图像分析宏观孔孔隙率对混凝土抗压强度的影响.pdf

第 1 8卷第 2期 2 0 1 5年 4月 建筑材料学报 J OURNAL OF B UI LDI NG MATERI ALS V0I ．1 8， No．2 Ap r ． ， 2 0 1 5 文章 编号 ： 1 0 0 7 - 9 6 2 9 ( 2 0 1 5 ) 0 2 — 0 2 7 5 - 0 6 图像分析宏观 孔孔 隙率对混凝土抗压强度 的影 响 朱洪波， 闰美珠， 李 晨， 成轶杰 ， 吴凯凡 ( 同济大学 先进土木工程材料教育部重点实验室 ， 上海 2 0 1 8 0 4 ) 摘 要 ： 采 用 不 同种 类 的 气孔调 节材 料 配制 出 1 5种 不 同含 气 量( 体积 分 数) 的混 凝 土． 研 究 了混凝 土 3 ， 7 ， 2 8 d抗压强度与含 气量之间的关系； 采用 图像 法研究 了不同含气量混凝土 中孔径大于 2 0 0 1 0 。 r i m 的宏观孔孔隙率( 体积分数) ； 对 比分析 了混凝土宏观孔孔隙率和含气量对混凝土 2 8 d抗压 强度 的影 响规律 ． 结果表 明 ： 混凝 土 2 8 d抗 压 强 度 与含 气量 的 线 性 关 系较 强 ， 而混 凝 土 3 d和 7 d 抗压强度与含气量的线性关系较弱 ； 混凝土 2 8 d抗压强度对宏观孔孔 隙率变化的敏感性显著 高于 其对含 气量 变化 的敏感性 即混凝 土中宏观孔孔隙率变化对其 2 8 d抗压强度影响更大； 调整气孔 调 节材 料 的品 种 ， 可使 混凝 土含 气量 从 1 ． 5 提 高到 9 ． 0 ， 而 宏观 孔孔 隙率 只 从 0 ． 8 1 增加 到 1 ． 4 8 ， 其所 占含气量的比例从超过 5 5 降低到 1 6 ％左右 ， 即可在有效调节混凝土含气量的同时， 控制 其 宏观 孔 的数 量． 关键 词 ：混凝 土 ；含 气量 ； 宏 观孔 孔 隙率 ； 抗 压 强度 ；图像 法 中图分 类号 ： TU5 2 8 ． 0 文献标 志 码 ： A d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 7 — 9 6 2 9 ． 2 0 1 5 ． 0 2 ． 0 1 5 An a l y s i s o f t he I nf l u e nc e o f Po r o s i t y o f M a c r o s c o p i c Po r e o n Co nc r e t e S t r e n g t h b y I ma g e M e t ho d ZHU Ho n gb o， Y AN Me i z h u， L C h e n， CHENG Yi j i e， WU Ka i f a n ( Ke y L a b o r a t o r y o f Ad v a n c e d C i v i l E n g i n e e r i n g Ma t e r i a l s o f Mi n i s t r y o f Ed u c a t i o n， To n g j i Un i v e r s i t y，S h a n g h a i 2 0 1 8 0 4，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：F i f t e e n k i n d s o f c o n c r e t e wi t h d i f f e r e n t a i r c o n t e n t s ( b y v o l u me )we r e p r e p a r e d b y a d j u s t i n g t h e a i r p r o d u c t ( AP) ．Th e r e l a t i o n s h i p s b e t we e n t h e 3， 7， 2 8 d c o mp r e s s i v e s t r e n g t h s o f c o n c r e t e a n d a i r c o n — t e n t s we r e i n v e s t i g a t e d ．An i ma g e a n a l y s i s me t h o d wa s u s e d t o s t u d y t h e p o r o s i t y( b y v o l u me )o f ma c r o — s c o p i c p o r e ( d i a me t e r > 2 0 0 1 0 。n m)o f c o n c r e t e wi t h d i f f e r e n t a i r c o n t e n t s ．