水泥混凝土的孔结构分形特征研究.pdf

2 0 1 6年 第 1期 (总 第 3 1 5期 ) Nu mb e r 1 i n 2 0 1 6 ( T o t a l N o 3 1 5 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THE0R ETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 6 0 1 0 1 4 水泥混凝土的孔结构分形特征研 究 周胜波 ( 广西交通科学研究院 广西道路材料与结构重点实验室， 广西 南宁 5 3 0 0 0 7 ) 摘要： 混凝土细观结构中的孔隙具有大小不一、 无序分布等特点 ， 在对孔结构研究 中需借助分形理论实施细观孑 L 结构特征的 描述。 针对 目前混凝土孔结构特征研究中多种孔结构分形理论进行 比较分析， 揭示不同理论在混凝土孔结构研究 中的适用性 ， 对于采用有效的分形理论来开展混凝土孔结构分布研究具有一定的指导意义。 关键词： 混凝土； 孔结构； 分形理论 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 l 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 6 ) 0 1 0 0 5 6 0 3 Re s e a r c h o n p o r e s t r u c t u r e f r a c t a l c h a r a c t e r i s t i c s o f c e me n t c on c r e t e ZHOU S h e n gb o ( K e y l a b o r a t o r y f o r r o a d ma t e r i a l a n d s t r u c t u r e o f Gu a n g x i ， G u a n g x i T r a n s p o r t a ti o n Re s e a r c h I n s t i tut e ， Na n n i n g 5 3 0 0 0 7 ， Ch i n a ) Ab st r a c t： M e s o s c o p i c p o r e s t r u c t u r e o f c o n c r e t e h a s ma n y c h ara c t e r i s t i c s ， s uc h a s s i z e s a n d t h e d i s o r d e r e d d i s t ri bu ti o n， S O t h e de s c r i p tio n o f t h e me s o s c o p i c po r e s t r u c t u r e c hara c t e r i s ti c s n e e d s b y me ans o f f r a c t a l t h e o ry Va r i o u s p o r e s t r u c t u r e f r a c t a l the o r y a p pl i e d t o a n a l y z e the c o nc r e t e po r e s t r u c t ur e c h a r a c t e ris tic s a r e c o mpa r e d， a n d r e v e a l s the a p p l i c a b i l i t y o f t h e d i f f e r e n t t h e o rie s i n the c o n c r e t e po r e s t r u c t u r e r e s e arc h I t i s o f a c e r tain g u i d i ng s i g n i fic anc e t O a d o p t e f f e c ti v e f r a c t a l t h e o ry t 0 s tud y o n d i s tr i b u t i o n o f c o n c r e t e p or e s t r u c t u r e Key wor ds： c o n c r e t e； po re s t r u c t u r e； f r a c t a l the o ry 0 引言 1 分形理论在混凝土孔结构 中的应 用 混凝土材料是非均质 、 多相的复杂结构 体系 ， 其宏观 所表现 的非线性特征正是其 内部结构复杂性的反 映， 尤其 是其内部孔的结构特征 与混凝 土的力学性 能和耐久性能 有着密切的联系 。 但由于孔分布的随机无序性和孔形 貌 的多样性特点 ， 使得混凝 土细观组织结 构变得异常“ 混 乱” 和复杂 ， 采用传统 欧式几何学的点 、 线 、 面和立体组成 的规则形体来描述孔显得束 手无 策， 因此 ， 在很 长时间 内 如何有效地描述孔特征成 为科学家 深入开展孔结构研究 时面临的一个难题。 