CN103411866A - 一种泡沫混凝土的孔结构分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种泡沫混凝土的孔结构分析方法。具体步骤为：切取测试界面后，孔径测量，将孔的面积划分为若干个不同的等级，分别统计小于某一个等级的孔的数目和孔的总面积，然后求出其占总数量和总面积的百分比，计算累计频率百分率和累计面积百分率，得到孔径分布累计数量百分率曲线和孔径分布累计面积百分率曲线；当累计数量曲线和累计面积曲线越陡峭，两条曲线靠得越近时，说明孔径分布较均匀；如果累计数量曲线和累计面积曲线离得较远，则说明孔径较小的孔在数量上虽然较多但在所占体积比例仍然较小；根据孔径分布累计面积百分率曲线计算出泡沫混凝土的孔径分布均匀系数。本发明专门研究泡沫混凝土中孔径大于0.01mm的大孔，可用来对泡沫混凝土和陶粒泡沫混凝土的孔径分布和均匀性进行评价。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种泡沫混凝土的孔结构分析方法。
背景技术
对于泡沫混凝土中的泡沫浆体而言，气孔构成了材料的主要组成部分，孔结构在很大程度上决定了材料的性能，对混凝土的强度，热工性能和耐久性有较大影响。在实际应用过程中，泡沫混凝土的破坏主要是强度低、收缩、吸水软化等原因造成的，而这三者都与材料的孔结构有很大关系。
按孔径大小可以将水泥石中的孔分为四类：凝胶孔、过渡孔、毛细孔和大孔。凝胶孔与收缩与徐变有关，但并不影响混凝土的强度，毛细孔和大孔与混凝土的强度有关，对陶粒泡沫混凝土产生影响的主要是大孔。本文只研究孔径大于0.01mm的大孔，其主要由加入泡沫或搅拌过程中裹入空气形成。
孔结构测试方式有氮吸附，压汞法，光学显微照相与图像处理技术等。氮吸附法和压汞法均不能只针对大孔进行测试;光学显微照相与图像处理技术对图像精度要求较高，由于泡沫浆体的孔壁薄弱，试件经过预处理后所获得图像与实际情况相差较大。因此，本文采设计了一种方法来测量陶粒泡沫混凝土的孔结构。
ASTM C457/C457M-11提供了一种测量混凝土孔结构的方法——穿线法。这种方法是用来确定混凝土中气体含量和气孔特征参数，用来预测混凝土的抗冻融循环能力。其方法是在一个或数个截面上做一组直线，计算这些线穿过某一组分的距离，可以方便得出水平线穿过浆体和气孔的距离。获得的数据有：线段的总长度(Tt)，穿过气孔的总长度（Ta），穿过浆体的长度(Tp)，被穿过的气孔的数量(N)。所做的直线实际上是显微镜镜头上的刻划线或显示屏上的坐标线，在视野中这条线穿过混凝土中的各组分，通过测量工作台移动距离获得各个参数。获得各参数后，可以得出混凝土中的气体含量、浆体含量和间距系数等结果。Tiong-Huan Wee使用此方法测试了泡沫混凝土的气体含量，气孔尺寸，气孔频率和气孔间距系数等参数，得出间距系数与强度的关系，并使用数值模拟进行了验证。
但在使用穿线法统计孔径分布时，直线穿过大孔径孔的几率明显大于穿过小孔径孔的几率，造成所得孔径尺寸往大的方向偏移，且统计到的小孔径孔的数量明显偏少。
发明内容
本发明的目的在于提供一种泡沫混凝土的孔结构分析方法，用来评价泡沫混凝土和陶粒泡沫混凝土的孔径分布和孔径分布均匀性。
本发明提出的一种泡沫混凝土的孔结构分析方法，具体步骤如下：
(1)切取测试界面后，使用360号和220号砂纸依次打磨，直至其表面平整，然后用超声清洗器洗去残留粉末，确保气孔不会被磨下来的粉末填充；由于切割打磨后并不一定在孔的中间截断，且孔的形状各异，并不是标准的圆形，所以获得的孔径并不是真实孔径，测得的孔直径为等代孔径；
(2)孔径测量，使用的仪器为VMS3020型影像测量仪，仪器具有多点拟合画圆的功能，并将确定的孔的参数输出，在90倍的显微镜下，统计所有视野中孔的直径和数量，然后移动工作台，统计下一个相邻视野中所有的孔，所统计孔的数量应满足统计计算的要求，一般不小于500个；