a n d t h e e f f e c t s o f p o r o s i t y o f ma c r o s c o p i c p o r e a n d a i r c o n t e n t o n 2 8 d c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e we r e s t u d i e d ．Th e r e s u l t s s h o w t h a t 2 8 d c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e h a s a s t r o n g e r 1 i n e a r r e l a t i o n s h i p wi t h a i r c o n t e n t ，a n d 3 ， 7 d c o mp r e s s i v e s t r e n g t h s o f c o n c r e t e h a v e a we a k e r l i n e a r r e l a t i o n s h i p wi t h a i r c o n t e n t ．Th e s e n s i b i l i t y o f 2 8 d c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o n t h e c h a n g e o f p o r o s i t y o f ma c r o s c o p i c p o r e i s l a r g e r t h a n t h a t o n t h e c h a n g e o f a i r c o n t e n t ，wh i c h me a n s t h a t t h e p o r o s i t y o f ma c r o s c o p i c p o r e o f c o n c r e t e e f f e c t s 2 8 d c o mp r e s s i v e s t r e n g t h mo r e s i g n i f i c a n t l y ．By a d j u s t i n g t h e a i r p r o d u c t t h e a i r c o n t e n t c a n b e i n c r e a s e d f r o m 1 ． 5 t o 9 ． 0 wi t h p o r o s i t y o f ma c r o s c o p i c p o r e o n l y i n c r e a s i n g f r o m 0 ．8 1 t o 1 ． 4 8 ，a n d t h e r a t i o o f p o r o s i t y o f ma c r o — s c o p i c p o r e t o a i r c o n t e n t c a n b e d e c r e a s e d f r o m mo r e t h a n 5 5 t o 1 6 o r S O ．I t i n d i c a t e s t h a t t h e a i r c o n — t e nt o f c o nc r e t e c a n be c on t r ol l e d e f f e c t i ve l y，a nd t he a mou nt o f m a c r os c op i c p or e c a n be l i mi t e d a t t he s a m e t i me ． Ke y w o r d s ：c o n c r e t e ；a i r c o n t e n t ；p o r o s i t y o f ma c r o s c o p i c p o r e ；c o mp r e s s i v e s t r e n g t h；i ma g e me t h o d 收稿 日期 ： 2 0 1 3 — 0 9 — 3 0 ，修订 日期 { 2 0 1 4 — 0 1 — 0 6 基金 项 目， 国家 自然科学基 金资助项 目( 5 1 3 0 2 1 8 9 ) 第一作者 ： 朱 洪波( 1 9 6 5 一 ) ， 男 。 河南驻马店人 ， 同济大学副教授 ， 博士． E— ma i l ： 0 8 0 1 3 @t o n g j i ． e d u ． e n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 建筑材料学报 第 l 8 卷 混凝土中的孔主要通过拌和过程引入空气和由多 余水分蒸发、 水化产物收缩等几种方式形成． 按照孔径 尺寸大小可将混凝土中的孔分为凝胶孔( 1 0 0 0 n m) [ 1 ] ． 混凝 土中的大孔主要是在拌和过 程 中产生 ， 或者 由引气剂 引入 的气泡发生合并而形 成． 