黃維蓉，習(xí) 磊，易金明，凌 云

(1. 重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400074；2. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；3. 重慶交通大學(xué) 交通土建工程材料國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074；4. 武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，湖北 武漢 430063；5. 廣東省長(zhǎng)大公路工程有限公司，廣東 廣州 510620)

0 引 言

目前，我國(guó)服役橋梁大部分處于運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)期，橋梁在修補(bǔ)與加固過(guò)程中不可避免的受到外界環(huán)境干擾，研究顯示，行車荷載引起的橋梁振動(dòng)對(duì)修補(bǔ)混凝土性能造成了影響[1-5]，然而現(xiàn)有研究大部分都是基于宏觀力學(xué)試驗(yàn)，探索振動(dòng)對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響程度，而振動(dòng)對(duì)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化情況以及性能變化機(jī)理卻少有研究。蔣正武等[5-6]通過(guò)離析程度試驗(yàn)分析了振動(dòng)對(duì)混凝土骨料顆粒分布的影響，此外，他利用X射線衍射儀來(lái)分析振動(dòng)后混凝土晶體結(jié)構(gòu)與礦物成分的變化。張悅?cè)坏萚7]利用超聲波檢測(cè)振動(dòng)后混凝土不同齡期波速的變化來(lái)反映混凝土結(jié)構(gòu)的變化。以上研究從側(cè)面和微觀上反映了混凝土性能變化的原因，作為混凝土中重要組成部分，孔結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土力學(xué)性能與耐久性影響顯著，但對(duì)于振動(dòng)后混凝土性能變化的研究尚未有相關(guān)報(bào)道。

傳統(tǒng)測(cè)試和表征孔結(jié)構(gòu)特征的方法(如滲透法、壓汞法等)在測(cè)定微觀孔方面有良好適應(yīng)性，但對(duì)于混凝土中部分宏觀孔卻不是很合適，因?yàn)椴捎眠@些方法測(cè)定的最大孔徑通常比較小，而且大部分也只能檢測(cè)貫通孔[8]，但混凝土中存在孔徑為1～2 mm的非連通孔，且對(duì)混凝土宏觀性能具有重要影響。圖像分析技術(shù)近年來(lái)在水泥混凝土材料已有相當(dāng)多的研究，能較好的反映出混凝土結(jié)構(gòu)的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特性。張雄等[9]通過(guò)Image Pro Plus軟件對(duì)混凝土孔結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了研究，取得了良好的效果。彭軍芝[8]基于MATLAB圖像分析法對(duì)蒸壓加氣混凝土的孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步的量化表征，但限于所采用數(shù)碼相機(jī)的分辨率，該方法只適合表征蒸壓加氣混凝土中的宏觀孔。陳賢瑞等[10]通過(guò)圖像分析技術(shù)對(duì)泡沫地質(zhì)聚合物宏觀孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明利用圖像分析方法表征宏觀孔結(jié)構(gòu)的參數(shù)具有良好的適用性。筆者采用圖像分析方法對(duì)混凝土振動(dòng)與未受振動(dòng)兩種情況下混凝土孔結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)建立孔結(jié)構(gòu)參數(shù)與混凝土強(qiáng)度相關(guān)性，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)混凝土受振后性能變化機(jī)理進(jìn)行分析。

1 振動(dòng)試驗(yàn)方案及力學(xué)性能試驗(yàn)

本次選取C50混凝土配合比為：水146 kg/m3，水泥430 kg/m3，砂720 kg/m3，石子1 125 kg/m3，減水劑5.5 kg/m3。由貫入阻力試驗(yàn)測(cè)得混凝土初凝時(shí)間為3.5 h，終凝時(shí)間為6.5 h。根據(jù)調(diào)查研究顯示[11-12]：中小跨徑橋梁的自振頻率范圍為1～10 Hz，動(dòng)撓度(振幅)為1～11 mm，為研究不同振動(dòng)作用對(duì)混凝土的影響程度，筆者既選取9 Hz與8 mm的較大振動(dòng)，也選取5 Hz，4 mm的較小振動(dòng)，結(jié)合4 h及1 h兩種不同的成型后施加振動(dòng)時(shí)間，設(shè)置5種試驗(yàn)方案，在成型7 d后對(duì)比各組混凝土抗壓強(qiáng)度大小，如表1。

表1 混凝土配合比

表1 各組混凝土7 d抗壓強(qiáng)度

以上結(jié)果表明，振動(dòng)施加后混凝土7 d抗壓強(qiáng)度有一定變化，對(duì)于較大振動(dòng)組1和2，混凝土強(qiáng)度出現(xiàn)了一定程度下降，而對(duì)于較小振動(dòng)組3和4強(qiáng)度則有略有增加?？梢钥闯?，較大振動(dòng)會(huì)對(duì)混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響，而較小振動(dòng)反而能提升混凝土強(qiáng)度。

