高流动混凝土孔分形特征及其与抗冻性的关系.pdf

2 0 1 1年 第 1 2期 ( 总 第 2 6 6期 】 N u mb er 1 2i n 2 0 1 1 ( T o t a l No 2 6 6) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 T HEORET I CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 1 2 0 0 4 高流动混凝土孔分形特征及其与抗冻性的关系 王剑。张金喜 ( 北京工业大学 交通工程重点实验室，北京 1 0 0 1 2 4 ) 摘要： 采用压汞法测定了不同矿物掺合料高流动混凝土的孔结构参数， 通过基于热力学关系的分形模型计算得到了高流动混凝土的 孔结构表面积分形维数， 探讨了含不同矿物掺合料高流动混凝土分形维数与小于 1 0 0 n m孔隙比例、 中值孔径、 平均孔径及抗冻性的关系。 结果表明： 孔表面积分形维数随养护龄期和掺合料的种类和掺量的不同而不同； 分形维数越大， 孔径小于 1 0 0 a m孔隙比例越大， 中值孔 径与平均孔径越小， 高流动混凝土抗冻性能越好。 基于热力学关系的分形模型计算得到的孔表面积分形维数能够很好地表征混凝土孔结 构的分布状况与抗冻性 能。 关键词： 高流动混凝土； 孔结构；分形维数；抗冻性 中图分类号： T U 5 2 8 0 1 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 1 2 0 0 1 2 0 4 Rel a t i ons hi p be t wee n por e f r a c t a l di men si on a nd f r os t r es i s t an c e o f hi gh f l ui di t y c on cr e t e WANGJ i a n， Z HANGJ i n - x i ( Ke yL a b o r a t o r yo f T rafficE n g i n e e r i n g ， B e ij i n g Un i v e r s i t y&Te c h n o l o g y ， B e ij i n g 1 0 0 1 2 4 ， C h ma ) Ab s t r a c t ： P o r e s tr u c t u r e o f h i g hfl u i d i tyc o n c ret e wi t hd i ff e r e n t a d mi x t u r e s wa s d e t e r mi n e d b yme r c u r yi n t r u s i o np o r o s i me t r y ( MI P) ， a n df r a c t a l mo d e l b a s e d O I1 t h e r mo d y n a mi c me tho d wa s u s e d t o c a l c u l a t e t h e p o re s u r f a c e f r a c t a l d i me n s i o n o f h i g h fl u i t h ty c o n c r e t e R e l a t i o n s h i p s b e t we e n p o r e s u r f a c e f r a c t a l d i me n s i o n and p o r e p r o po r t i o n wi th s i z e s mil er tha n 1 0 0 n m， me dia n p o r e d i am e t e r ， a v e r a g e p o re d i am e t e r and f r os t r e s i s t a n c e o f h i g h fl u i d i t y c o n c r e t e wi th d i ffe r e n t a d mi x t u r e s we re d i s c u s s e d T he res u l t i n d i c a t e s t h a t p o r e s ur f a c e f r a c t a l d i me ns i o n c h a ng e s wi t h t he c u rin g a g e s o f c o nc r e t e and s pe c i e s a nd q u ant i t i e s o f a dm