty) o f s e l fc o mp a c ti n g c o n c r e t e a n d i t s wa t e r c e - me nt r a tio， c o mpr e s s i v e s t r e n g t h， wo r k a bi l i t i e s wa s o pe r a t e d I t s h ows n o s i g ni fic a n t rel a ti o n s h i p be tw e e n s u rfa c e c o mp a c t n e s s a n d wo r k- a b i fi e s o f f r e s h s e l fc omp a c tin g c o n c ret e W i th the h e l p o f s u p e r p l a s t i c i z e r a n d fly a s h， the wor k a b i l i t i e s o f s e l fc o mpa c tin g c o n c r e t e wo r k s we l lwi t ho u tt h ei mpa c t o fwa t e rc e me n t r a t i o， wh i c hpl a ysan i mpo r t a n t r o l ei nthewo r ka b i l i t i e s o fo r d i na r y C o n c r e t e Ad d i ti o n - a l l y ， a mo d e l o f ma t e d al wi th b all pore f o r rel a ti o n s h i p b e t w e e n the s u rfa c e por o s i t y a n d v o l u me p o r o s i ty o f s e l f c o mp a c ti n g c o n c r e t e wa s p r o p o s e d， i t wa s v e r i fie d by t h e e xp e r i me n t a l res u l t s K e y wo r ds： c o mp a c tne s s ； s e l f c o mp a c ti n g c o n c r e ； v o l u me p o r o s i ty； po r o s i ty mo d e l 0 引言 自密实混凝土( S e l f C o m p a c t i n g C o n c r e t e ， S C C) ， 由于 具有在自重作用下填充模板、 易于施工， 并具有较好的密实 性 、 良好的动力性能和耐久性， 而被广大学者关注研究- - J 。 由于高效减水剂和粉煤灰等的作用， S C C具有 良好的 工作性 ， 因而其被 广泛应用于 钢管混凝土结构 、 结 构加 固 维修以及堆石混凝土结构等 。 因为减水剂导致水灰比 的降低， 并且因为粉煤灰的作用， 使得 S C C孔隙结构得到了 改善 孑 L 隙体系较少形成贯通大孔， 平均孔隙尺寸远比普通 混凝土的小造就了其高强度、 高耐久性等特点 。 。 。 因此 ， S C C的密实性也就成 为研 究者的关注点 - 1 2 。 目前 ， 常用的测试混凝土密实性 ( 孔 隙率 ) 的方法 ， 有压汞 法 、 氦流法 、 甲醇 法 、 可蒸 发 水含量 ， 、 数点 一表 观孔 隙率 法 “” 、 有 效孔 隙率 法 ， 以及 其 他方 法 等 。 印拓图像二值 法技术 ， 是 一种 方便快 捷地测 试混 凝土材料表面孔隙率( 表面密实性) 的方法。 其主要测试 过程包括： 在硬化的混凝土表面检测区均匀涂抹色汁( 墨 收稿 日期 ： 2 0 1 4 -1 卜 l 4 汁) ； 在未干的色汁涂抹区域覆盖白纸， 进行印拓； 将印拓 好 的纸张用数码相机拍照 ， 输入计算机 ； 对数码 照片进行 二值化处理， 并利用计算机统计有色印迹占检测区的面积 率， 即混凝土表面密实率 P ， 而表面孔隙率为： P 。 = 1 一 P ( 1 ) 通过印拓图像二值法， 测试 3 0组 S C C的表面密实性 P ， 对比分析 S C C的抗 压强度 、 工作性 、 水灰 比等与其表 面密实性 P 之间的关系 ； 针对 S C C低孔隙率 、 孔隙均匀分 布等特点， 提出一个表面孔隙率 P 。 与体积孔隙率P 关系 的修正球孔模型 ， 并通过试验验证模型的有效性 。 1 原材料 与试验 1 1 原材料 试验配制 S C C所 采用的原材料 ， 水泥 ( C) ： 衡 阳“ 合 丰” 水 泥 ( 3 2 5 R) 。 粉 煤 灰 ( F A) ： 为 I级 灰 ， 密 度 为 2 4 g c m ， 具有低用水量 高活性 的性能。 砂 ( S ) ： 为 中砂 ， 表 观密度 2 6 5 0 k g m 。 粗骨料 ( G) ： 粒径为 5 - 2 0 m m 的卵 石 ， 表观密度 2 7 0 0 k g m ， 堆积密度 1 5 5 0 k g m 。 减水剂 ( S P ) ： 聚羧酸盐高效减水剂 ， 该减水剂的优点是 ， 高减水 4 3 其他混凝土试验研究 的结果一致 。 因为 ， 混凝土水化 硬化过程中， 其孔隙主要由水化剩余水挥发、 水化硅酸钙 凝胶的空间结构 、 搅 拌浇筑混凝土等引入 的气 泡等形成 ， 且可分 为毛细孔 、 凝 胶孔与气孔 ； 而 当混凝 土水化 程度一 定时 ， 其孔隙率主要 由水化富余水 的挥发所形成的孔洞构 成 ， 于是 ， 水灰 比的大小 ， 决 定 了富余水 的多少 ， 从而影 响 着孑 L 隙率的大小。 图 4 平均表面密实率与高效减水剂掺关系 图 5 尸 s w ( C+ J 关系 试验测试的3 0组 S C C， 其水灰比与表面密实率之间 具有拟合关系 ： P 。 =1 0 3 4 7 8- 0 4 4 3 3 6 W C+ F A， R=一 0 6 0 4 6 1 ( 2 ) 2 3 S C C表面密实率对抗压强度的影响 图6展示了 S C C表面密实率与标准抗压强度之间的 关系： S C C标准抗压强度随着其表面密实率的增大而增 大。 因为在不考虑配制 S C C试块 所用 的骨料形状粒 径 的 随机性 、 孔隙大小形状及 分布的随机性 ， 以及试验 过程 的 人为因素等诸多 因素下 ， 表面密实率反映了试块所能提供 的支撑外界荷载 的有效面积 比例 ； 试块越密实 ， 表面密实 率越大 ， 则其有效 承载面积计 比例也越 大， 试块 的强度也 就越高。 同时 ， 所 测试 的S C C 试 块表 面密 实率 与抗压 强度之 46 图 6 a l柏一尸 s 关系 间具有如下关 系( 不含 C 2 01 0和 C 4 0 2 两组 ) ： Q2 8=一1 1 7 8 6 3 8 1+1 6 9 1 7 2 0 4 P 。 ， R= 0 7 7 5 1 1( 3 ) 或 Q 2 8 = 9 9 4 5 3 9 1 7 2 2 8 0 0 4 5 7 P 。 [phone] P ， R= 0 6 4 0 3 ( 4 ) 由此可见 ， S C C表面密实率与抗压强度二者具有较强 的相关性。 该相关性与多孔性混凝土( 表面密实率较低) 的相关性 比较接近 。 2 4 S C C表面密实率与工作性能的关系 由图 7 、 8 、 9可知 ， S C C表面密实率与工作性能之 间没 有很明显的相关性。 其 中， 仅有 V一 漏斗流出时间 与表 面密实率之 间表 现 出轻 微 的相关 趋势 ， 而坍 落筒试 验 的 、D f 均与表面密实率之间无明显的相关性。 