(3)孔径按照0.01mm~0.05mm，0.05mm~0.1mm，0.1mm~0.15mm……的等级划分，每一级增长0.05mm，直至1mm。孔径大于1mm的孔单独划分一组。计量统计的所有孔中符合各孔径等级的孔的数量，计算其占总数量百分比，得出此孔径范围的分布频率，做出频率直方图；
(4)将孔的面积划分为若干个不同的等级，且要求能够涵盖所测得结果，并且各等级能够明显区分，分别统计小于某一个等级的孔的数目和孔的总面积，然后求出其占总数量和总面积的百分比，计算累计数量百分率和累计面积百分率，得到孔径分布累计数量百分率曲线和孔径分布累计面积百分率曲线；当累计数量曲线和累计面积曲线越陡峭，两条曲线靠得越近时，说明孔径分布较均匀；如果累计数量曲线和累计面积曲线离得较远，则说明孔径较小的孔在数量上虽然较多但在所占体积比例仍然较小；
(5)根据孔径分布累计面积百分率曲线可以计算出泡沫混凝土的孔径分布均匀系数，C90为累计面积百分率为90%时对应的孔径，C10为累计面积百分率为10%时对应的孔径，则均匀系数 
为
这样就将孔径分布定量化，均匀系数Cu越接近1则说明孔径分布越均匀。
本发明中，所述步骤(3)中将孔的面积划为0.001，0.002，0.004，0.008，0.016，0.032，0.064，0.128，0.256，0.512，1.024，2.048，4.096，8.192和16.384共计15个等级。
本发明中，泡沫混凝土中大孔径孔的数目虽然比较少，但是其所占体积较大，其对混凝土的性能有较大的影响。而按照上面的统计方法并不能直观的反映出大孔在所有孔中占的体积比例和孔是否分布均匀。现参照土质学中对土的粒度成分表示方法对孔径分布进行统计。
本发明设计了一种方法来测量陶粒泡沫混凝土的孔结构，专门研究泡沫混凝土中孔径大于0.01mm的大孔，可以用来对泡沫混凝土和陶粒泡沫混凝土的孔径分布和均匀性进行评价。
附图说明
图1为测量孔径时显微镜视野图像。
图2为水灰比为0.4的650等级的陶粒泡沫混凝土孔径分布频率直方图。
图3为水灰比为0.5的650等级的陶粒泡沫混凝土孔径分布频率直方图。
图4为水灰比为0.6的650等级的陶粒泡沫混凝土孔径分布频率直方图。
图5为水灰比为0.7的650等级的陶粒泡沫混凝土孔径分布频率直方图。
图6为水灰比为0.4的650等级的陶粒泡沫混凝土孔累计数量百分率和累计面积百分率曲线。
图7为水灰比为0.5的650等级的陶粒泡沫混凝土孔累计数量百分率和累计面积百分率曲线。
图8为水灰比为0.6的650等级的陶粒泡沫混凝土孔累计数量百分率和累计面积百分率曲线。
图9为水灰比为0.7的650等级的陶粒泡沫混凝土孔累计数量百分率和累计面积百分率曲线。
具体实施方式
下面通过实施例进一步说明本方法。
实施例1：按照表1配方配制干密度为650 kg/m3(650等级)陶粒泡沫混混凝土，采用表观密度为600kg/m3的陶粒，陶粒掺量均为30%。
表1 不同水灰比的陶粒泡沫混凝土配合比设计与结果
| 编号 | 水泥用量(kg/m3) | 实际水灰比 | 气体含量(m3/m3) | 实际干密度(kg/m3) | 28d强度(MPa) |
| W1-1 | 392 | 0.47 | 0.419 | 691 | 2.93 |
| W1-2 | 392 | 0.50 | 0.380 | 640 | 4.52 |
| W1-3 | 392 | 0.60 | 0.340 | 661 | 4.47 |
| W1-4 | 392 | 0.70 | 0.301 | 631 | 3.59 |
1)作孔径分布频率直方图：
以水灰比为0.4为例，共统计了632个孔，结果如表2。然后作出孔径分布频率直方图。
表2 650水灰比为0.4的650等级的陶粒泡沫混凝土孔径分布频率表
| 孔径 | 数量 | 频率 |
| <0.05 | 6 | 0.009 |
| 0.05~0.1 | 58 | 0.092 |