2 孔結(jié)構(gòu)圖像分析試驗(yàn)

2.1 圖像分析試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

為研究振動(dòng)對(duì)混凝土孔結(jié)構(gòu)的影響程度，本次采用圖像分析方法對(duì)5個(gè)試驗(yàn)組分別取樣進(jìn)行分析計(jì)算，同時(shí)采用硬化混凝土氣泡間距分析儀對(duì)靜置組進(jìn)行孔結(jié)構(gòu)參數(shù)分析，以對(duì)比圖像分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，具體試驗(yàn)過(guò)程如下：

2.1.1 試樣制備

以混凝土7 d凝期立方體抗壓試件(100 mm×100 mm)為原始試件，切割成4塊50 mm×50 mm尺寸小試塊，并進(jìn)行拋光打磨，盡量保證試樣表面平整光滑，表面無(wú)劃痕。硬化混凝土氣泡間距分析儀測(cè)試的第1組試件采用100 mm×100 mm尺寸試件，并采取與圖像分析相同的處理方法。

2.1.2 孔與界面的對(duì)比處理

為使試樣測(cè)試表面的孔與界面區(qū)分開(kāi)，便于后期圖像處理分析，先將準(zhǔn)備好的試樣浸泡在黑色墨水中，待測(cè)試面全部(包括孔里面)被墨水覆蓋后晾干表面，再將納米級(jí)的白色碳酸鈣粉末撒在表面，并使得粉末全部填充孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部，最后將試樣表面多余的碳酸鈣粉末輕輕刮去，形成孔與測(cè)試面對(duì)比鮮明的效果如圖1。

圖1 處理后的試樣界面

2.1.3 孔圖像采集

本次采用實(shí)體顯微鏡對(duì)混凝土表面進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試倍數(shù)為40倍，采用800萬(wàn)像素的數(shù)碼相機(jī)放在目鏡處進(jìn)行拍照取樣，硬化混凝土氣泡間距分析儀中設(shè)定好參數(shù)后，可由系統(tǒng)軟件自動(dòng)采集數(shù)據(jù)并自動(dòng)計(jì)算得到孔徑分布、孔面積等結(jié)果。

2.1.4 圖像分析處理

本次采取Image Pro Plus(后文簡(jiǎn)稱IPP)軟件進(jìn)行圖像分析，分析過(guò)程如圖2。

以第1組試樣為例，由于放大40倍，拍照后的原始照片較大，為此選取采集的照片中一塊較小區(qū)域Ⅰ為例，如圖2(a)，其像素尺寸大小為750×480像素，利用IPP軟件進(jìn)行二值化處理得到灰度圖像如圖2(b)，在界面處理過(guò)程中，由于撒布碳酸鈣粉或因拍照時(shí)可能導(dǎo)致有些孔與孔之間相連接，為此進(jìn)行連接孔的分割處理，利用IPP中Split Objects功能自動(dòng)進(jìn)行連接孔分離，如圖2(c)，最后，通過(guò)選定要測(cè)量的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，包括孔個(gè)數(shù)、面積、直徑以及孔面積百分比等進(jìn)行最后的數(shù)據(jù)采集，如圖2(d)，接著利用導(dǎo)出數(shù)據(jù)功能將統(tǒng)計(jì)參數(shù)的所有數(shù)據(jù)導(dǎo)入到EXCEL中進(jìn)行處理。

圖2 體視顯微鏡

圖3 硬化混凝土氣泡間距分析儀

圖2 圖像采集儀器

圖2 圖樣Ⅰ的IPP圖像處理過(guò)程

2.1.5 標(biāo)尺的換算

在IPP軟件中可以進(jìn)行尺寸的標(biāo)定，本次采取的顯微鏡由于目鏡上沒(méi)有標(biāo)尺，故采取像素值換算法進(jìn)行標(biāo)尺的換算，在測(cè)量時(shí)以相同的拍照方法將刻度尺放置于顯微鏡下進(jìn)行拍照取樣，如圖3，利用IPP軟件中標(biāo)尺工具進(jìn)行測(cè)量得出1 mm的像素值約為152 Pixels，這樣換算出1個(gè)Pixels值對(duì)應(yīng)1/152 mm，然后對(duì)拍照取樣的圖像進(jìn)行尺寸測(cè)量，見(jiàn)圖4。

圖3 標(biāo)尺標(biāo)定

圖4 圖樣尺寸測(cè)量

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)以上處理后，將統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)換算后可以看出試樣Ⅰ的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)測(cè)量結(jié)果，見(jiàn)表2，此外通過(guò)詳細(xì)數(shù)據(jù)的處理可以得到圖5的孔面積大小的分布情況。