i x t u r e s As f r a c t a l d i me ns i o n i n c rease s， the po re p r o p o r t i o n wi t h s i z e s ma l l e r t h an 1 0 0 n r n i n c r e a s e s ， me dia np o re d i am e t e r and a v e r a g e p o re d i am e t e r i n c r e a s e ， a n df r o s t r e s i s t a n c e o f h i g hfl u i dity c o n c r e t e b e c o me s b e t t e r P o re s u r f a c ef r a c t a l d i me n s i o n wh i c h i s c a l c u l a t e d by the f r a c t a l mo d e l b a s e d o n the r mod yn a mi c me tho d c a n b e u s e d t o c h a r a c t e r i z e t h e d i s t rib u t i o n of p o r e and f r o s t r e s i s t a n c e o fc o n c r e Ke y wor d s： hi fl u i d i t y c o n c r e t e ； p o r e s t r u c t u r e； fr a c t a l d i me ns i o n； fro s t r e s i s t an c e 0 引言 高流动混凝土是 1 9 8 8年由冈村甫教授发明的， 它在浇筑过 程中不用振捣， 完全依靠 自身重力流淌 ， 穿过钢筋间隙并填充 模板。 高流动混凝土配合比的突出特点是： 高砂率、 高胶凝材料 用量， 并且在施工中无需振捣 ， 这势必对混凝土内部孔结构造 成一定影响， 从而直接影响高流动混凝土的力学性能、 抗冻性、 抗渗性等宏观性能。 混凝土内部孔结构是复杂、 不规则的， 传统 孔结构参数已无法表征其复杂程度。 分形理论作为描述物质复 杂性、 不规则性的新兴学科 ， 被引入到混凝土孔结构的研究中， 已有研究表明， 混凝土孔结构具有明显的分形特征， 并与混凝 土宏观力学性能有一定的相关性联系 I_ 3 】 ， 而对于高流动混凝土 孔结构分形特征及其与抗冻性的关系研究较少。 高流动混凝土 的配合比和合施工工艺与普通混凝土不同， 有必要对高流动混 凝土的孔结构分型特征进行研究， 以找到高流动混凝土的孔结 构分型特征与抗冻性二者之间的规律。 本论文采用压汞法测量 了不同掺合料高流动混凝土的孔 结构， 利用基于热力学关系模型计算孔表面积分形维数 ， 探讨 收稿 日期 ：2 0 1 1 _ J D 6 - 2 8 基金项目：交通工程北京市重点实验室专项基金项目( J T P 2 0 1 0 1 ) 1 2 了孔表面积分形维数与孔径分布、 中值孔径 、 平均孔径及与高 流动混凝土抗冻性的关系。 1 原材料及试验 方法 1 1 原材料及配合比 水泥采用新北京水泥有限责任公司生产的P 0 4 2 5级水 泥。 粉煤灰采用北京丰台轻体材料厂生产 F类 I 级粉煤灰， 比表 面积为 0 4 6 m2 g 。高炉矿渣采用首钢嘉华生产的 $ 9 5级高炉矿 渣粉末， 比表面积为 0 4 1 m2 g 。 硅灰采用北京邦德印材料研究所 提供的硅灰， 比表面积为 2 4 1 m 2 g 。 粗集料采用北京市丰台区产河卵石， 最大粒径为 1 6 m l T l ， 表 观密度为 2 7 0 0 k g r n ； 细集料采用河北涿州产河砂 ， 细度模数 为2 6 ， 含泥量为2 7 ， 属于I I 区中砂； 水为普通自来水； 减水剂 为减水率为 3 0 的聚羧酸减水剂。 本研究高流动混凝土的设计强度等级均为 C 6 0 ， 为了对比 不同掺合料的高流动混凝土的微观孔结构与抗冻耐久性能， 本 文分别设计了单掺粉煤灰、 双掺粉煤灰与硅灰以及三掺粉煤灰、 硅灰、 矿渣的高流动混凝土， 配合比如表 1 所示。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 高流动混凝土的试验配合比 表 1 中， S 1 1 与 S 2 1为两个平行的配合比设计 ， 配合 比中 只有砂率不同。 在这两个配合比基础上采用等量取代方法， 分 别掺入硅灰和矿渣 ， 得到双掺粉煤灰、 硅灰高流动混凝土 s 1 2 、 s 2 2 ， 和三掺粉煤灰、 硅灰与矿渣高流动混凝土 S 1 3 、 s 2 3 。 