殷素紅，黃栩鵬，張文悅，熊炎平

（1.華南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510641；2.中鐵二十三局集團(tuán)軌道交通佛山工程有限公司，廣東 佛山 528225）

0 引言

隨著裝配式建筑、清水混凝土和超高性能混凝土（UHPC）等的發(fā)展，混凝土的外觀質(zhì)量愈發(fā)受到人們的重視。表面氣孔是混凝土最常見的外觀缺陷，不僅影響混凝土的美觀，氣孔數(shù)量較多、尺寸較大時(shí)，還會降低混凝土的強(qiáng)度和耐久性[1-2]?；炷帘砻鏆饪滓殉蔀閷?shí)際工程中亟須解決的問題，但由于混凝土體系較為復(fù)雜，影響表面氣孔的因素眾多[3]，國內(nèi)外的研究大多是針對實(shí)際工程中混凝土表面氣孔較多、外觀質(zhì)量差的問題，探究了混凝土的組成材料、配合比、澆筑振搗工藝和脫模劑等因素的影響，但并未對這些因素的影響進(jìn)行量化研究[4-6]。近年來，許多學(xué)者采用圖像分析技術(shù)替代傳統(tǒng)的肉眼評判來檢測混凝土的表面氣孔，該方法具有效率高、精度高等優(yōu)點(diǎn)[7-9]。本文通過調(diào)研和觀察預(yù)制混凝土管片表面氣孔的形狀和尺寸，分析了表面氣孔形成的原因，使用Image-Pro-Plus圖像分析軟件統(tǒng)計(jì)混凝土表面氣孔的直徑、面積與尺寸分布，并以此獲得表面氣孔最大直徑和氣孔面積率（氣孔總面積與混凝土面積的比值），以這幾個(gè)參數(shù)定量評價(jià)混凝土表面氣孔外觀質(zhì)量，并探究了水膠比、振搗時(shí)間和脫模劑種類3個(gè)主要因素對混凝土表面氣孔的影響。

1 混凝土表面氣孔分類及成因分析

現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，預(yù)制混凝土管片的表面氣孔狀況如圖1所示，通過大量觀察和統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)表面氣孔的形狀和尺寸，將其大致分成2類：第1類氣孔一般尺寸較大且形狀不規(guī)則，最大直徑可達(dá)十幾毫米，如圖1中A所示；第2類氣孔一般尺寸較小且形狀基本呈圓形，最大直徑一般為幾毫米，如圖1中B所示。分析認(rèn)為，第1類氣孔主要是由于混凝土拌合物流動(dòng)性差、振搗不充分和模具表面存在粘附物等原因，導(dǎo)致混凝土漿體未填充整個(gè)模具表面，部分位置被空氣或粘附物占據(jù)所形成。一般而言，混凝土表面的第1類氣孔數(shù)量較少，但會顯著影響表面氣孔最大直徑和氣孔面積率，可以通過調(diào)整混凝土拌合物流動(dòng)性、振搗工藝和仔細(xì)清理模具的方式基本消除。第2類氣孔主要是在振搗過程中，混凝土內(nèi)部的氣泡在自身重力、粘滯阻力、浮力和朝向模具方向的振搗力等多個(gè)力的作用下，遷移至模具表面[10-11]。如果氣泡沒有快速沿著模具向上排出至空氣中或者破裂被漿體填充，而是停留在模具與混凝土的界面上，在混凝土的硬化過程中破裂所形成。第2類氣孔的數(shù)量較多，且在實(shí)際混凝土工程中無法完全消除。

圖1 預(yù)制混凝土管片的表面氣孔狀況

2 試驗(yàn)