一般认为， 小孔( 2 0 0 1 0 n m) 则对混凝土抗压强度产生影响[ 2 - 3 ] ． 也有研 究认 为 ， 孔 径 尺寸 为 1 0 0 0 l o 。 ～3 0 0 0 1 0 。 i l m 的 宏观孔体积虽仅 占总孔体积的 1 O ， 但其对混凝土 抗压强度的影 响最显著[ 4 ； 采用混凝土总孔隙率( 体 积分数) 来评价或预测 其抗压强度并 不合理[ 5 ] ． 所 以， 研究混凝土宏观孑 L 孔隙率( 体积分数) 对其抗压 强度的影响比研究混凝土总孔隙率对其抗压强度 的 影响更具有针对性． 研究孔结构 的传统方法包括 X射线小角度衍 射法 ( S AXR D) 、 气 体 吸 附 法 电 子 显 微 镜 观 察 法 ( S E M) 、 压汞法 ( MI P ) 、 气泡法 、 离心力法 、 透过法 、 核磁共振法等[ 6 3 ， 然而这些方法都存在一定的局限 性， 且多数只适用于研究小孔径尺寸范围的孔结构． 例如 ， 压汞法测试样在制样过程 中可能改变了其原 始孔结构[ 7 ] ， 且压汞法 可测孔径 尺寸范 围较 小， 为 2 ～2 O O 1 0 。n m[ 8 ； N。吸附法 的 可测 孔径 尺寸 范 围 为 0 ． 5 ～3 5 ． 0 n ml_ g ] ． 目前， 采用 图像法分 析混 凝土 孔结构的研究受到国内研究者[ 1 0 - 1 8 重视． 本文先采 用普通数码相机采集混凝土孔结构 图像 ， 再通过相 关程序处理获得混凝土宏观孔孔 隙率 ， 然后对 比分 析混凝土宏观孔孔隙率和含气量 ( 体积 分数) 对其 2 8 d抗压强度的影响规律． 1 试验 1 ． 1 试 验材 料 水泥( c ) 为上海海豹水泥( 集 团) 有 限公 司 P 0 4 2 ． 5水 泥， 其 3 d和 2 8 d抗 压 强 度 分 别 为 2 3 ． 3 MP a 和 4 5 ． 1 MP a ； 粉煤 灰 ( F A) 为 上海 宝钢 自 备 电厂 Ⅱ级粉煤灰 ， 其 0 ． 0 4 5 mm方孑 L 筛余 ( 质量分 数) 为 1 3 ． 2 ． 水泥及粉煤灰的化学组成见表 1 ． 裹 1 水泥和粉煤灰的化学组成 T a b l e 1 C h e mi c a l c o mp o s i t i o n s ( b y m a s s ) o f c e me n t a n d f l y a s h 细集料 为河 砂 ， 细度模 数 2 ． 6 ； 粗集 料 由粒径 5 ～l 5 mm， 1 5 ～2 5 mm 和 2 5 ～4 0 mm 的 3种 级 配 碎石混合而成． 混凝土用气孔 调节材料 ( AP ) 由美国 Ai r P r o — d u c t i o n公司提供 ， 共 1 5种 ； 聚羧酸减水剂 ( Ad ) 亦 由该公司提供 ， 固含量( 质量分数) 为 2 5 ． 1 ． 2 试 验方 法 混凝土含气量依照 GB ／ T 5 O O 8 O 一2 0 0 2 6 普通混 凝土拌合物性能试验方法标准》 进行测试 ， 试验仪器 为美 国 F o r n e y公 司 L A一 0 3 1 6型混 凝 土含 气量 测 试 仪； 抗压强度试块采用 1 0 0 mml O O mm1 0 0 mm 模具成型并机械振捣 1 0 S ， 经标准养护至规定龄期 后进 行抗 压强 度测 试． 混凝土宏观孔孔隙率测试步骤 ： 将硬化的 1 0 0 IT Lr n 1 0 0 mm 1 0 0 mm 混 凝 土试 块 平 均 切 割成 6片 ， 得到 1 0个新鲜断面． 采用砂轮打磨机对新鲜断面进 行粗磨 ， 然后在磨样机上利用不 同粒径的石英砂将 其抛光至成镜 面． 用水及硬毛 刷清洗镜面 ， 再用批 刀将细度为 7 4 m( 2 0 0目) 的 a一 石 膏浆体涂抹在 镜 面上 ， 然后 用 细 砂 纸 打 磨 镜 面． 用 柔 软 的 湿 布 擦 拭 镜 面 ， 然 后 涂 1层 植 物 油 ． 采 用 数 码 相 机 ( 型 号 Ol y mp u s u l 0 7 0 ， 最大像素 1 2 7 0万 ， 分辨率 7 2 d p i ) 对 每个镜 面进行拍摄 ， 所得 图片用 Ma t l a b软件进 行二值化处理 ( 处理过程参见 图 1 ) ， 最终获得二值 化图像． 采用微尺测 量每个镜面上气 孔面积． 计算 每个镜面上 气孑 L 面 积与镜 面 总面积 的 比值 ， 得 到 混凝土宏观孔孔 隙率． 取 1 0个镜面宏 观孑 L 孔隙率 平均值． 1 ． 3混凝 土配合 比 采用 1 5种气孔调节材料 配制 出 1 5种混凝土 ， 编号分 别 为 1 #， 2 #， ⋯ ， 1 5 ． 混凝 土 基 本 配 合 比如 表 2 所示． 按照表 2基本配合 比拌制的所有 混凝土 出机坍落度均可控制在 1 9 ． 5 --2 2 ． 0 c n 1 ． 