为 了更好地研究不同矿物掺合料高流动混凝土的抗冻性差别， 本 试验未使用引气剂， 所有高流动混凝土均为非引气混凝土。 1 2 抗冻性试验 抗冻性试验参照 J T G E 3 0 - - -2 0 0 5 公路工程水泥及水泥混凝 土试验规程 规定， 将尺寸为 1 0 0 mmx l O 0 mmx l O 0 n l m试件标 准养护 2 8 d ， 泡水 4 d后进行快冻试验。 1 3孔 结构 测试 孔结构测试采用颚式破碎机将试块破碎至 3 5 ml T l 颗粒， 清洗并烘干至恒重， 选取未含有碎石颗粒的纯砂浆颗粒 ， 采用 Mi c r o me r i t i c Au t o P o r e I V 9 5 1 0型全 自动压汞测孔仪测定高流 动混凝土孔结构， 所测定的孑 L 径范围为 3 3 6 0 0 0 0 n m。 1 4 硬化混凝土气泡参数测定 气泡参数测定是将标准养护 2 8 d的 1 0 0 m mx l O 0 i n l n x 4 0 0 ml n试件采用 自动型岩石切割机割成 1 0 0 m l T I X 1 0 0 mi n x 1 0 rai n的试件， 将其表面进行研磨平后涂刷荧光剂并风干， 采用 M I C 8 4 0 0 1 型硬化混凝土孔隙结构测定仪测定其气泡参数。 2 孔结构分形模型及计算方法 基于热力学关系的分形模型最早由Z h a n g等【3 J提出， 后陈 三强等 4 1在其基础上进行一定的改进， 该模型及计算方法如下 ： 采用压汞法测量多孔物质的孔隙体积与孔径的关系时， 外 界环境对汞所做的功等于进入孔隙内汞液的表面能的增加， 所 施加于汞的压强p ( P a ) 和进汞量 V ( m ) 满足： 。 s ( 1 ) 式中： 汞表面张力； 汞液与固体孔壁的接触角。 将多孔物质的孔隙表面积 S ( m2 ) 的分形标度与孔径 r 和进 汞量 进行关联 ， 得到孔表面积分形维数 的表达式。 对于进 汞操作， 可将式( 1 ) 近似写为离散形式： p f c 也 ( 2 ) 式中： p 第 i 次进汞操作的平均压力， P a ； 第 i 次进汞操作的进汞量， m ； n 进汞操作中施加压力的间隔数； r n 第 7, 次进汞所对应的孔径， m； 压力间隔 l 时的累计进汞量， m， ； C 常数系数。 将式( 2 ) 整理得： 耋 p l 【 V v3 ) ( 3 ) 令 = p ， Q = ， 则 ： ：1 r n W I n f I = D I n Q + l n C ( 4 ) J l T， 根据式( 4 ) ， 可直接采用压汞仪测定数据求出 和 ， 再 对二者求对数后线性回归， 其斜率即为分形维数。 3 结果分析 不同龄期和掺合料的高流动混凝土的分形维数、 相关系数及 孔径分布见表 2 ， 可以看出， 各配合比高流动混凝土的分形维数 在 2 3之间， 且相关系数 兄 z 均大于O 9 9 ， 表明高流动混凝土的孔 表面具有明显的分形特征， 且符合基于热力学关系的分形模型。 分形维数越大， 表明高流动混凝土内部孔结构越复杂、 不规则。 3 1 高流动混凝土的孔 结构分析 按照I O M布特等人对孔的分类， 将压汞测孔结果分为四类： 大孔( 1 0 0 0 n l n ) 、 毛细孔( 1 0 0 1 0 0 0 n l l 1 ) 、 过渡孔( 1 0 1 0 0 n n 1 ) 和凝胶孔( 双掺粉煤灰、 硅灰 三掺粉煤灰、 硅灰、 矿渣。 而对于小于 2 0 n l n 凝胶孔比例 ， 双掺粉煤灰、 硅灰 三掺粉煤灰、 硅灰、 矿渣 单 掺粉煤灰。 3 2 分形维数与龄期、 掺合料 的关系 图 1 是高流动混凝土分形维数与龄期和掺合料的关系， 由图可见， 分形维数随龄期和掺合料的不同， 呈现一定的变化 规律。 对于相同掺合料的高流动混凝土 ， 随着龄期的增长， 分 形维数逐渐增大 ， 表明混凝土微观构造趋于复杂 ， 这与孔结构 的发展规律相同， 即随着龄期的增长 ， 混凝土不断发生水化反 应和二次水化反应 ， 混凝土内部孔隙逐渐细化； 对于相同龄期 的不同掺合料高流动混凝土 ， 分形维数 的大小则随掺合料种 类和掺量的不同而不同。 本试验中， 单掺粉煤灰高流动混凝土 的分形维数较其他两个配合比的分形维数大 ， 而三掺粉煤灰、 硅灰 、 矿渣的分形维数最小， 这可能与水化反应程度及孔结构 分布有关。 通过以上对不同掺合料高流动混凝土小于 1 0 0 n m孔隙比 例与分形维数的分析， 可以发现， 它们之间存在着某种关系， 即 随着龄期和掺合料的不同， 它们所呈现的规律是一样的。 