随着科学技术的进步和发展 ， 问题终将能找到解决 的 途径和手段 ， 1 9 7 5年 ， I B M 公 司研究员法裔科学家曼德勃 罗 ( Ma n d e l b r o t ) 教授首次 提出 了分形概 念 ， 并 于 7 0年 代形成 了分形理论 ， 这为科学家开启 了研究无 序状态事物 的大门， 也为混沌的孔结构特征描述带来 了希望 。 目前 ， 基 于分形几何学 的理论 已被广 泛地用 于探 索物理、 化学 、 生 物、 材料等众多学科领域事物内部所隐含的规律和物理机 制 ， 当然在混凝土 这类多孔介 质材料 中也有 着广泛 的应 用 。 本研究将对分形理论用于混凝土孔结构研究的现状进 行分析 比较 ， 探讨不 同分形理论 的适用性 ， 对 于混 凝土孔 结构的分形模型分析具有一定的参考意义。 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 4 0 3 基 金项 目 ： 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 2 7 8 0 5 9 ) 56 混凝土内部的孔 隙结构是极 为混沌 、 无序 的， 作 为描 述事物不规则性和复杂性 的分形理论 ， 必将在混凝土孔结 构的研究 中发挥重要 的分 析作用 。 1 9 8 5年 ， Wi n s l o wH 首 次将分形理论应用到水泥浆体表面结构特 征的分 形研究 中， L a n g e ( 1 9 9 4年 ) 基于分形理论和 图像分析技术对水 泥基材料的孔结构分形特征进行 了分析 ， 近年来 ， 分形理 论在混凝土孔结构 的研究 中已得到 了长足进展 。 通常 ， 混 凝土孔分形的研究方法需要借助孔的分析表征手段和孔 结构分形模型二者 的结合来开展 ， 即利用分析表征方法测 定的数据， 结合适宜的分形理论模型， 通过数学计算处理 得到描述孔特征的分形维数。 D i a m o n d ( 1 9 9 9年) 采用背散 射扫描 电子显微 镜观 察了普通混凝土水化过程 中微观组织结构 ， 由大孔边界组 成的混凝土表面具有分形特征 ， 至少在一定的范围内是 自 相似的， 描述孔表面 的分析维数是一个常数 ， 它随着龄期 、 水灰比、 或者多数别 的变量 的变化 而变化 。 唐 明 ( 2 0 0 0 年 ) 基于分形理论对采用扫描电镜方法获得孔 隙形貌分形 以及压汞法获得的孔分布分形进行 了分析评 价 ， 认为分形 维数对于描述混凝土孔隙复杂程度是有效的。 李永鑫 ( 2 0 0 3 年 ) 采用压汞法研究 了不 同龄期粉煤 2 4 A t z e n i 分 形模 型 C A t z e n i ( 2 0 1 0年) 针对水化的水泥浆体提出了孔 隙分形模型 ， 其构造思想如下 ： 以长 宽 比为 2 ： 1的矩形作 为初始单元 ， 每一层有 2 5 个矩形单元 ， 沿着 z轴重复排列 5 次得到含有 1 2 5个矩形单元 的长方体 ， 假定最大孔 的维 度为 R， 按照 5等分进行去除 ， 迭代 i 次后得到的基本单元 为 r = R 5 ， 如此迭代下去将得到更小的孑 L ， 具体的构造过 程见图 4 。 3 混凝 土孔结构分形模 型的对 比分析 图4 A t z e n i 分形模型 除了上述几种孔结构分形模型外， 比较经典的还有基 于热力学理论的模型、 空间孔填充模型以及 J i 等。 模型、 P e i f e r a n d A v n i r 模型、 F r i e s e n a n d Mi k u l a 模型等， 但混凝 土中包含大量不 同尺度 水平 的孔 隙， 更类似 于 V o n K o c h 曲线 以及 Me n g e r 海绵体模 型。 目 前 V o n K o c h曲线在多孔介质的描述方面仅有部分 应用成果， 且主要是针对孔隙通道分形的研究 ， 如尹红宇 ( 2 0 0 9年) 基于广义 的 V o n K o c h曲线构造 了混凝 土孔轴 线分形模型来模拟混凝土孔隙通道的曲折结构 ， 得到的孔 轴分形维数在 1 0 0 - 2 0 0之问 ； 相 比之下 ， Me n g e r 海 绵体 模型在混凝土孔隙分析中应用较多 ， 如唐 明( 2 0 0 0年 ) 、 韦 江雄 ( 2 0 0 7年 ) 、 张建波( 2 0 1 0年 ) 等分别采用该模型分析 了含有不同矿物掺合料水泥基材料 的孔隙分形 特征 ， 结果 表明 ： 分形维数与材料 的孔 隙率 、 孔径 以及孔 比表面积之 间有着较好 的相关性 ， 但是不同作者在研究 中计算得出的分 形维数值存在较大的差异， 如唐明计算出的分形维数在2 0 0 3 0 o 之问， 而李永鑫得出的分形维数在 3 0 0 3 5 0 之间。 基于国内外学者应用 Me n g e r 海绵体模型研究混凝土 孔结构分形维数已经积累了许多试验数据， 而这些数据结 果对于路面水泥混凝土孔结构 是否具 有分层分形维数特 征将可提供很好的参考及验证作 用 ， 因此在研究路面水 泥 混凝土孔结构分形情况 时 ， 采 用 Me n g e r 海绵 体模型具有 更大的优势和合理性 。 