表 2混凝土基本配合 比 T a b l e 2 B a s i c mi x p r o po r t i o n o f c o n c r e t e k g ／ I n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 朱洪波 ， 等 ： 图像分析宏观孔孔 隙率 对混凝 土抗压强度 的影响 N o 图 5 混凝土 的宏 观孔孔 隙率及其 占含气量 比例 Fi g ． 5 P o r o s i t y ( b y v o l u me )o f ma c r o s c o p i c p o r e o f c o n c r e t e a n d r a t i o ( r )o f p o r o s i t y o f ma c r o s c o p i c p o r e t o a i r c o n t e n t 性 ， 并不希望其出现较多的宏观孔． 本研究采用不 同 的气孔调节材料可使混凝土含气量从 1 ． 5 ％提高到 9 ． 0 9 ， 6 ， 而 宏 观 孑 L 孔 隙 率 只 是 从 0 ． 8 1 增 加 到 1 ． 4 8 ， 显示对这些气孔调节材料的应用较为合理． 因此只要气孔调节材料品种控制得 当， 混凝土就不 会 出现较 多 的宏 观孔 ． 本研究中， 除了掺量极少( O ． 0 3 2 k g ／ m。 ) 的气孔 调节材料品种不同外 ， 各试块所用的其他原材料、 配 合 比和搅拌 、 成型、 养护等条件完全一致 ， 因此可以 将各试块 由于水泥水化收缩和多余水分蒸发所形成 的内部孔隙体积看作一致 ， 于是可 以将混凝土抗压 强度随含气量的变化规律看作是混凝土抗压强度随 总孔隙率的变化规律． 3 结论 ( 1 ) 混凝土 2 8 d抗压强度与含气量 的线性关 系 较 强 ， 而 混 凝 土 3 ， 7 d抗 压 强 度 与 含 气 量 的线 性 关 系较弱 ， 这是因为养护早期混凝土抗 压强度受环境 因素的影响较大， 而养护后期混凝 土抗 压强度则主 要受其内部微观结构状态的影 响所致． ( 2 ) 混 凝 土 2 8 d抗 压 强 度 对宏 观 孔 ( 孔 径 大 于 2 0 0 1 0 。 ri m) 孔隙率变化的敏感性显著高于其对含 气量变化的敏感性 ， 即混凝 土宏观：f L S L 隙率对其抗 压强 度 的影 响更 大． ( 3 ) 调整气孔调节材料 品种 ， 可使混凝土的含气 量从 1 ． 5 ％提 高 到 9 ． 0 ， 而 宏 观 孔 孔 隙 率 只 从 0 ． 8 1 增加到 1 ． 4 8 ， 其所 占含气量 的比例从超过 5 5 降低到 1 6 ％左右 ， 即可在有效调整混凝土含气 量的同时 ， 控制其宏观孔 的数量 ， 降低 由于引入气泡 带来的对混凝土抗压强度的不利影响． 参 考 文献 ： [1] 杨玉红 ， 李悦 ， 杜修力． 自密实 混凝土早 期 自收缩 及微观孔 结 构研究E J q ． 建筑材料学报 ， 2 0 1 0 ， 1 3 ( 5 ) ： 6 0 1 — 6 0 6 ． YANG Yu ho n g， LI Yu e ， DU Xi u l i ． S t u d y o n e a r l y a u t o ge n o u s s h r i n k a ge a n d mi c r o c o s mi c p o r e d i s t r i b u t i on o f s e l f - c o mp a c — t i n g c o n c r e t e [ J ] ． J o u r n a l o f Bu i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 1 0 ， 1 3 ( 5 ) ： 6 0 1 - 6 06 ． ( i n Chi n e s e ) [2] Z HANG J i n x i ， TAD AS HI F I ． Re s i s t a n c e t o f r o s t d a ma g e o f c o n c r e t e wi t h v a r io us mi x pr o p o r t i o ns u n d e r s a l t y c o nd i t i o n： Fr o s t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e i- C]f f R I L E M P r o c e e d i n g s P R O． Fr a nc e ： RI LEM Pub l i c a t i o n s S a r l ， 2 0 0 2： 3 6 7 — 37 4 ． [3 ]张金喜 ， 张建 华 ， 邬 长森． 再生 混 凝土 性 能 和孔 结构 的研 究 I- J ] ． 