图2 为 高流动混凝土分形维数与小于 1 0 0 n m孔隙比例的关系。 由图 可见， 二者线性回归的R ： 为 0 9 1 4 3 ， 可见二者相关陛很好并且 呈正相关关系， 这说明分形维数能很好地表征高流动混凝土内 】 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m - 表 2 子 L 表面积分形维数及孔径分布 3 _ 0 0 2 - 9 8 籁 2 9 6 茎 z 2 9 2 2 9 0 籁 姆 1 O 0n m孔 隙 比例 图 2 分形维数与 1 O O n m孔 隙比例的关系 部孔分布状况。 分形维数越大， 小于 1 0 0 n m孔隙比例越大， 即无 害孔或少害孔所占比例越大。 3 3 分形维数与 中值孔径、 平均孔径的关系 中值孔径和平均孔径从一定侧面反映了孔径的分布情况， 当孑 L 隙率相近时， 中值孔径和平均孔径越大表明孔结构中大孔 数量越多， 反之则小孔数量越多。 图3 、 4 分别为分形维数与中 值 孔径 、 平均孔径的关系。 可以看出， 随着分形维数的增大 ， 中值 孔径和平均孔径有减小的趋势， 因而在一定条件下可以通过分 形维数定性地分析孔结构内部孔隙大小及分布状况。 3 4 不同掺合料高流动混凝土的抗冻性分析 表 3 为不同掺合料高流动混凝土的气泡参数与冻融试验 结果， 其中气泡间隔系数是评价抗冻性能的主要参数 ， 一般认 1 4 为， 气泡间距系数越小， 其抗冻性越好。 本试验中由于所测高流 动混凝土均没有掺引气剂， 故气泡间隔系数较高 ， 但都符合不 掺引气剂混凝土的抗冻性要求。 由试验结果可知， 气泡间距系数 与抗冻耐久性指数具有良好的反相关关系， 气泡间距系数越小， 抗冻耐久性指数越大， 抗冻级别越高。 在本试验中， 随着掺合料 种类的增多， 高流动混凝土气泡间距系数逐渐增大， 抗冻耐久 性指数逐渐减小， 抗冻陛越差。 其中， s 2 3 经过 1 0 0 次冻融循环就 已经破坏， 而 S 1 1 、 s 2 1 、 s 1 2 、 s 2 2 抗冻级别都达到或高于 F 1 5 0 。 3 5 分形维数与抗冻性的关 系 混凝土的冻融破坏主要是其内部孔隙水结冰时产生的静 鳃 卯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 3 高流动混凝土气泡参数与冻融试验结果 水压力与渗透压力造成的， 因此 ， 混凝土的抗冻性与内部孔结 构有直接的关系嗍 。 图 5是抗冻耐久性指数与分形维数的关系， 由图5可见， 分形维数与抗冻耐久性指数具有良好的相关关系， 说明随着分形维数的增大， 抗冻耐久性指数逐渐增大。 究其原因， 分形维数是表征孔结构复杂程度的量化参数， 它与小于 1 0 0 n m 的孔隙比例密切相关。 而大量研究表明， 混凝土的抗冻性与孔径 大小 、 分布有关 ， 孔径越小 ， 冰点越低 ， 从而减小因结冰引起的 对混凝土的破坏 ， 分形维数越大 ， 其内部小于 1 0 0 n m的孔隙 比例越大， 即无害孔或少害孔所 占比例越大 ， 其内部孔结构更 趋于优化， 从而其抗冻性更好。 3 3 芝 3 1 2 9 荤 詈2 7 2 5 2 3 窿 2 1 1 9 1 7 1 5 2 分形维数 图 5 高流动混凝土抗冻耐久性指数与分形维数的关系 4结 论 ( J 高流动混凝土的孔表面积具有明显的分形特征且符合 基于热力学关系的分形模型， 计算得到的分形维数在 2 3 之间。 孔表面积分形维数随龄期的增长逐渐增大， 并随掺合料种类、 掺 量的不同而不同。 ( 2 ) 孔表面积分形维数作为孔结构复杂程度的量化参数， 与孔径分布、 中值孔径、 平均孔径密切相关。 分形维数越大， 混 凝土内部小于 l O O n m孔隙比例越高， 中值孔径与平均孔径越小 ， 因此， 可以用孔表面积分形维数表征孑 L 结构中无害孔与少害孔 上接第 4页 灰的交互作用对 2 8 d 抗压强度具有显著增强效果。 同种水胶比 条件下 ， 单一的粉煤灰组分和矿渣组分对改善混凝土的抗渗透 性有显著的效果， 粉煤灰和矿渣的交互作用对抗渗透性的改善 具有更显著的效果。 随着硅灰掺量的增大， 混凝土的抗渗透性得 到明显的改善， 水泥与硅灰的交互作用具有同样的效果。 ( 4 ) S E M结果分析表明， 矿物掺合料显著改善了混凝土材 料的显微结构， 因此， 表现出良好的宏观性能。 