混凝土孔体积分形维数及其与氯离子渗透性和强度的关系.pdf

2 0 1 0 年 第 5 期 (总 第 2 4 7 期 ) N u mb e r 5 i n 2 0 1 0 ( T o t a l No 2 4 7 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THE 0RETI 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 0 0 5 0 0 3 混凝土孔体积分形维数及其与氯离子渗透性和 强度的关系 张建波，文俊强。王宏霞，叶家元，张文生 ( 中国建筑材料科学研究总院 绿色建筑材料国家重点实验室，北京 1 0 0 0 2 4 ) 摘要： 采用压汞法对含不同掺合料混凝土的孔分形结构进行了试验研究 ， 测定了其孔体积分形维数， 探讨了含不同掺合料混凝土的孔 体积分形维数与氯离子渗透性 能及强度 的关 系。 结果表明 ： 混凝土孔体积分形维数越大氯离子渗透系数越大 ； 含不同掺合料混凝土 的孔体 积分形维数与氯离子渗透系数相关性由高到低依次为： 粉煤灰 矿渣 石灰石 水泥； 含不同掺合料的混凝土的孔体积分形维数与强度 相关性由高到低依次为： 粉煤灰 矿渣水泥 石灰石。 关键词： 体积分形维数；氯离子渗透性；强度；不同掺合料；相关性 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 0 ) 0 5 0 0 0 7 -03 Po r e v ol ume f r a ct al di m e ns i on of c on c r e t e and it s r e l a t i ons hi p be t wee n c hl or i de dif f us i vit y an d s t r e ng t h Z H 4 J i an b o， W EN J u n q i a n g， W ANG Ho n g - xi a ， YE J i a - y u a n， ZHANG W e n s h e n g ( C h i n a Bu i l d i n gMa t e r i a l s A c a d e my&S t a t e Ke yL a b o f G r e e nB u i l d i n g Ma t e r i a l s ， Be i j i n g1 0 0 0 2 4， C h i n a ) Abs t r a c t ： T he p o r e s t r u c t ur e a n d p o r e v o l u me fra c t a l d i me n s i o n of c o n c r e t e wi t h d i ffe r e n t a d mi x t u r e s wc r e d e t e r mi n e d b y M ( me r c u r y intr u - s i o n p o r o s i me t r y) o n e x p e r i me n t s T h e r e l a t i o n s h i p o f p o r e v o l u me ff a c t a l d i me n s i o n wi t h c h l o ri d e d i f f u s i v i t y a n d s t r e n g t h wa s i n v e s t i g a t e d R e s u i t s s h o w t h a t c o n c r e t e c h l o rid e d i f f u s i v i t y i s p r o po t i o n a l t o i t s p o r e v o l u me f r a c t a l d i me n s i o n； Th e o r d e r o f t h e c o r r e l a t i o n b e t we e n p o re v o l u me fra c t a l d i me n s i o n a n d c o e 街 c i e n t o fc h l o rid e d i ffu s i v