| 0.1~0.15 | 78 | 0.123 |
| 0.15~0.2 | 103 | 0.163 |
| 0.2~0.25 | 84 | 0.133 |
| 0.25~0.3 | 50 | 0.079 |
| 0.3~0.35 | 62 | 0.098 |
| 0.35~0.4 | 40 | 0.063 |
| 0.4~0.45 | 25 | 0.040 |
| 0.45~0.5 | 15 | 0.024 |
| 0.5~0.55 | 18 | 0.028 |
| 0.55~0.6 | 15 | 0.024 |
| 0.6~0.65 | 5 | 0.008 |
| 0.65~0.7 | 11 | 0.017 |
| 0.7~0.75 | 9 | 0.014 |
| 0.75~0.8 | 5 | 0.008 |
| 0.8~0.85 | 4 | 0.006 |
| 0.85~0.9 | 9 | 0.014 |
| 0.9~0.95 | 0 | 0.000 |
| 0.95~1 | 8 | 0.013 |
| >1 | 27 | 0.043 |
对650等级的陶粒泡沫混凝土孔径统计结果如图2-图5。由图可以看出，对不同的水灰比，不同孔径的频率分布都集中在某一个范围内。设计水灰比为0.4，0.5和0.6时，孔径分布频率较高的区间为0.1~0.55；设计水灰比为0.7时，孔径分布频率较高的区间为0.15~0.75。随着水灰比的增大，孔直径有增大的趋势。设计水灰比为0.4时，频率最高峰出现在0.2~0.25；设计水灰比为0.5时，频率最高峰出现在0.2~0.35；水灰比为0.6时，最高峰出现在0.1~0.15，但是与水灰比为0.4和0.5的混凝土相比，孔径大于0.4孔的分布频率也高于后者；而当水灰比为0.7时，最高峰在0.4~0.5之间，且从其整体分布可以看出其孔径相对于前三个试样有增大的趋势。
2)作累计频率曲线和累计面积曲线
下面以650密度等级水灰比为0.4时陶粒泡沫混凝土为例说明累计曲线绘制过程，首先统计出小于不同孔面积[π(d/2)2]等级的孔的数量和其总面积，算出累计数量百分率和累计面积百分率，列于表3中。
表3 650密度等级水灰比为0.4时陶粒泡沫混凝土的孔结构累计百分率统计表
| 面积等级 | 面积对数 | 累计数量 | 累计数量百分率 | 累计面积 | 累计面积百分率 |
| 0.001 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0.002 | 0.301 | 7 | 0.011 | 0.013 | 0.000 |
| 0.004 | 0.602 | 21 | 0.033 | 0.056 | 0.001 |
| 0.008 | 0.903 | 67 | 0.106 | 0.325 | 0.003 |
| 0.016 | 1.204 | 132 | 0.208 | 1.093 | 0.009 |
| 0.032 | 1.505 | 245 | 0.387 | 3.779 | 0.0328 |
| 0.064 | 1.806 | 365 | 0.577 | 9.158 | 0.0795 |
| 0.128 | 2.107 | 483 | 0.764 | 19.745 | 0.171 |
| 0.256 | 2.408 | 546 | 0.863 | 31.154 | 0.270 |
| 0.512 | 2.709 | 585 | 0.925 | 45.346 | 0.394 |
| 1.024 | 3.010 | 610 | 0.965 | 62.249 | 0.540 |
| 2.048 | 3.311 | 625 | 0.989 | 82.963 | 0.720 |
| 4.096 | 3.612 | 630 | 0.997 | 98.791 | 0.858 |
