显微CT表征水泥基材料微观结构

水泥基材料是应用最广、用量最大的工程材料，其使用环境复杂多样。在实际服役过程中，水泥基材料在干湿循环、温度变化、力学载荷等因素的作用下产生劣化，影响结构安全。砂浆是常用修补材料，修补砂浆与原有基体间的粘结质量对修补体系的稳定性和耐久性至关重要，其影响因素包括砂浆的成分、基体的预处理等。

青岛理工大学土木工程学院张鹏教授团队通过结合X射线CT和压汞法（Mercury Intrusion Porosimetry，MIP），研究了旧砂浆初始含水状态对新旧砂浆粘结组成的复合体微观结构的影响。基于三英精密的X射线CT设备(nanoVoxel-3000系列)的三维重建图像，分析了新旧砂浆界面的微观结构及修补砂浆硬化后的内部孔隙和微裂纹的空间分布特征。利用MIP结果分析了修补砂浆中孔隙类型及其形成机理。基于中子透射成像，对复合体开展了可视化吸水试验，得到了随时间变化的含水率分布曲线，分析了复合体的吸水特点及其与微结构的关系。

三英精密nanoVoxel-3000显微CT

1. 样品和方法

1.1 样品制备

    通过改变旧砂浆的初始含水率，设计了两种复合体。将旧砂浆试件与新拌修补砂浆接触前的初始含水条件设置如下:

    a)干燥基体—旧砂浆试样在105℃干燥24小时，并在室温下冷却。

    b)饱水基体—旧砂浆在水中浸泡5小时，测定含水率为20.4%。

制备复合体的细节如下：将新拌修补砂浆（与旧砂浆按相同的配合比）倒入铝槽中并振动。然后将准备好的旧砂浆(50 mm × 25 mm × 15 mm)轻轻放在修补砂浆上。将复合体用塑料薄膜密封，室温下养护24h，取出模具，放入养护室(温度20±2℃，湿度RH≥95%)三个月后，进行中子成像测试。复合体试件的示意图如图1所示。本研究中，修补砂浆与干燥旧砂浆组合制作的复合体试件记为D06，修补砂浆与饱水旧砂浆组合的复合体试件记为S06。

图1 新旧砂浆复合体试件示意图

1.2 方法

将X射线CT和MIP测试相结合，以表征所研究复合体的微观结构。首先，采用中国天津三英精密仪器有限公司生产的nanoVoxel-3502E对试样进行X射线CT扫描。通过图像二值化对原始数据进行空隙分割，如图3所示，并对界面周围分割后的空隙尺寸(高度±2.2 mm)进行分析。

由于X射线CT测试未能检测小于图像体素尺寸的孔隙，修补砂浆的微观结构通过MIP试验进行联合分析，所用试样D06-R和S06-R分别从D06和S06切取，在MIP测试之前通过烘干法去除水分。最后利用中子成像试验平台，对新旧砂浆复合体吸水过程进行了成像研究。

图2 基于X射线CT数据重建试件的三维图像并从中截取感兴趣区域用于分析

图3 对兴趣区的孔隙和裂纹分割提取

2. 结果

2.1 基于X射线CT图像的新旧砂浆复合体微观结构分析

    两种试件的内部微观结构如图4所示，D06出现明显收缩开裂，S06的微观结构更为致密，计算出感兴趣区域(ROI)中不同切面(长×宽)的尺寸大于44.2µm的空隙(气孔和微裂纹)的面积分数。在图5中，将每个切片的面积分数按照高度进行绘制。结果表明，两种试件的旧砂浆大空隙面积分数均在0.03左右。S06新砂浆中大空隙的面积分数集中在0.03左右，而D06的新砂浆中大空隙的面积分数为 0.06，约为试件S06新砂浆的两倍。

对新旧砂浆界面附近的孔隙等效尺寸及裂纹等效开度等空隙尺寸信息进一步计算得到图6。试样D06界面附近的空隙空间分布较为分散，空隙的等效尺寸主要集中在600 μm附近，较大的可达1600 μm。S06内部收缩开裂不严重，但界面周围出现面积较大的空隙，等效开度约700μm。