2.1 原材料

水泥：佛山海螺水泥股份有限公司P·Ⅱ52.5水泥，其物理力學(xué)性能見表1；粉煤灰：F類Ⅱ級，需水量比101%，28 d活性指數(shù)71%；細(xì)骨料：Ⅱ區(qū)河砂，細(xì)度模數(shù)2.8；粗骨料：5～25 mm連續(xù)級配花崗巖碎石，針片狀顆粒含量7%；減水劑：江蘇奧萊特新材料股份有限公司產(chǎn)聚羧酸減水劑，固含量23.3%，減水率28%；拌合水：自來水；礦物油脫模劑T1：泉州奧斯樂工業(yè)材料有限公司產(chǎn)；乳液類脫模劑T2、T3、T4：分別為吳江龍欣磁性塑料廠、湖南金華達(dá)建材有限公司、日本花王公司產(chǎn)；模板漆T5：湖南金華達(dá)建材有限公司產(chǎn)。

表1 水泥的物理力學(xué)性能

2.2 試驗(yàn)配合比

以預(yù)制混凝土管片為研究對象，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C50，坍落度要求為70 mm左右。以實(shí)際工程使用的原材料和配合比為基準(zhǔn)，研究水膠比、振搗時(shí)間和脫模劑種類對混凝土表面氣孔的影響，混凝土配合比如表2所示。

表2 混凝土的配合比 kg/m3

2.3 試驗(yàn)方法

（1）混凝土坍落度、含氣量測試：依據(jù)GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。

（2）混凝土試件成型與養(yǎng)護(hù)：依據(jù)GB/T 50080—2016進(jìn)行，預(yù)先在150 mm×150 mm×150 mm的鋼制模具表面均勻涂刷脫模劑。

（3）混凝土抗壓強(qiáng)度測試：依據(jù)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。

（4）混凝土拌合物塑性黏度測試：取新拌混凝土，用4.75 mm的篩網(wǎng)篩分剔除粗骨料，將篩分砂漿放置于250 mL的玻璃杯中，采用Brookfield R/S plus型流變儀測試篩分砂漿的塑性黏度，間接表征混凝土拌合物的塑性黏度。

（5）混凝土表面氣孔量化表征：混凝土試件脫模后，使用高清攝像設(shè)備對混凝土試件4個(gè)側(cè)表面進(jìn)行拍照，將照片導(dǎo)入圖像處理軟件Image-Pro-Plus中進(jìn)行處理和分析，對表面氣孔直徑、面積與尺寸分布進(jìn)行測量及統(tǒng)計(jì)，然后通過計(jì)算獲得每個(gè)試件表面的氣孔最大直徑和氣孔面積率，以3個(gè)試件的平均值為最終統(tǒng)計(jì)結(jié)果。具體步驟如下：①圖像采集，將所需要分析的混凝土試件的圖片導(dǎo)入Image-Pro-Plus圖像處理軟件中，如圖2（a）所示；②利用Image-Pro-Plus軟件對混凝土圖像進(jìn)行標(biāo)尺校正，將圖像中的像素單位轉(zhuǎn)換成實(shí)際的長度單位。利用Image-Pro-Plus軟件進(jìn)行標(biāo)尺校正的方法為：通過Image-Pro-Plus軟件中的“測量校準(zhǔn)空間”功能將混凝土的實(shí)際尺寸值輸入等效代替軟件中圖像的像素，然后用實(shí)際測量長度表示測量數(shù)據(jù)。在圖片中設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)尺后，點(diǎn)擊工具欄中的“Measure”，再點(diǎn)擊“Calibration”，接著點(diǎn)擊“Spatial”，彈出標(biāo)尺的對話框并設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)尺，如圖2（b）所示；③數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，首先需對圖片中的氣孔進(jìn)行選擇，由于混凝土表面存在氣孔的位置和混凝土其他的位置的灰度值存在一定差異，由此可以將表面氣孔與其它地方區(qū)分開。通過點(diǎn)擊工具欄中“Measure”，再點(diǎn)擊“Count/Size”彈出計(jì)數(shù)對話框，并在計(jì)數(shù)對話框中設(shè)置所需統(tǒng)計(jì)的氣孔面積和孔徑的尺寸范圍，如圖2（c）所示；④導(dǎo)出統(tǒng)計(jì)結(jié)果，通過點(diǎn)擊工具欄中“Measure”，點(diǎn)擊“Count/Size”彈出計(jì)數(shù)對話框，再點(diǎn)擊計(jì)數(shù)對話框中“View”查看混凝土表面氣孔的孔徑分布、面積和數(shù)量，統(tǒng)計(jì)結(jié)果導(dǎo)出如圖2（d）所示。