i t y f r o m h i g h t o l o w i s fl y a s h， s l a g， l i me s t o n e an d c e me n t ； Th e o r d e r o fthe c o rre l a t i o n b e tw e e np o r ev o l u m ef r a c tal d i me n s i o nan d s t r e n g t hf r o m h i g ht ol ow i sflya s h， s l a g， c e m e n t ， l i me s t o n e K e ywo r d s ： p o rev o l um e fr a c t a l d ime n s i o n； c h l o ri d e d i f f u s i v i t y ； s tr e n gth ； d i ffe r e n t a d mi x t u r e s ； c o rr e l a t i o n 0 引言 混凝土中的孔并非假定的呈光滑的圆柱状， 而是曲折且表面 非常粗糙 的， 显然这种 曲折程度及粗糙度会 明显影 响氯离子 在 其中的传输速率， 水泥混凝土中的孔具有明显的分形特征 一 1 。 目前常用的孔分形模型有 Me n g e r 海绵体模型B I 、 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 、 J i e t a 1 模型 、 Us t e r i e t a 1 模型 、 Ne i ma r k 模型和 Z h a n g a n d L i 模型 ， 根据这些模型可以采用压 汞法( MI P) 、 氮吸附法( B E T) 、 小角 x射线 ( 或中子 ) 散射法 ( S A XS或 S A NS ) 、 背散射电子显微镜法( B a c k s c a t t e r s E M) 等 试验方法确定出不同的孔分形维数。 尽管对混凝土的孔分形特征有相关的模型及多种试验计 算方法， 而且对分形多孔介质的溶质扩散也有相关的理论分数 扩散方程， 但 目前将混凝土的孔分维数与氯离子渗透系数进行 联系的研究还未见报道。 1 原材料与试验 1 1 原材料与配合 比 水泥为北京琉璃河水泥厂 P O 4 2 5级水泥， 比表面积为 3 4 9 m2 k g ； 石灰石粉由河北易县石粉厂提供， 比表面积为 3 8 0 m2 k g ； 收稿 日期 ：2 0 1 0 - 0 1 1 7 基金项 目：国家 自然科学基金 ( 5 0 7 0 2 0 5 5 ) 粉煤灰为北京石景山热电厂粉煤灰， 比表面积为 3 9 8 m2 k g ； 矿渣 为北京首钢矿渣， 比表面积为 3 9 2 m2 k g ； 集料采用最大粒径为 2 5 舢n的北京房山碎石和细度模数为 2 3的拒马河河砂； 外加剂 采用北京通州产高效聚羧酸液态减水剂 T K- P C 0 2 ， 固含量 2 0 。 采用胶凝材料为 5 6 0 k g m3 砂率为 5 5 ， 水灰比为 0 , 3的基 本配合比， 配制含不同掺合料的混凝土。 掺合料的掺量均为3 0 ， 聚羧酸液态减水剂掺量均为 1 8 ， 测试养护 7 、 l 4 、 2 8 、 6 0 、 9 0 d的 混凝土孔结构及对应的氯离子渗透系数和强度。 1 2试 验 方 法 成型 1 0 0mmx l O 0m mx l 0 0i n l l l 的立方体试件， 1 d拆模并 进行标准养护 ， 至规定龄期后测试混凝土强度。破型后用尖小 锤取样， 将试块敲成 3 5 mm小颗粒( 尽量选择不含砂石的小颗 粒) ， 装入 6 0 m L广 口瓶， 并加酒精终止水化。测孔前取出颗 粒在 1 0 5烘箱 中烘 6 h以除去样 品中的酒精及蒸发水 ， 烘 干后用美国 Mi c r o me r i t i c s I n s t r u me n t C o r p o r a t i o n生产 9 4 2 0型 压汞仪( me r c u r y i n t r u s i o n p o r o s i me t r y ， MI P ) 测量孑 L 结构。 