建筑材料学报 ， 2 0 0 6 ， 9 ( 2 ) ： 1 4 2 — 1 4 7 ． Z HANG J i n x i ． ZHANG J i a n h u a． W U Ch a n g s e n． S t u d y o n p r o - p e r t i e s a n d p o r e s t r u c t u r e o f r e c y c l e d c o n c r e t e E J ] ． J o u r n a l o f Bu i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 06， 9( 2)： 1 4 2 - 1 4 7 ．( i n Ch in e s e ) [4] 涂成厚 ， 林宗寿 ， 米春艳． 水 泥基体 中消泡剂 的作用浅 析E J 3 ． 国外建材科技 ， 2 0 0 0 ， 2 1 ( 4 ) ： 4 8 ～ 5 2 ． TU Ch e n gh o u， LI N Z o n gs h o u， M I Ch u n y a n ． Re mo v i n g b u b b l e a g e n t o f c e me n t ma t r i x e f f e c t i s a n a l y z e d[ J ] ．S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y o f Ov e r s e a s Bu i l d i ng M a t e r i a l s ， 2 0 0 0， 2 1 ( 4)： 4 8 — 5 2 ． ( i n Ch i ne s e ) [5] 金南 国， 金贤玉 ， 郭剑飞． 混凝 土孔结 构与强度关 系模 型研究 i- J ] ． 浙 江大学学报 ： 工学版 ， 2 0 0 5 ， 3 9 ( I 1 ) ： 1 6 8 0 - 1 6 8 4 ． J I N Na ng u o， J I N Xi a n y u， GUO J i a n f e i ． Re l a t i o n s hi p mo d e l ing o f p o r e s t r u c t u r e a n d s t r e n g t h o f c o n c r e t e [ J ] ． J o u r n a l o f Z h e — j i a n g Un i v e r s i t y：En g i ne e r i n g S c i e nc e ，2 0 0 5，3 9(1 i) ：I 6 8 0 — 1 6 8 4 ． ( i n Ch i n e s e ) [6] 崔静洁 ， 何文 ， 廖世 军， 等． 多孔 材料 的孔结 构表 征及 其分 析 I- J - I ． 材料导报 ， 2 0 0 9 ， 2 3 ( 7 ) ： 8 2 — 8 6 ． C UI J i n g i i e ， HE We n ， L I A 0 S h i j u n， e t a 1 ． Me a s u r i n g a n d a n a — l y s i n g t e c h n i q u e s o f s t r u c t ur a l f e a t ur e s f o r p o r o u s ma t e r i a l s r e s e a r c h [ J ] ．Ma t e r i a l Re v i e w， 2 0 0 9 ， 2 3 ( 7 ) ： 8 2 — 8 6 ． ( i n C h i — n e s e ) [7] 陈悦 ， 李 东旭 ． 压汞法测定材料孔结构的误差分析[ J ] ． 硅酸盐 通报 ， 2 0 0 6 ， 2 5 ( 4 ) ： 1 9 8 — 2 0 7 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 8 0 建筑材料学报 第 1 8 卷 CHEN Yu e， LI Do ng x u． Ana l y s i s o f e r r o r f o r p o r e s t r u c t u r e o f p o r o u s ma t e r i a l s me a s u r e d b y MI P E J ] ． B u l l e t i n o f t h e Ch i — n e s e Ce r a mi c So c i e t y， 2 0 0 6， 2 5( 4 )： 1 9 8 — 2 0 7． ( i n Ch i ne s e ) [8] KUMA R R BHAT TACHAR J EE B ． S t u d y o n S O l ?h e f a c t o r s a f f e c t i ng t h e r e s u l t s i n t he u s e o f M I P me t ho d in c o n c r e t e r e s e a r c h E J ] ． Ce me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h ， 2 0 0 3 ， 3 3( 3) ： 4 1 7 - 4 2 4 ． [9 ] 廉慧珍． 