圖2 混凝土表面氣孔量化表征過程

3 結(jié)果與討論

3.1 水膠比對混凝土表面氣孔的影響

混凝土拌合物的塑性黏度越大，漿體內(nèi)部的氣泡受到的粘滯阻力越大，向外排出的速率越慢，停留在混凝土表面形成氣孔的幾率越大。水膠比是影響混凝土拌合物塑性黏度最主要的因素[12]。參照基準(zhǔn)配合比，使用礦物油脫模劑T1，振搗時(shí)間為40 s，在保證混凝土強(qiáng)度的條件下增大水膠比，同時(shí)通過減少減水劑摻量使混凝土坍落度保持在70mm左右。水膠比對混凝土含氣量、塑性黏度及抗壓強(qiáng)度的影響如表3所示，水膠比對混凝土表面氣孔的影響如表4所示。

表3 水膠比對混凝土含氣量、塑性黏度及抗壓強(qiáng)度的影響

表4 水膠比對混凝土表面氣孔的影響

由表3可見，通過控制減水劑的摻量使混凝土的坍落度基本保持一致時(shí)，混凝土拌合物的含氣量差別較小。隨著水膠比的增大，混凝土拌合物塑性黏度和硬化混凝土28 d抗壓強(qiáng)度均顯著降低，水膠比為0.35時(shí)塑性黏度為4698mPa·s，水膠比為0.39時(shí)塑性黏度為3193 mPa·s，降低了32%，混凝土的28d抗壓強(qiáng)度均大于50MPa，符合實(shí)際強(qiáng)度要求。

由表4可見，隨水膠比的增大，混凝土的表面氣孔最大直徑和氣孔面積率均呈逐漸減小的趨勢。水膠比為0.35時(shí)表面氣孔最大直徑為7.1 mm，氣孔面積率達(dá)0.65%；水膠比為0.39時(shí)，表面氣孔最大直徑和氣孔面積率較水膠比為0.35時(shí)分別減小了42.2%、58.5%；但水膠比為0.39與0.37時(shí)氣孔狀況的差異較小。隨著隨水膠比的增大，1～2mm小氣孔數(shù)量先減少后增多，2～3 mm和3～10 mm大氣孔數(shù)量減少，氣孔總數(shù)量先減少后增多。當(dāng)水膠比為0.37時(shí)，表面氣孔總數(shù)量最少，為73個(gè)，相較于水膠比0.35時(shí)減少了43.0%。

在相同振搗時(shí)間下（40 s），降低混凝土拌合物塑性黏度一方面使混凝土漿體更容易填充整個(gè)模具表面，從而形成更少的第1類氣孔，大幅度減小了混凝土表面氣孔最大直徑和氣孔面積率；另一方面，由Stokes原理可知，混凝土中的氣泡上升的速度與漿體的黏度成反比，而與氣泡半徑的平方成正比[13]，混凝土拌合物塑性黏度降低使?jié){體中氣泡更容易從內(nèi)部排出至空氣中，較少停留在模板與混凝土的界面上，從而減少了第2類氣孔的數(shù)量。然而，進(jìn)一步降低混凝土拌合物塑性黏度時(shí)，漿體中更多的小氣泡會向模具表面聚集，在振搗時(shí)間內(nèi)來不及排出，使混凝土表面第2類氣孔的數(shù)量增加。綜上，當(dāng)振搗時(shí)間為40s時(shí)，混凝土拌合物塑性黏度在3000～4000 mPa·s較為適宜，表面氣孔外觀質(zhì)量較好。綜合表面氣孔最大直徑、氣孔面積率和氣孔數(shù)量等因素，當(dāng)水膠比為0.37時(shí)混凝土表面氣孔外觀質(zhì)量最佳。