氯离子渗透性试验参照 J T J 2 7 o _ - 9 8 水运工程混凝土试验 规程 第 7 9 条 混凝土抗氯离子渗透快速试验 进行 ， 通过测量在 一 定交流电压下流过混凝土的电荷量或电导， 反映出透过混凝土 的氯离子量， 并根据Ne r a s t P l a n k方程式推算出氯离子渗透系数。 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 3 混凝 土孔分形模 型及 确定体积 分形 维数 的方法 模型构造源于Me n g e r 海绵体构造， 如图 1 所示， 通过Me n g e r 海绵体模型结合压汞法， 可以得出孑 L 体积分形维数 1 】。 图 1 Me n g e r 海绵体模型构造 根据模 型推导 ， 可 以得出式 ( 1 ) ： l o g ( 一 d V d 1 ) ( 2 - D ) l o g l ( 1 ) 式中： 可由一定压力 P下 MI P测试的压人汞体积确定， 2 可由 此压力下对应的孔径D确定 ， D b 即混凝土孔体积分形维数。 2 结果及分析 由于 D e mo Wi n d o w s 9 4 0 0 S e r i e s 压汞分析软件不能直接 计算孔体积分形维数 ， 应用分析软件的数据接 口功能， 将一 定压力下的汞进入体积 与对应孔径 D导人 E x c e l 数学分 析软件， 利用函数功能编制计算方法求解不同压力点对应的 l o g ( 一 d d D) 及 l o g D， 对 l o g ( 一 d d D) 及 l o g D作散点图， 并用添 加趋势线的方法确定 l o g ( 一 d V d D) l o g O的线性关系表达式， 由此即可确定试样的孔体积分形维数1 】 。含不同掺合料混凝土 的孑 L 体积分形维数计算结果及氯离子渗透系数和强度测试结 果如表 1 所示。 表 1 孔体积分形维数与氯离子渗透 系数及强度性能试验结果 注 ： 7 、 1 4、 2 8 、 6 0、 9 O指养护龄期 ， C、 L、 F 、 S分别指水 泥 、 石灰石 、 粉 煤灰 、 矿渣。 2 1 体积 分形维数 与龄期 关 系 体积分形维数随着龄期增长而不断增加 ， 在水化早期 2 8 d 以前变化较大， 2 8 d以后趋于平缓， 含不同掺合料的混凝土孑 L 体 积分形维数与龄期之间的关系如图 2 所示。 水化早期掺掺合料的混凝土孔体积分形维数要明显小于 8 鼎 婪 龄 期 ， d 图 2混凝土孔体积分形维数与龄期 不掺掺合料的混凝土孔体积分形维数， 早期的孑 L 体积分形维数 由高到低依次为： 水泥 粉煤灰 石灰石 矿渣， 水化后期孔 体积分形维数由高到低依次为： 粉煤灰矿渣 水泥石灰石， 可见掺合料的加入会降低早期的孑 L 体积分形维数和提高后期 孔体积分形维数 ， 但是石灰石的掺入并不能提高其后期孔体积 分形维数， 这与石灰石的惰性有关。 2 2 体积分形维数与氯离子渗透 系数的关系 混凝土孔体积分形维数与氯离子渗透系数成反比， 孔体积 分形维数越大孔隙不规则程度越高， 氯离子渗入时所受阻力越 大， 故而氯离子渗透系数越小。 含不同掺合料的混凝土孔体积分形维数与氯离子渗透系 数之间相关性不同， 说明掺不同掺合料的混凝土氯离子渗透性 受其孔体积分形维数影响程度也不同， 其相关性由高到底依次 为： 粉煤灰矿渣石灰石水泥。含不同掺合料的混凝土孔 体积分形维数与氯离子渗透系数关系如图 3 所示。 加入掺合料后混凝土氯离子渗透性受孑 L 体积分形维数影 响更大，这是因为掺合料的加入使孑 L 隙结构变得更加粗糙、 更 不规则 ， 氯离子途经孔隙的时候渗透速度受孔隙不规则程度影 响更大， 因而其相关性更大。 不同掺合料导致的混凝土孔体积分形维数与氯离子渗透 性之问相关性的差异， 这可能是因为掺合料之间活性不同， 对孔 体积分形维数产生不同影响， 从而使其对氯离子渗透的敏感程 度不一样。 粉煤灰相关性最好是因为粉煤灰对混凝土分形维数 影响最大， 早期偏低 ， 后期增长很快， 这影响了氯离子在混凝土 孔隙中的渗透速率 ； 石灰石相关性偏低， 这是因为石灰石对混 凝土分形维数影响较小的原因。 2 _ 3 体积 分形 维数 与 强度之 间的 关 系 混凝土孔体积分形维数与强度成正比， 孔体积分形维数越 大 ， 强度越大， 含不同掺合料的孔体积分形维数与强度的相关 性也不同， 其相关性由高到低依次为： 粉煤灰 矿渣 水泥 石灰石。