0 8 4 0 8 6 0 _ 8 8 0 9 O 09 2 09 4 0 9 6 0 9 8 P 图 7 一尸 关 系 图8 一尸 s 关系 图9 D f 一尸 s 关系 可能的原因是： S C C的表面密实率， 主要反映的是由 水灰 比所决定 的毛细孔等 的多少 ， 亦即新拌 S C C所含水 多少 ； 通常 ， 对于普通混凝土 ， 水灰 比的大小 ( 或新拌状态 时水量的多少) ， 是决定其工作性能的一个重要因素 在一定范 围内( 不离析条件下 ) ， 普通混凝 土 的水 灰 比越 大， 则其和易性越好 ， 即工作性越好 ； 然而 ， 对于 S C C， 其 工 作性能主要 由高效减水剂的掺量、 粉煤灰 的掺量等 因素决 定， 而水灰比不再如普通混凝土中一样起主要作用， 于是 S C C表面密实率( 以及水灰比等) ， 不再对其工作性能起 决定性 的影响。 由此 ， 上述原 因可概括为 以下两个种 混凝土 的表 面密 实性与工作性 的关系 比较 ( 图 1 0 ) ： 水( 水灰比) 一 P c 工作性营 孔隙率 冰 ( 水灰比) ( a ) 普通混凝土 水( 水灰比卜-孑 L 隙率一 ) S c c 工作性略P 与F A ( b ) S C C 图 1 O表面密实性与工作性的关系比较 2 5 S C C表面孔隙率与体积孔隙率关系模型 由于 S C C的孔 隙率较小 ( O 0 4 3 - 0 1 4 7 ) ， 且假定 ： 其孔 隙分布均匀 ， 各个 孔洞均为单独 不连通 的圆孑 L ， 则 可 以得 到如图 1 1 所示 的理想球孔模型。 对于任意一个试块断面， 若该断面共有 n个孔洞， 则 可以取一个尺寸为： z = 小立方体作为试块的代表单 元 ； 而该 n个孔洞平均化 的面积 ： a = 1 T 4 - ， 即为该代 表 单元的孔洞截面积 ， 则可以用代表单元来表示试块的表面 孔隙率为 ： Ps r ： a r ( 5 ) 同时， 可用代表单元来表示试块的体积孔隙率： ： ：孚4 , d x 3 p vr T 一 【0 ， 而 a =1 r ， 4 d 2 ， 则由式( 5 ) 、 ( 6 ) ， 可以建立基于代表 单元表示 的试块表面孔隙率 与体积孔隙率 的关 系模型 ： = 3 1 r ， =Ps 2 d ( 7 ) 又 詈 = ( 8 ) N pv ,r = n 2d - 丁 2 d= ( 9 ) p = 下 丁 = () 可以建立 S C C立方体试块的表面 一 体积孔隙率关系 式 ： p = 0 7 5 2 p ( 1 0 ) P = 1 0 7 5 2 ( 1 一 P 。 ) 卡 ( 1 1 ) 由于实际上 ， 孔 隙不为独立理想 的 圆孔 ， 故 引入一个 修正系数 k ， 则 P = k 1 0 7 5 2 ( 1 一 P 。 ) 卡 ( 1 2 ) 与文献 2 2 试验拟合模型计算结果对比( 图 1 2 ) ， k 与 P 。 之间存在如图 l 3所示关系 ： k= 一0 6 9 1 3 P。+O 9 9 3 4， A R S q u a r e=0 9 9 8 9 4 ( 1 3 ) 故k =( 一 0 6 9 1 3 P + 0 9 9 3 4 ) 1 0 7 5 2 ( 1 一 P 。 ) 手 ( 1 4 ) 0 9 7 0 9 6 0 9 5 0 9 4 0 9 3 0 9 2 0 91 0 9 0 O 89 实测孔隙率 图 1 2 试验拟合 P v 一尸 s 关系 图 1 3 修正系数 一实测表面子 L 隙率 P s 关系 ，I 图 1 4 修正球孔模型计算结果与试验拟合结果的比值 从图 1 4可知 ， 修正球孔模型计算结果 与试 验拟合结 果的比值波动范围很小( 0 9 9 8 1 0 0 1 ) ， 基本接近于 1 ， 即 验证了所提出的表面孔隙率与体积孔隙率关系的修正球 孔模型的有效性。 3 结 论 ( 1 ) 通过印拓图像二值法 ， 测试 了 自密实混凝土 的表 面密实性 ， 讨论 了自密实混凝土的表面密实性( 孔 隙率) 与 其水灰 比、 抗压强度 、 工作性等之间的关 系； 发现其表面密 实性与工作性之间无明显关系， 可能原因是： 在高效减水 剂与粉煤灰等的作用下 ， 自密实混凝 土的工作性不 由水灰 比决定 。 ( 2 ) 提出了自密实混凝土表面孔隙率与体积孔隙率关 系的修正球孔模型， 并通过试验结果验证了该模型的有效 性 。 