表2 試樣Ⅰ163個(gè)孔的孔結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

以試樣Ⅰ為例介紹了圖像分析的整個(gè)過(guò)程，為了研究整個(gè) 試件斷面孔結(jié)構(gòu)的特性，本次采取抽樣的方法，在切取的其余4個(gè)50 mm×50 mm試塊中，分別如 試樣Ⅰ一樣均勻取10個(gè)750×480像素區(qū)域，以抽取樣本的數(shù)據(jù)信息反映整體孔結(jié)構(gòu)的參數(shù)分布情況。采用上述步驟依次對(duì)5個(gè)試驗(yàn)組進(jìn)行測(cè)試，各參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6和表3。分別用不同儀器測(cè)定第1組孔結(jié)構(gòu)參數(shù)并進(jìn)行對(duì)比，如圖7。

圖6 圖像分析孔徑分布統(tǒng)計(jì)

圖7 硬化混凝土氣泡間距分析儀與圖像分析方法對(duì)比結(jié)果(第1組)

由圖8可見(jiàn)，針對(duì)第一組試樣，硬化混凝土氣泡間距分析儀測(cè)出的結(jié)果與圖像分析測(cè)試出的孔結(jié)構(gòu)各參數(shù)上相差很小，孔徑分布也沒(méi)有明顯的差別，可能是由于拍照取樣的誤差，圖像處理中有小部分孔未識(shí)別出來(lái)，導(dǎo)致圖像分析測(cè)試的孔數(shù)比硬化混凝土氣泡間距分析僅測(cè)出的孔數(shù)略小，但總體來(lái)說(shuō)，采用圖像分析進(jìn)行孔結(jié)構(gòu)參數(shù)提取效果較好。

另外，采用圖像分析方法測(cè)定的不同試驗(yàn)組的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)果存在明顯差異，第1組(靜置組)相對(duì)于第2～5組，孔的最大面積、直徑以及面積比例和孔個(gè)數(shù)都較多，說(shuō)明振動(dòng)作用在一定程度減少了混凝土中孔的個(gè)數(shù)，也使得部分大孔消除，孔結(jié)構(gòu)特征有所改變。此外，如圖7，通過(guò)對(duì)每組孔直徑的分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從中可以發(fā)現(xiàn)，混凝土中小于600 μm的小孔是混凝土孔結(jié)構(gòu)的主要形式，以10～100 μm的小孔為主。此外各試驗(yàn)組孔徑分布也略有差異，第1組和第3組相對(duì)于其余幾組，在1 200 μm以上的大孔最多，分別達(dá)到2.1%和2.3%，這也是第1和第3組孔面積較大的原因。而第2、4和5組孔的最大面積、最大孔徑、孔數(shù)和抗面積比例均相對(duì)較小，說(shuō)明振動(dòng)對(duì)混凝土孔結(jié)構(gòu)的良性改善作用。

混凝土孔結(jié)構(gòu)對(duì)力學(xué)性能影響至關(guān)重要，分別建立五種情況下混凝土7 d抗壓強(qiáng)度與孔結(jié)構(gòu)面積比例、孔數(shù)的相關(guān)關(guān)系，通過(guò)線性擬合得到混凝土強(qiáng)度與孔結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性，如圖9。由圖9可知，混凝土孔結(jié)構(gòu)面積比例與強(qiáng)度之間具有較好的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.914 7，說(shuō)明通過(guò)孔結(jié)構(gòu)參數(shù)可以大致反映混凝土強(qiáng)度大小。同樣，5個(gè)試驗(yàn)組下孔數(shù)與混凝土強(qiáng)度大小相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.897 1，孔數(shù)同樣可以體現(xiàn)混凝土強(qiáng)度特征。

圖8 強(qiáng)度與孔面積比例、孔數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性

3 振動(dòng)對(duì)混凝土性能影響機(jī)理分析

不同試驗(yàn)組的孔結(jié)構(gòu)存在差異與試驗(yàn)組振動(dòng)條件密切相關(guān)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同的振幅，頻率對(duì)混凝土性能影響不一樣。同樣，不同凝結(jié)時(shí)間段，混凝土受擾動(dòng)后性能變化也有明顯差異。