参考文献 ： 1 杨佑升 水泥混凝土微观结构对抗压强度的影1- J 公路工 程 ， 2 0 0 9 ( 4 ) ： 1 5 1 1 5 4 上接第 5 5页 1- 1 2 肖 建庄， 雷斌 再生混凝土耐久性能研究 J 混凝土， 2 0 0 8 ( 5 ) ： 8 3 8 9 I- 2 孙宗全， 刘斌 高性能清水混凝土耐腐蚀性能及水化微观试验 研究 J 公路工程， 2 0 1 4 ( 3 ) ： 3 0 9 3 1 3 3 MA N D E L B R O T B B T h e ff a c t a l g e o m e t r y o f n a t u r e - M N e w Yo r k： W H Fr e e ma n a n d Co mp a n y， 1 9 8 2： 125 4 WI N S L O W D N F r a c t a l c h a r a c t e r i n c e m e n t a n d c o n c r e t e J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 8 5 ， 1 5 ( 1 0 ) ： 8 1 7 8 2 4 5 L A N G E D， J E N N I NG S H M I ma g e a n a l y s i s t e c h n i q u e s f o r c h a r - a c t e r i z a t i o n o f p o r e s t r u c t u r e o f c e m e n t b a s e d ma t e ri a l s J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e arc h ， 1 9 9 4 ， 2 4 ( 5 ) ： 8 4 1 8 5 3 6 D I A MO N D s A s p c c t s o f c o n c r c te p o r o s i t y r e v i s i t e d J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 9 ( 2 9 ) ： 1 1 8 1 1 1 8 8 r 7 唐明 混凝土孔隙分形特征的研究 J 混凝土 ， 2 0 0 0 ( 8 ) ： 3 5 8 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 3 ， 3 1 ( 8 ) ： 7 7 4 7 7 9 I- 9 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 1 华南理工大学学报( 自然科学版) ， 2 0 0 7 ， 3 5 ( 2 ) ： 1 2 1 1 2 4 1 0 冯竟竟 ， 傅宇方， 陈忠辉， 等 温度影响下水泥基材料孔隙分形 特征试验研究 J 武汉理工大学学报 ， 2 0 0 9 ， 3 1 ( 2 3 ) ： 6 1 0 1 1 尹红宇 ， 吕海波 ， 赵艳林 碳化水泥砂浆分形特征研究r J 1 混凝 土。 2 0 0 9 ( 8 ) ： 9 7 9 9 1 2 金珊珊， 张金喜， 陈春珍， 等 J 建筑材料学报 ， 2 0 1 1 ， 1 4 ( 1 ) ： 9 2 9 7 ， 1 0 5 1 3 A T Z E N I C， P I A G， S A N N A U A g e o m e t r i c a l f r a c t a l mo d e l f o r t h e p o r o s i t y and p e r me a b i l i t y o f h y d r a u l i c c e m e n t p a s t e s J C o n s t r u c ti o n a n d B u i l d i n g Ma t e ri a l s ， 2 0 1 0 ( 4 ) ： 1 8 4 3 1 8 4 7 第一作者 联 系地 址 联系电话 周胜波( 1 9 7 9一 ) ， 男， 博士 ， 讲师， 从事道路结构与材 料研究。 广西自治区南宁市西乡塘 区高新二路 6号 广西交通 科学研究院( 5 3 0 0 0 7 ) 1 8 1 72 3 0 6 6 5 2 第一作者： r 1 3 AS TM De s i g n a t i o n：S t a n d a r d T e s t Me t h o d f o r Co mp r e s s i v e s 仃 e n g t h。 f l i n d r i c 。 n c r e t e s p e c i m e n s ： c 3 9 9 6 s 联系地址： 1 4 中华人民共和国行业 标准， 水运 工程混凝 土试 验规程 ： J T J 联系电话 2 7 0 9 8 s 北京： 人民交通出版社， 1 9 9 9 58 谢志红( 1 9 7 8 一) ， 女， 博士 ， 副教授 ， 研究方向 ： 高性能 混凝土。 广 州番 禹大学 城 广 东 工业大 学土 木与 交通学 院 ( 5 1 0 0 0 6 ) 0 2 0 3 9 3 2 2 5 3 8