47 如 加 ：2 =兮 0 O 0 O O 0 瓣兹1 鼷 参考 文献 ： 1 D O MO N E P L S e l f c o mp a c ti n g c o n c r e t e ： A n a n a l y s i s o f 1 1 y e a r s o f c a s e s t u d i e s - J C e m e n t a n d C o n c r e t e C o m p o s i t e s ， 2 0 0 6 ( 2 8 ) ： 1 9 7 2 0 8 E 2 3余志武， 潘志宏 ， 谢友均， 等 浅谈自密实高性能混凝土配合比 的计算方法 J 混凝土， 2 0 0 4 ( 1 ) ： 5 4 5 7 ， 6 7 r- 3 - 1陈波 ， 刘清， 等 乌鲁木齐地区 C 3 0自密实混凝土力学性 能试 验研究E J 混凝土 ， 2 0 1 4 ( 8 ) ： 5 2 5 6 4 单智， 石建军， 熊恩， 等 新拌自密实混凝土流变性研究 J 混 凝土 ， 2 0 1 0 ( 1 1 ) ： 1 0 8 1 1 2 5 丁庆军， 王志亮， 周孝军， 等 自密实补偿收缩钢纤维钢管混凝 土的抗冻性研究与应用I- J - 混凝土 ， 2 0 1 4 ( 8 ) ： 4 3 4 8 6 陈景， 徐庭波， 等 C 6 0泵送顶升自密实钢管混凝土的制备与工 程应用 J 混凝土 ， 2 0 1 4 ( 6 ) ： 1 5 1 1 5 4 ， 1 5 6 7 刘权， 石建军， 周杨， 等 泵送顶升 混凝土， 2 0 1 4 ( 2 ) ： 1 5 6 1 6 0 8 安雪晖， 金峰， 石建军 自密实混凝土充填堆石体试验研究 J 混 凝土， 2 0 0 5 ( 1 ) ： 3 6 ， 4 2 9 樊愚， 王万兴 堆( 卵) 石混凝土密实度检测方法的研究r J 国 防交通工程与技术 ， 2 0 0 9 ( 3 ) ： 1 7 2 O 1 O 徐志辉， 韦江雄， 等 胶凝材料用量对自密实混凝土氯离子扩 散系数的影响研究r J 混凝土， 2 0 1 4 ( 7 ) ： 7 3 7 5 1 1 许燕莲， 李荣炜， 余其俊， 等 多孔混凝土孔隙的表征及其与渗 透性的关系研究 J 混凝土， 2 0 0 9 ( 3 ) ： 1 6 2 0 1 2 马昆林， 谢友均， 刘运华 粉煤灰对混凝土孔隙率及强度的影 响 J 粉煤灰综合利用， 2 0 0 7 ( 5 ) ： 3 5 上接第 4 2页 展 ， 而未见明显竖向受弯裂缝 以及斜 裂缝 开展。 这 也使得 高腐蚀率试件的最终剪切破坏更加突然， 无预警。 腐蚀率 较低 时， 初始裂缝 的耗 能效 果差 ， 竖 向裂缝和斜裂 缝的开 展更为明显 ， 试件的延性相对较好。 3 结 论 通过 8 根不同腐蚀程度的钢筋混凝土试件的落锤侧 向冲击试验 ， 研究 了钢筋腐蚀对 于钢筋混凝土墩柱的裂缝 开展和破坏形 态的影响 ， 得到以下结论 ： ( 1 ) 低腐蚀率试件 的破坏模式为由弯剪裂缝开展导致 弯剪破坏 ， 高腐蚀率试件破坏模式为无预警的剪切脆性破 坏 。 腐蚀率的增加使墩柱抗侧冲击延性降低。 ( 2 ) 随着腐蚀率的增加 ， 墩柱 的初始锈胀裂缝宽度 ， 长 度增加。 初始锈胀裂缝的冲击耗能效果使高腐蚀率试件趋 于无预警 的脆性破坏 。 参考文献 ： 1 王增忠， 王君杰， 范立础 船撞桥风险分析与安全经济决策 J 建筑经济， 2 0 0 8 ( 2 ) ： 1 0 8 1 1 1 2 许琦 贝 0 向冲击荷载下钢筋混凝土圆形桥墩动力性能研究 D 南京 ： 南京工业大学 ， 2 0 0 9 3 ME T H A P K C o n c r e t e d u r a b i l i t y ： fi f t y y e a r S p r o g r e s s C P r o c e e d i ng o f 2t h I n t e rna t i o na l Co n f e r e n c e o n Co n c ret e Du r