图4 新旧砂浆复合体试件内部微观结构

图5 大空隙面积分数随高度的变化情况

图6 对空隙按照等效直径进行颜色标记

通过微观形貌分析，推断出D06和S06界面区域大尺寸空隙的形成机理不同。对于D06样品，由于含水率存在梯度，将新拌修补砂浆置于预干燥的旧砂浆上，修补砂浆中的水分会被大量抽取，收缩开裂严重，产生较大的空隙；S06试件制备时，旧砂浆被水预饱和，修补砂浆的水分流失以及饱水旧砂浆中水的可能回流可导致界面处的水分积累，从而在界面周围产生一个面积较大的不连续区域，形成较大空隙。

2.2 MIP测试表征修补砂浆的微观结构

    采用循环进汞法来表征具有“墨水瓶状”孔隙的修补砂浆微观结构。根据累积压汞数据计算修补砂浆的有效连通孔隙度和“墨水瓶状”孔隙度，D06-R的有效连通孔隙度(0.074)与小孔隙的体积分数(0.076)非常接近。由此推断，收缩裂纹不是直接相互连通的，而是通过毛细孔连通。S06- R的有效连通孔隙度(0.095)低于小孔隙体积分数(0.129)。推测在S06-R中，只有部分小孔隙能够良好连通。

图7 新砂浆第一次和第二次压汞后得到的孔径分布曲线

图8 MIP试验测定不同类型孔隙/裂纹的体积分数 (a)大孔隙与小孔隙体积分数 (b)有效连通孔隙率与“墨水瓶状”孔隙度
2.3 新旧砂浆复合体的吸水特征研究

    通过中子成像技术实时跟踪新旧砂浆复合体的吸水现象，得到动态含水率分布，如图9所示。其中，含水率通过中子穿透水的厚度与试件厚度的比值进行计算，界面的位置用虚线表示，底部为新砂浆。在图像上设置宽度为5 mm的ROI(黄色矩形)，监测沿水流方向的含水率剖面变化，根据图10中的动态含水量剖面确定润湿锋位置，采用线性回归函数对试验数据进行拟合得到吸水性系数。

D06中新砂浆的吸水性系数是S06中新砂浆的1.5倍。D06的新砂浆中存在较多裂纹使得其吸水性系数较高。S06中新拌修补砂浆失水少，可以保证水泥水化的正常进行，形成更致密的孔隙结构。因此，S06中的新砂浆吸水性较低。

图9新旧砂浆复合体在吸水过程中动态含水率变化规律

图10新旧砂浆复合体吸水过程中动态含水率曲线的测定 (a) D06;(b) S06

图11 新旧砂浆复合体吸水过程中润湿锋位置的变化 (a)D06;(b) S06

结 论

通过X射线CT图像观察，新拌砂浆接触预干燥的旧砂浆时会被抽取大量水分，导致明显的收缩开裂。当新砂浆与饱水旧砂浆粘在一起时，新砂浆的泌水以及饱水旧砂浆中水分的潜在回流可能会导致界面处的水分积聚，从而在界面周围产生一个较大的不连续区域。

与预干燥旧砂浆和饱水旧砂浆粘结的新砂浆中可侵入孔隙度虽然相似，但孔径分布特征存在显著差异。两种新砂浆的毛细孔隙大小相近，而与饱水旧砂浆粘结的新砂浆中毛细孔隙较多。因此，对旧砂浆预湿可减缓与之粘结的新拌修补砂浆失水，有利于水泥水化正常进行。

旧砂浆基体的吸水性对新旧砂浆复合体的微观结构和吸水特征有显著影响。在设计混凝土结构修补方案时，除考虑界面粘结强度外，还应从耐久性的角度考虑修补砂浆硬化后的传输性能。

X射线显微CT扫描实现了试件内部的孔隙和裂纹结构的三维可视化，较好地表征了水泥基材料的微观结构，展示了材料内部的真实情况。