参考文献 ： 【 1 】刘建忠， 等 矿物掺合料对混凝土抗压强度和氯离子渗透性能的影 响 J J _ 混凝土与水泥制品， 2 0 0 5 ( 4 ) ： 1 1 - 1 3 2 1 ME H T A P K， B U R R O WS R W B u i l d i n g d u r a b l e s t r u c t u r e s i n t h e 2 1 s t e e mu r y J C o n c r e t e I n t e rna t i o n a l ， 2 0 0 1 ( 3 )： 5 7 一 - 6 3 3 】 何廷树， 等不同水胶比下矿渣粉与粉煤灰对混凝土强度及抗氯离 子渗透性能的影响J J j 昆 凝土， 2 O L O ( 1 ) ： 8 6 8 8 的分布状况， 评定高流动混凝土内部孑 L 结构的优劣性。 ( 3 ) 孑 L 表面积分形维数与抗冻耐久性具有一定的联系， 分 形维数越大 ， 无害孔或少害孔所 占的比例越大， 高流动混凝土 内部孔结构更优化， 高流动混凝土的抗冻性越好。 本研究探讨了高流动混凝土的孔表面积分形维数与内部 孑 L 结构、 抗冻性的关系， 试验中的高流动混凝土均未掺引气剂， 而掺人引气剂后分形特征与抗冻性的变化及关系还有待研究。 参考文献： 【 1 李永鑫， 陈益民， 贺行洋， 等 粉煤灰一 水泥浆体的孔体积分形维数及 其与孔结构和强度的关系 J 硅 酸盐学报 ， 2 0 0 2 2 - 2 韦江雄， 余其俊 ， 曾小星， 等 混凝土中孔结构的分形维数研究【 J 华 南理工大学学报， 2 0 0 7 【 3 】Z H AN G B， L I S D e t e r mi n a t i o n o f t h e s u r f a c e f r a c t a l d i me n s i o n f o r p o r o u s me d i a b y me r c u r y p o r o s i me t ry J I n d u s t r i a l a n d E n g i n e e ri n g C h e mi s t ry Re s e a r c h， 1 9 9 5 4 】陈三强， 刘永忠， 程光旭， 等用 压汞法计算冻干物料的表面分形维 数 J 1 食品科学， 2 0 0 4 5 r 5 吴中伟， 廉慧珍 高性能混凝土【 M 北京： 中国铁道出版社， 1 9 9 9 6 廉慧珍， 童良， 陈恩义建筑材料物相研究基础 M E 京 ； 清华大学出 版社 ， 1 9 9 6 【 7 】黄孝蘅， 许彩虹， 王丽文 硬化混凝土中气泡性质对抗冻性影响的试 验研究 J 港湾建设， 2 0 0 3 8 张士萍， 邓敏， 吴建华， 等孑 L 结构对混凝土抗冻性的影响【 J 武汉理 工大学学报 ， 2 0 0 8 作者简介 联 系地址 联 系电话 王剑( 1 9 8 7 一 ) ， 男， 硕士研究生， 研究方向： 道路混凝土材料。 北京市朝阳区平乐园 1 00 号 北京工业大学交通研究中心 ( 1 0 0 1 2 4 ) 1 5 21 0 8 3 4 8 8 9 【 4 S HA H S P， WA N G K， WE I S S J Mi x t u r e p r o p o r t i o n i n g f o r d u r a b l e c o n c r e t e J ,C o n c r e t e I n t e r n a t i o n a1 2 0 0 0 ( 9 ) ： 7 3 7 8 5 1 AS TM Cl 2 0 05， S t a n d a r d t e s t me t h o d for e l e c t ric a l i n d i e a t i o n o f c o n - c r e t e s abi l i t y t o r e s i s i t c h l o ri d e i o n p e n e t r a t i o n S We s t C o n s h o h o c k e n ， 2 O O 5 6 唐明 ， 陈亍 工程试验优化设计I n 北京： 中国计量出版社， 2 0 0 9 ： 1 4 5 14 9 【 7 张武满 混凝土结构中氯离子加速渗透试验与寿命预测【 D 哈尔滨： 哈尔滨工业大学， 2 0 0 6 ( 1 1 ) ： 3 - 4 8 】 冷发光， 田冠飞 混凝土抗氯离子渗透性试验方法 J _ 东南大学学报： 自然科学版， 2 0 0 6 ， 3 6 6 u p i i ) ： 3 2 3 8 作者简介： 唐明( 1 9 5 6 一 ) ， 男， 教授， 博士。 联系地址： 沈阳市浑南新区浑南东路 9 号( 1 1 0 1 6 8 ) 联 系电话 ： 0 2 4 2 4 6 9 0 3 0 9 1 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m