a b i l i t y ACI S P1 2 61， 1 9 9 1， 13 3 4 8 1 3 唐朝生， 施斌， 王宝军 基于 S E M土体微观结构研究中的影响 因素分析 J - 1 岩土工程学报， 2 0 0 8 ( 4 ) ： 5 6 0 5 6 5 1 4 何俊， 施建勇 膨润土微观结构S E M观察中的表观孔隙率 J 河 海大学学报： 自然科学版， 2 0 0 7 ( 2 ) ： 2 2 0 2 2 4 1 5 3 U 伟 ， 邢锋， 谢友均 水灰比、 矿物掺合料对混凝土孔隙率的影 响 J 低温建筑技术， 2 o 0 6 ( 1 ) ： 9 1 1 1 6 涂成厚 ， 林宗寿 ， 米春艳 水泥基体中消泡剂的作用浅析 J 国 外建材科技， 2 0 0 0 ( 4 ) ： 4 8 5 2 1 7 涂成厚 ， 林宗寿 ， 陶海征 水泥石气泡的形成及其对强匣的影 n E J 水泥工程， 2 0 0 1 ( 2 ) ： 6 8 1 8 赵铁军， 李淑进 碳化对混凝土渗透性及孔隙率的影响 J 工 业建筑 ， 2 0 0 3 ( 1 ) ： 4 6 4 7 1 9 叶铭勋 混凝土孔隙率的测定 J 水利水运科学研究 ， 1 9 9 7 ( 4 ) ： 3 7 9 3 8 5 2 O 透水混凝土路面表面孔隙率与试块断面孔隙率检测方法： C N1 0 1 0 0 4 3 7 0 - P 2 0 0 7 0 72 5 2 1 C E C S 2 0 3 ： 2 0 0 6 ， 自密实混凝土应用技术规程 s 2 0 0 6 2 2 曾伟 透水混凝土配合比设计及性能研究 D 重庆： 重庆大 学 。 2 0 0 7 第一作者 ： 联系地址 联系电话 单智( 1 9 8 7一) ， 男， 博士研究生， 研究方向： 高性能混 凝土材料、 混凝土材料本构模型、 混凝土结构疲劳耐 久性等。 中南大学铁道校区研究生楼( 4 1 0 0 0 4 ) 0 7 318 2 65 6 6 11 4 H U G H E S G， B E E B Y A W I n v e s t i g a t i o n of th e e f f e c t o f i mp a c t l o a d i n g o n c o n c r e m b e a ms J S T R U C T U R A L E N G I N E E R P A R T B， 1 9 8 2 ， 6 0 ( 3 ) ： 4 5 5 2 5 陈肇元， 罗家谦 钢筋混凝土轴压和偏压构件在静载和快速变形 下的性 g c 清华大学抗震抗暴工程研究室 科学研究报告集 ( 第4 集) 钢筋混凝土结构构件在冲击荷载下的性能 北京： 清 华大学出版社， 1 9 8 6 ： 3 3 4 4 6 李珠， 李宝成， 李永刚， 等 钢管混凝土短柱轴向冲击动 力特性 的探讨 J 太原理工大学学报 ， 2 0 0 6 ， 3 7 ( 4 ) ： 3 8 3 3 8 5 r 7 任够平 预加轴力的钢管混凝土构件受刚性块侧向冲击的动 力响应分析 D 太原 ： 太原理工大学 ， 2 0 0 9 8 王明洋 ， 王德荣 ， 宋春明 钢筋混凝土梁在低速冲击下的计算 方法 J 兵工学报 ， 2 0 0 6 ， 2 7 ( 3 ) ： 3 9 9 4 0 5 r 9 解东升， 冯淑芳， 王明洋 1 氏速冲击下钢筋混凝土柱的变形与 破坏研究 c 第六届 全国工程结构安全防护学术会议论文 集 ， 2 0 0 7 1 O 过镇海 ， 时旭东 钢筋混凝土原理和分析 M 北京 ： 清华大学 出版社 ， 2 0 0 3 第一作者： 邱春杰 ( 1 9 9 0一) ， 男 ， 硕士研究生 ， 研究方向： 混凝土 结构耐久性。 联系地址： 联系电话： 通讯作者： 联 系电话： 上海市闵行区东川路 8 0 0号 上海交通大学木兰船建 大楼 A 5 0 4室( 2 0 0 2 4 0 ) 1 38 1 6 8 27 l 6 3 方从启( 1 9 6 3 一) ， 男， 副教授。 1 3 91 6 6 7 5l 1 5