3.2 振搗時(shí)間對混凝土表面氣孔的影響

在振搗程中骨料顆粒逐漸堆積緊密，絮凝結(jié)構(gòu)中的水被釋放出來，混凝土的屈服應(yīng)力和塑性黏度顯著降低。在漿體向四周填充過程中，漿體中的氣泡也隨之遷移到混凝土的表面，振搗工藝影響混凝土漿體中氣泡的遷移與變化過程，進(jìn)而影響表面氣孔狀況。由于實(shí)驗(yàn)室試件尺寸小，可忽略振搗距離的影響，本文只研究了不同振搗時(shí)間對混凝土表面氣孔的影響。在上述最佳配合比下（水膠比為0.37），使用礦物油T1脫模劑，設(shè)置了30、40、50、60 s共4組振搗時(shí)間，振搗時(shí)間對混凝土表面氣孔的影響如表5所示。

表5 振搗時(shí)間對混凝土表面氣孔的影響

由表5可見，隨振搗時(shí)間的延長，混凝土表面氣孔最大直徑逐漸減小，振搗30 s時(shí)氣孔最大直徑為7.5 mm，振搗60 s時(shí)氣孔最大直徑僅為3.4 mm。氣孔面積率隨振搗時(shí)間延長呈先減小后增大的趨勢，振搗時(shí)間為30 s時(shí)表面氣孔率最大，達(dá)0.47%；振搗時(shí)間為50 s時(shí)表面氣孔面積率最小，為0.28%。隨振搗時(shí)間的延長，1～2 mm和2～3 mm氣孔數(shù)先減少后增多，而3～10 mm大氣孔數(shù)量逐漸減少，總氣孔數(shù)量先減少后增多，振搗40s氣孔總數(shù)量最少，為73個(gè)。振搗時(shí)間40s相較于30 s時(shí)，3～10 mm大氣孔數(shù)量減少了45.4%，氣孔總數(shù)量減少了31.8%。

其原因在于：振搗30 s時(shí)，混凝土振搗不充分，一方面導(dǎo)致漿體填充模具表面的時(shí)間短，使混凝土表面的第1類氣孔數(shù)量增多，表面氣孔最大直徑和面積率增大；另一方面，遷移至混凝土表面的氣泡沿模具向上排出至空氣中的時(shí)間短，使得混凝土表面的第2類氣孔數(shù)量增多。而振搗40 s時(shí)，混凝土振搗較充分，表面氣孔面積率和氣孔最大直徑都較小，氣孔外觀質(zhì)量較好。振搗50、60 s時(shí)，振搗時(shí)間過長，混凝土漿體中更多的小氣泡遷移至模具表面來不及排出，從而導(dǎo)致混凝土表面小氣孔的數(shù)量顯著增多，增加了表面氣孔總數(shù)量。因此，當(dāng)混凝土拌合物塑性黏度處于3000～4000 mPa·s時(shí)，振搗時(shí)間也存在一個(gè)適宜范圍，使得混凝土表面氣孔外觀質(zhì)量較好。綜合表面氣孔總面積、氣孔最大直徑、總氣孔數(shù)量和能耗等因素，本實(shí)驗(yàn)條件下振搗40 s較為適宜。

3.3 脫模劑種類對混凝土表面氣孔的影響

混凝土漿體中的氣泡在振搗作用下遷移至混凝土表面，脫模劑會與表面氣泡發(fā)生相互作用，進(jìn)而影響氣泡的排出與破裂過程，脫模劑的性能是影響混凝土表面氣孔的關(guān)鍵因素，因此本文探究了不同種類脫模劑對混凝土表面氣孔的影響。

在上述最佳配合比（水膠比為0.37）和振搗時(shí)間為40s的條件下，采用礦物油脫模劑T1，乳液類脫模劑T2、T3、T4及模板漆T5，其中脫模劑T2與水的最佳比例為1∶1，脫模劑T3與水的最佳比例為1∶3，脫模劑T4與水的最佳比例為1∶4。對于乳液類脫模劑，與水的質(zhì)量比會影響模具表面脫模劑液膜的均勻性，進(jìn)而影響混凝土的表面氣孔外觀質(zhì)量[14-15]。因此，本文將乳液類脫模劑按其最佳兌水比例使用，探究不同種類脫模劑對混凝土表面氣孔的影響，結(jié)果如表6所示。