含不同掺合料的孔体积分形维数与强度关系如图 4 。 强度是水泥基材料最重要的宏观性能之一， 其与浆体的微 结构有着密切的关联。孑 L 体积分形维数是对孔结构特征的一种 描述， 一定程度下能反映材料的孔结构优劣， 不同掺合料能对 混凝土孔体积分形维数产生不同影响。掺粉煤灰或矿渣的混凝 土孔体积分形维数与强度的相关性要明显高于不掺 ， 但是掺石 灰石的相关性却略低， 这是因为粉煤灰和矿渣活性要高于石灰 石， 使强度更易受体积分形维数影响。 3结 论 ( 1 ) 混凝土孔体积分形维数随着龄期增长而不断增长 ， 含 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 体 积分形 维数 d 盏 、 骥 日 慧 体积分形维数 体积分形维数 体积分形维数 图 3 含不 同掺合料的混凝土孔体 积分形维数与氯离子渗透 系数关系 体 积分形 维数 日 、 慧 山 、 想 体积分形维数 体积分形维数 体积分形维数 图 4 含不 同掺合料子 L 体积分形维数与强度关 系 不同掺合料的混凝土孔体积分形维数随龄期变化也不同。掺有 掺合料的混凝土早期孔体积分形维数偏低， 但是后期均会超过 对比混凝土， 其中掺石灰石混凝土体积分形维数 2 8 d龄期以后 变化较小， 这与石灰石的低活性有关。 ( 2 ) 混凝土孔体积分形维数与氯离子渗透性之间有着良好 相关性 ， 氯离子渗透系数随着孔体积分形维数增加而减少 。掺 加掺合料的混凝土氯离子渗透性受孔体积分形维数影响更大， 且掺合料活性越大， 前者受后者的影响越大。 ( 3 ) 混凝土孔体积分形维数与强度之间也有 良好相关性， 强度随孔体积分形维数增加而增加。 含不同掺合料的孔体积分 形维数与强度相关性也不同， 掺粉煤灰、 矿渣的混凝土强度受 孔体积分形维数影响更大， 但是石灰石却显得比较小， 这是因 为石灰石的惰性原 因。 参考文献 ： 1 】 李永鑫， 陈益民 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 【 2 J I X， e t a 1 F r a c t a l mo d e l f o r s i mu l a t i n g t h e s p a c e - fi l l i n g p r o c e s s o f c e me n t h y d r a t e s a n d f r a c t al d i me n s i o n s o f p o r e s t r u c t u r e o f c e me n t - b a s e d ma t e r i a l s J C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h ， 1 9 9 7 ( 2 7 ) ： 1 6 9 1 - 1 6 9 9 【 3 】3 唐明， 巴恒静 混凝土材料的拓扑学特征及分形特征的评价 J 哈尔 滨建筑大学学报， 2 0 0 2 ， 3 5 ( 1 ) ： 8 6 8 9 4 】J u a n L u i s P e r e z B e r n a l ， e t a 1 F r a c t al g e o me t r y a n d m e r c u r y p o r o s i me t r y c o mp a r i s o n a n d a p p l i c a t i o n o f p r o p o s e d mo d e l s o n b u i l d i n g s t o n e s J A p p l i e d S u r f a c e S c i e n c e ， 2 0 0 1 ( 1 8 5 ) ： 9 9 1 0 7 f 5 唐明 混凝土孔隙分形特征的研究f J 混凝土， 2 0 0 0 ( 8 ) ： 3 - 5 作者简介： 张建波( 1 9 8 4 一 ) ， 男 ， 硕士研究生， 主要从事水泥混凝土组 成结构与性能的研究。 单位地址： 北京市朝阳区管庄东里 1 号 中国建筑材料科学研究总院 ( 1 0 0 0 2 4 ) 联 系电话 ： 1 5 9 1 0 3 4 2 6 8 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m