建筑材料物相研究基础E M] ． 北京 ： 清华大学 出版社 ， 1 9 9 6 ： 6． U AN H u i z he n ．B u i l d ing ma t e r i a l s p h a s e r e s e a r c h f o u n d a t i o n [ M] ． B e ij i n g ： Ts i n g h u a Un i v e r s i t y P r e s s ， 1 9 9 6 ： 6 ．( i n Ch i — n e s e ) [ 1 o ] 陈煜 ， 颜荣华 ， 刘 云飞 ， 等 ． 多孔高吸水性树脂孔结构的图像分 析法[ J ] ． 化工学报 ， 2 0 0 8 ， 5 9 ( 1 0 ) ： 2 6 7 6 ～ 2 6 7 9 ． CHEN Yu， YAN Ro n g h ua ， LI U Yu n f e i ， e t a 1 ． Po r e s t r u c t u r e 0 f s u p e r a b s o r b e n t p o l y me r s t h r o u g h i ma g e a n a l y s i s [ J ] ． J o u r — n a l o f Ch e mi c a l I n d us t r y a n d En g i n e e r i n g，2 0 0 8，5 9(1 0)： Z 6 7 6 — 2 6 7 9 ． ( i n Ch i n e s e ) I l 1 ] 游劲敏 ， 李成伟 ， 沈红标 ， 等． 矿物显微 图像 中网 L 状及针板 状 成分识别方 法研 究 [ J ] ． 中 国 图象 图形 学报 。 2 0 0 6 ， 1 l ( 1 1 ) ： 1 6 9 0 — 1 6 9 4 ． YOU J i n mi n，LI Xi a n we i ，S HEN Ho n g b i a o，e t a 1 ．An a p — p r o a c h o f me s h a n d s t r i a t i o n t e x t u r e r e c o g n i t i o n f o r o r e mi — c r o s c o p e i ma g e c l a s s i f i c a t i o n [ J ] ． J o u r n a l o f I ma g e a n d Gr a p h i c s， 2 0 06， 1 1 ( 1 1 )： 1 6 9 0 — 1 6 9 4 ． ( i n Ch i n e s e ) [ 1 2 ] 吴浩 ， 姚燕 ， 王玲． 数 字图像处理 技术在水泥 混凝土研 究中 的 应用[ J ] ． 混凝土与水泥制品 ， 2 0 0 7 ( 4 ) ： 8 - 1 3 ． W U Ha o， YAo Ya n． W ANG Lin g ． Ap p l i c a t io n o f im a g e me t h o d o n s t u d y o n c e me n t a n d c o n c r e t e r J ] ． C h i n a C o n c r e t e a l l d Ce me n t Pr o d u c t s ， 2 0 07 ( 4) ： 8 - 1 3 ． ( i n Ch i n e s e ) [ 1 3 ]袁誉 飞 ， 粱 敝成 ， 黄 照明． MA TL AB图像处理 技术 在加气 混 凝 土孔结构研究 中的应用[ J ] ． 混凝土 ， 2 O 1 2 ( 2 ) ： 5 I - 5 4 ． YUAN Yu f e i ， LI ANG Qi c h e n g， HUANG Zh a o mi n g ．Ap pl i c a t i o n of M ATLAB i ma g e p r o c e s s i n g t e c hn i q u e o n t he a n a l ys i s o f p o r e s t r u c t u r e o f a e r a t e d c o n c r e t e [ J ] ． C o n c r e t e ， 2 0 1 2 ( 2 ) ： 5 1 - 5 4 ． ( i n Ch i n e s e ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m