| 8.192 | 3.913 | 631 | 0.998 | 104.040 | 0.903 |
| 16.384 | 4.214 | 632 | 1 | 115.174 | 1 |
根据上表可以做出设计水灰比为0.4时650密度等级陶粒泡沫混凝土孔结构的累计频率曲线和累计面积曲线。同样的方式可以做出其他水灰比的孔结构的累计频率曲线和累计面积曲线，如图6所示。
从图7-图9可以看出，密度等级为650kg/m3的陶粒泡沫混凝土当水灰比为0.5、0.6、0.7时，其累计频率曲线和累计面积曲线线型都比较陡峭，快速增长段都分布在较小的范围内，两条曲线靠的较近，所以可以认为它们的气孔尺寸比较均匀。其快速增长段分别为1.5~2.5、2~3和2~3，所以可以判断他们孔径尺寸随水灰比增大有一个增大的趋势，但是并不如频率直方图明显。当水灰比为0.4时，其累计面积曲线没有一个明显的增长段，说明其孔径分布范围比较广，参考频率直方图可以发现，大孔径孔虽然数量上很少但其所占气孔总体积的比例不容忽视，说明了此时孔径分布的不均匀。
3)计算均匀系数
水灰比为0.4时，C90=0.685，C10=0.098，均匀系数Cu=6.99。
水灰比为0.5时，C90=0.450，C10=0.105，均匀系数Cu=4.29。
水灰比为0.6时，C90=0.504，C10=0.121，均匀系数Cu=4.17。
水灰比为0.7时，C90=0.660，C10=0.163，均匀系数Cu=4.05。可以看出，随着水灰比的增大，均匀系数减小，所以孔径分布越均匀。
Claims (2)
1.一种泡沫混凝土的孔结构分析方法，其特征在于具体步骤如下：
(1)切取测试界面后，使用360号和220号砂纸依次打磨，直至其表面平整，然后用超声清洗器洗去残留粉末，确保气孔不会被磨下来的粉末填充；由于切割打磨后并不一定在孔的中间截断，且孔的形状各异，并不是标准的圆形，所以获得的孔径并不是真实孔径，测得的孔直径为等代孔径；
(2) 孔径测量，使用的仪器为VMS3020型影像测量仪，仪器具有多点拟合画圆的功能，并将确定的孔的参数输出，在90倍的显微镜下，统计所有视野中孔的直径和数量，然后移动工作台，统计下一个相邻视野中所有的孔，所统计孔的数量应满足统计计算的要求，不小于500个；
(3)孔径按照0.01mm~0.05mm，0.05mm~0.1mm，0.1mm~0.15mm……的等级划分，每一级增长0.05mm，直至1mm；孔径大于1mm的孔单独划分一组；计量统计的所有孔中符合各孔径等级的孔的数量，计算其占总数量百分比，得出此孔径范围的分布频率，做出频率直方图；
(4)将孔的面积划分为若干个不同的等级，且要求能够涵盖所测得结果，并且各等级能够明显区分，分别统计小于某一个等级的孔的数目和孔的总面积，然后求出其占总数量和总面积的百分比，计算累计数量百分率和累计面积百分率，得到孔径分布累计数量百分率曲线和孔径分布累计面积百分率曲线；当累计数量曲线和累计面积曲线越陡峭，两条曲线靠得越近时，说明孔径分布较均匀；如果累计数量曲线和累计面积曲线离得较远，则说明孔径较小的孔在数量上虽然较多但在所占体积比例仍然较小；
(5)根据孔径分布累计面积百分率曲线可以计算出泡沫混凝土的孔径分布均匀系数，C90为累计面积百分率为90%时对应的孔径，C10为累计面积百分率为10%时对应的孔径，则均匀系数 
为
这样就将孔径分布定量化，均匀系数Cu越接近1则说明孔径分布越均匀。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤(3)中将孔的面积划为0.001，0.002，0.004，0.008，0.016，0.032，0.064，0.128，0.256，0.512，1.024，2.048，4.096，8.192和16.384共计15个等级。
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