表6 脫模劑種類對混凝土表面氣孔的影響

由表6可見，在最佳兌水比例下使用乳液類脫模劑和使用模板漆時(shí)，混凝土表面氣孔外觀質(zhì)量明顯優(yōu)于礦物油脫模劑，表面氣孔最大直徑在3 mm以下，氣孔面積率從0.31%下降到0.05%以下。使用乳液類脫模劑和模板漆后，1～2 mm和2～3 mm氣孔數(shù)量顯著降低，3～10 mm的大氣孔已完全消失，使用乳液類脫模劑T4，總氣孔數(shù)量最少，相較于礦物油脫模劑T1，總氣孔數(shù)量降低了75.3%。由此可以得出，脫模劑種類對混凝土表面氣孔影響較大。

不同脫模劑與混凝土表面氣泡的相互作用不同，導(dǎo)致混凝土表面氣孔狀況存在顯著差異，不同種類脫模劑與混凝土表面氣泡相互作用示意如圖3所示。

圖3 不同種類脫模劑與混凝土表面氣泡相互作用示意

混凝土漿體中的氣泡由于吸附了聚羧酸減水劑分子而穩(wěn)定存在，當(dāng)?shù)V物油脫模劑與漿體中的氣泡接觸時(shí)，礦物油黏度大且氣泡液膜表面的疏水基團(tuán)會與礦物油分子中的疏水基團(tuán)發(fā)生相互吸引作用，氣泡向上排出較為困難，因此使用礦物油脫模劑的混凝土試件表面氣孔外觀質(zhì)量較差。當(dāng)乳液脫模劑與漿體中的氣泡接觸時(shí)，一方面，兌水后的乳液黏度較低，且乳液脫模劑中含有大量水分子，氣泡液膜表面的疏水基團(tuán)與水分子之間存在排斥力，使得表面氣泡向上排出更為容易；另一方面，由于乳液脫模劑中含有表面活性劑，其表面張力比氣泡液膜吸附的聚羧酸減水劑分子的表面張力更低，乳液中的表面活性劑分子會替代氣泡液膜表面的聚羧酸減水劑分子，使得液膜局部表面張力下降，氣泡由于受力不均勻容易在外界擾動(dòng)下而破裂，氣泡中的氣體排出至空氣中，該區(qū)域被漿體填充。兌水比例會影響乳液類脫模劑在模具表面液膜的黏度和均勻性，因此在其最佳兌水比例下使用乳液脫模劑時(shí)，混凝土的表面氣孔外觀質(zhì)量較好。當(dāng)模板漆與漿體中的氣泡接觸時(shí)，由于模板漆涂刷在模具表面會形成一層光滑的固體薄膜，氣泡排出阻力較小，故使用模板漆的混凝土試件表面氣孔外觀質(zhì)量也較好。

4 結(jié)論

（1）預(yù)制成型的混凝土管片，其混凝土拌合物塑性黏度較大，在滿足混凝土工作性能和強(qiáng)度的前提下，可適當(dāng)增加水膠比，降低混凝土拌合物的塑性黏度，改善混凝土的表面氣孔外觀質(zhì)量。當(dāng)混凝土拌合物塑性黏度在范圍一定時(shí)，存在一個(gè)最佳振搗時(shí)間，使表面氣孔外觀質(zhì)量較好。

（2）脫模劑種類對混凝土表面氣孔影響顯著，在最佳兌水比例下使用乳液類脫模劑和模板漆，可以有效降低表面氣孔最大直徑和氣孔面積率，改善表面氣孔外觀質(zhì)量。

（3）在實(shí)驗(yàn)室試配強(qiáng)度等級為C50、坍落度為70 mm左右的預(yù)制管片混凝土，當(dāng)水膠比為0.37、混凝土塑性黏度在3000～4000 mPa·s、振搗時(shí)間為40 s、在最佳兌水比例下使用乳液類脫模劑T4的條件下，混凝土的表面氣孔外觀質(zhì)量最佳，氣孔最大直徑為2.2mm，氣孔面積率為0.04%。