基于CT扫描的BFPMC孔隙分布特征研究

基于CT扫描的BFPMC孔隙分布特征研究

谷满

平顶山天安煤业股份有限公司六矿，河南平顶山，467091

摘要：聚合物乳液具有减孔、阻裂等作用，在玄武岩纤维混凝土(BFRC)中掺入VAE乳液后可显著增强纤维与混凝土的粘结性，从而提高抗折强度等力学性能。为了研究掺入VAE乳液对BFRC孔隙结构的影响及其作用机理，对试件进行CT扫描实验，再通过三维重构软件中确定代表性体积单元、提取孔隙结构、三维重构等步骤，重构试件内部孔隙结构，分析孔隙分布情况。结果表明：掺入VAE乳液可改变玄武岩纤维混凝土内部孔隙分布，减少孔隙数量，降低大孔孔隙占比，增大平均孔隙等效直径，从而影响宏观性能。

关键词：玄武岩纤维聚合物改性混凝土；CT扫描；孔隙结构；孔隙尺寸

1、引言

玄武岩纤维混凝土（BFRC）的抗折强度等力学性能明显优于普通混凝土，掺入玄武岩纤维会改善混凝土韧性，提高混凝土的变形能力，但纤维与混凝土基体间的过渡区存在明显缺陷，玄武岩纤维优异的物理性能并不能得到发挥[1-3]。研究表明，在玄武岩纤维混凝土中加入聚合物乳液制作成玄武岩纤维聚合物改性混凝土（BFPMC）可有效解决该问题，聚合物乳液对水泥基进行改性，可调节水泥基材料的微细观结构，同时改善玄武岩纤维—水泥石界面层粘结性能。

微细观结构-工作性能的关系是现代材料科学的核心，掌握混凝土微细观结构的变化规律可为混凝土宏观层面上出现的问题做出更科学的解释。近年来，随着CT扫描技术及分辨率的不断提高，该方法成为研究材料内部微细观结构的高效手段[6-8]。目前，对于玄武岩纤维聚合物改性混凝土微细观结构的研究较少，多集中在对力学性能的研究，对于内部孔隙等微细观结构的研究较少。为了进一步了解掺入聚合物乳液对玄武岩纤维混凝土孔隙结构的影响，本文使用CT扫描，对BFRMC试件及BFRC试件进行CT扫描，通过Avizo软件对试件进行三维重构，定性定量表示试件的孔隙结构，旨在描述聚合物乳液掺入对混凝土孔隙结构的具体影响。

2、实验

2.1 原材料

BFPMC是一种以水泥、粗骨料、细骨料为基础材料，以纤维和聚合物乳液为增强材料的水泥基复合材料，配合比如表1所示。其中，水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥；粗骨料采用粒径为5-10mm的碎石；细骨料为细度模数是2.8的河砂，属于中砂；玄武岩纤维由山西晋投玄武岩纤维公司生产，纤维直径14.2μm，长度12mm；聚合物乳液为VAE乳液（醋酸乙烯-乙烯共聚乳液），固含量为54.5%。制作时先将石子、砂、水泥、纤维放入搅拌机干拌，之后再加入水和VAE乳液，同时制作不掺VAE乳液的玄武岩纤维混凝土试件为对照组。为便于CT扫描及满足扫描分辨率的要求，在试件养护28d后将其制成直径25mm、高50mm的圆柱体试件，见图1。

表1 BFPMC配合比 / kg·m3

2.2 CT扫描实验

CT扫描设备型号为phoenix v|tome|x s，产自美国通用电气有限公司。对试件进行CT扫描前，需先设定仪器中的各参数，再将试件放置在底座中心处，如图2所示，每个试件扫描时间约为180 min，分别可得到2000张二维CT图像。图3为两个试件对应的二维切片图，在二维切片图中，密度越大对应的亮度越大，通过观察二维切片图可明显分辨出BFRPC中的孔隙和固态骨架。借助Avizo软件，对二维图像进行叠加，可得到重构的三维BFPMC模型，模型图如图4所示，可分别观测到骨料、孔隙的分布。

