1 引 言

高吸水性树脂SAP(Super Absorbent Polymers)为高分子材料，在医药、工农业及卫生用品等领域有着较多的应用。在土木工程领域，可将SAP作为一种新型的混凝土外加剂，在混凝土防收缩和开裂，以及提高抗冻性和自恢复性等方面改善着混凝土的性能[1-4]。

混凝土从微观上来看属于多孔材质，其内部大小不同和形态各异的孔交错分布，因此孔也同样属于混凝土内部结构一个重要的组成部分，并且对混凝土各项力学性能有着较大的影响[5-6]。既有的研究表明，混凝土孔结构是水泥石的一个很重要的组成部分，对混凝土的受力性能和破坏模型有着较大的影响，具体体现为内部气孔各项参数的变化对强度的影响。然而，目前对添加SAP后混凝土内部孔隙特征的系统研究较少。

随着测量水平和精度的不断提高，一种借助电子显微镜和电脑分析软件的新型观测方法被引入到混凝土内部孔隙观测及分析中来(即定量体视学光学显微图像分析法)，借助此方法可对混凝土内部孔结构的各项参数进行分析[7-8]。本文拟借助扫描电子显微镜SEM(Scanning Electron Microscope)来得到10～1600 μm范围内气孔特征参数，并研究混凝土配合比和SAP添加量的变化对混凝土气孔结构特征和抗压强度的影响，以深层次的探究其内在的影响机理。

2 试 验

此次试验中使用的SAP为上海锋翰化工有限公司生产的DS系列产品，试验中SAP的粒径选用50目(0.3 mm粒径)和100目(0.15 mm粒径)两种。SAP添加量分为0.2%、0.4%、0.6%三个等级，水灰比分为0.37和0.3两种工况，共设计了12组对比试验，试验中用到的不同配合比见表1。

表1 硅酸盐水泥混凝土配合比Tab.1 Mix proportion of portland cement concrete名称水泥(425硅酸盐)砂(中砂≤25mm)石子水(自来水)水灰比(W/C)额外引水量(We)配合比P5154P1W/C=0．3720．85配合比P255P2W/C=0．329．7

试验中额外引水量根据Powers模型确定，试验中所有组别编号、水灰比、SAP粒径和添加量见表2。

表2 混凝土微观孔结构试验分组Tab.2 Experimental scheme of micro-pore structure concrete编号水灰比SAP粒径SAP添加量编号水灰比SAP粒径SAP添加量P1?00．3700P2?00．300P1?50?0．2%0．．2%P2?50?0．2%0．3500．2%P1?50?0．4%0．．4%P2?50?0．4%0．3500．4%P1?50?0．6%0．．6%P2?50?0．6%0．3500．6%P1?100?0．2%0．．2%P2?100?0．2%0．．2%P1?100?0．4%0．．4%P2?100?0．4%0．．4%P1?100?0．6%0．．6%P2?100?0．6%0．．6%

采用SEM对添加SAP后的混凝土进行扫描分析，具体分析流程如下：

图1 采样图像Fig.1 Sampling image

(1)SEM图像获取

在对样品进行扫描取样的时候，需要对光源进行合理的调整，从而降低取样误差，此次批量试验中其中一个SEM图像如图1所示。

(2)标尺设定

借助IPP软件对SEM图像上既有的度量尺寸进行校准和标定，如图2所示。

(3)平滑背景

借助平滑处理手段，对既有图像中的缺陷进行处理，处理前后如图2和图3所示。

图2 图像标尺设定 Fig.2 Image scale setting

图3 SEM图像平滑处理Fig.3 SEM image smoothing

(4)对比增强

为了更好的识别内孔结构，需要进一步的对上一步处理的过的图像进行对比增强中值滤波[9]，如图4和图5所示。

图4 SEM图像对比增强 Fig.4 SEM image contrast enhancement

图5 SEM图像中值滤波Fig.5 SEM image median filter

图6 图像二值化处理结果(a) 样品SEM图像;(b) 二值化图像Fig.6 SEM image binarization results

图7 SAP混凝土的抗压强度测定Fig.7 Determination of compressive strength of SAP concrete

(5)二值化处理

图像的二值化处理也即黑白处理如图6所示，这样可在降低计算量的同时有效地提高计算精度，具体处理方法可按照公式(1)进行。

为了探究SAP混凝土气孔结构与其抗压强度之间的关系，对养护完毕的各组试验进行抗压试验，得到各组试样的抗压强度，抗压试验加载测试如图7所示，其中抗压试块采用干拌的方式进行制作。

各试样的气孔率计算公式为：

气孔的大小可以用气孔当量直径进行表征，其计算公式如下[10]：

气孔平均间距系数采用Emmanuel公式：

3 结果与讨论

按照上述测试方法，对各试样进行气孔结构参数分析，得到各试样气孔率的分布关系如图8所示，从图8中可以看出，混凝土气孔率随着SAP含量的增加而增大；P1批试样气孔率大于P2批试样，说明水灰比大的混凝土内部气孔多；而当混凝土水灰比相同时，小粒径的SAP混凝土气孔率要更大一些，说明小粒径SAP颗粒对混凝土气孔率的提高有着更为明显的效果。