根據(jù)混凝土內(nèi)分層理論[13]，混凝土澆筑成型后如圖9。

圖9 混凝土內(nèi)分層現(xiàn)象

在粗集料的下方區(qū)域1位置形成充水區(qū)域，此區(qū)域水含量最大，且蒸發(fā)后形成空隙，裂紋由此產(chǎn)生。區(qū)域2位置，砂與水泥漿含量比較均勻，結(jié)構(gòu)較為正常。區(qū)域3則是混凝土中最密實(shí)的部位，砂漿比例較多。由于混凝土的內(nèi)分層會(huì)使得混凝土內(nèi)部泌水現(xiàn)象更為嚴(yán)重，在混凝土初凝前，混凝土?xí)捎谒嗨?，水分蒸發(fā)而出現(xiàn)裂紋和體積收縮，此時(shí)(1 h)再次施加振動(dòng)會(huì)使得結(jié)構(gòu)內(nèi)部物質(zhì)運(yùn)動(dòng)，部分成團(tuán)結(jié)塊的水泥水化更加充分，顆粒分布更加均勻，同時(shí)也會(huì)消除骨料下部水蒸發(fā)后留下的裂縫和一部分空隙、氣泡，亦可細(xì)化部分大孔，使結(jié)構(gòu)更加密實(shí)穩(wěn)固，導(dǎo)致混凝土早期抗壓強(qiáng)度得到提高。但過(guò)于強(qiáng)烈的振動(dòng)作用會(huì)使混凝土結(jié)構(gòu)不均勻，骨料界面出現(xiàn)一定缺陷，也可能導(dǎo)致空氣進(jìn)入混凝土中，產(chǎn)生更多有害氣孔，從而使后期強(qiáng)度有一定下降。因此第4組較第2組孔數(shù)少，最大孔徑小，從而強(qiáng)度也相對(duì)較高。

4 h后施加振動(dòng)，此時(shí)混凝土進(jìn)入初凝，從流變學(xué)上看，混凝土的流變特性可近似的用賓漢姆模型來(lái)描述：

τ=τ0+η(dv/dt)

(1)

式中：τ為剪切應(yīng)力；τ0為屈服強(qiáng)度；η為塑性黏度；dv/dt為剪切率。

混凝土內(nèi)部顆粒之間的相互作用形成三維網(wǎng)狀的絮凝結(jié)構(gòu)，當(dāng)給混凝土施加載荷時(shí)，網(wǎng)狀的絮凝結(jié)構(gòu)會(huì)阻止混凝土發(fā)生流動(dòng)。但此刻(4 h)水化形成的凝膠結(jié)構(gòu)尚不穩(wěn)定，特別是界面過(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，局部孔隙率較大。若此時(shí)施加振動(dòng)過(guò)大，振動(dòng)作用產(chǎn)生的剪切應(yīng)力達(dá)到混凝土屈服強(qiáng)度，則混凝土內(nèi)部漿體產(chǎn)生流動(dòng)，拌和物顆粒發(fā)生摩擦、碰撞，會(huì)破壞已形成的絮凝結(jié)構(gòu)，使得混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)新的缺陷，產(chǎn)生一定有害孔與裂隙，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低，且振動(dòng)頻率和振幅越大，這種破壞越明顯[14]。從而第3組與靜置組相比，孔隙均有所增大，早期強(qiáng)度有一定幅度降低，但第5組由于振動(dòng)尚未造成結(jié)構(gòu)破壞，強(qiáng)度與孔隙率變化不大。

4 結(jié) 論

1)不同工況振動(dòng)方式導(dǎo)致混凝土孔結(jié)構(gòu)有所差異。在初凝前低頻、低振幅振動(dòng)作用對(duì)混凝土孔結(jié)構(gòu)有改善作用，但初凝前施加較大頻率、較大振幅(9 Hz、8 mm)振動(dòng)作用對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)有不利影響，孔數(shù)與孔面積比將有所增加。初凝至終凝期間施加振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)一定裂紋與微小孔隙，導(dǎo)致強(qiáng)度降低。

2)混凝土孔面積比例與孔數(shù)與混凝土強(qiáng)度具有良好的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R2分別達(dá)到0.914 7和0.897 1，通過(guò)混凝土孔結(jié)構(gòu)面積比例或孔數(shù)能反映出混凝土強(qiáng)度特性。

3)根據(jù)混凝土內(nèi)分層理論，初凝前期施加適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)，外界振動(dòng)可能進(jìn)一步促進(jìn)水泥水化從而導(dǎo)致混凝土更加密實(shí)，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度有所提高。初凝至終凝期間施加振動(dòng)會(huì)破壞已經(jīng)形成的水泥不化物結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度有所下降。

4)通過(guò)圖像分析技術(shù)，利用IPP分析和計(jì)算功能對(duì)處理后的混凝土界面進(jìn)行孔結(jié)構(gòu)分析具有較好效果，但試樣的制備以及拍照取樣對(duì)后續(xù)孔結(jié)構(gòu)參數(shù)測(cè)量統(tǒng)計(jì)至關(guān)重要。