图1 扫描试件           图2 样品台

图3 CT二维切片        图4 试件重构图

3、图像处理及结果

3.1 代表性体积单元

由于扫描样品尺寸为直径25mm，高50mm的圆柱体试件，获得的切片数为2000张，如果将全部切片导入到计算机软件中进行重构及计算，将对计算机计算处理能力有极高的要求，且需较长的计算时间，会降低计算机运算效率。为节省计算时间，同时保证重构模型的准确性，可通过选择代表性体积单元实现。该方法指的是选取扫描试件内部任意一点处为中心，计算不同边长体积对应的孔隙率，当孔隙率达到稳定时的最小体积单元即为代表性体积单元。本文在确定代表性体积单元时，以图5（a）中标记的3点为中心，分别以该点为中心逐渐增大体素大小，得到图6中模型孔隙率随体素变化的关系曲线。

图5 确定代表性体积单元

图6 孔隙率与体素的关系

由图6可看出，孔隙率会随着模型体素增大而波动，当体素为400时，模型对应孔隙率为0.00516，当体素继续增大后，孔隙率趋于稳定，表明此时模型对应的孔隙特征可代表混凝土试件，故下文对孔隙结构的分析建立在该体素大小基础上。

3.2 孔隙模型

通过Avizo软件提取孔隙得到三维孔隙模型，重构的效果图如图7所示。图中孔隙用蓝色标记，大多数呈规则状球状分布。通过对比发现，掺入VAE乳液后，试件内部孔隙总体数量减少，可明显观察到大体积孔隙数量减少，借助Label Analysis命令，可统计出孔隙结构参数，得到孔隙等效直径分布及大小等信息。

(a) BFRC试件                       (b) BFRPC试件

图7 孔隙模型

图8中表示了两试件对应的等效直径分布图，当不掺VAE乳液时，最大等效直径可达到1348.54μm，平均等效直径为125.59μm，孔隙数量为814；掺入VAE乳液后，试件对应的最大等效直径为1165.01μm，平均等效直径为129.68μm，孔隙数量为503。通过对比发现：掺入VAE乳液会破坏混凝土内部的大体积孔隙，使得这部分孔隙变为小体积孔隙或者被水泥基填充，从而影响孔隙数量。总体上，VAE乳液会减少混凝土内部孔隙数量，破坏大孔隙，增大孔隙平均等效直径。

(a) BFRC试件

(b) BFRPC试件

图8 孔隙等效直径分布

按照等效直径的大小，将孔隙分为3类，其中等效直径小于0.1mm的孔隙属于小孔，等效直径位于0.1~1mm之间的孔隙属于中孔，等效直径大于1mm的孔隙属于大孔[10]。大、中、小孔对应的比例如表2所示，通过对比可得掺入VAE乳液对大孔的影响较大，会降低大孔所占比例，表明加入VAE乳液会破坏大孔，使得其变成孔径较小的孔；同时小孔孔隙占比也会降低，表明VAE乳液的掺入会一定程度上使得一些小孔贯通，变成中孔，最终表现为中孔占比增加较大。

同时会减少孔隙数量，但孔隙平均等效直径变大。

表2 不同类别孔隙占比 / %

4、结论

通过CT扫描，依据图像处理步骤，实现了BFRPC、BFRC内部孔隙结构的重构与定量化表征，对比发现：掺入VAE乳液可改善混凝土孔隙结构，表现为大孔孔隙占比减小，孔隙数量降低，平均孔径增大。

参考文献：

[1] 刘纪伟,王胜,梁勇,周明凯,陈潇,徐方.聚酯纤维-聚合物乳液复合改性混凝土韧性研究[J].武汉理工大学学报,2013,35(03):26-31.

[2] 李齐阳,王勇杰,宋云祥.玄武岩纤维聚合物水泥混凝土干缩性能试验研究[J].粉煤灰综合利用,2014,27(06):30-32+39.

[3] 侯圣均,蒋晨晨,汤维宇,陶文江,安雪晖,马嘉均.聚合物改性自密实混凝土的工作性能及力学性能[J].硅酸盐通报,2021,40(05):1489-1496.