盛余飛

(中交四航局第一工程有限公司，廣東 廣州 510310)

0 前 言

材料的細觀孔結(jié)構(gòu)特征與其力學(xué)性能、耐久性等宏觀性能密切相關(guān)，決定了其宏觀性能的變化。由于孔結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，材料性質(zhì)不僅與孔隙率有關(guān)，還與孔的形態(tài)、孔徑分布等因素密切相關(guān)。壓汞測孔法是近年來水泥基材料研究中常采用的孔特征評價方法，其原理為壓入材料中的水銀與所施加的壓力之間具有一定函數(shù)關(guān)系，可評價不同材料的孔隙率、孔徑分布等孔結(jié)構(gòu)參數(shù)。分形理論作為評價物體不規(guī)則、復(fù)雜性的新興學(xué)科，被引入到混凝土孔結(jié)構(gòu)的研究中，通過分形維數(shù)定量評價混凝土孔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度[1-2]。目前有部分學(xué)者利用分形模型研究水泥基材料的分形特性，但研究成果多基于天然河砂漿體樣品，尚無機制砂、石粉含量等因素對砂漿孔結(jié)構(gòu)分形特性的研究成果[3]。因此，本文基于砂漿壓汞測試孔結(jié)構(gòu)試驗數(shù)據(jù)，采用熱力學(xué)關(guān)系分形模型，研究了機制砂、石粉含量、粉煤灰等因素對砂漿孔結(jié)構(gòu)的分形特性的影響，探討了分形維數(shù)與孔結(jié)構(gòu)參數(shù)、砂漿力學(xué)性能之間的關(guān)系。

1 試驗方案

1.1 原材料

采用P.II 42.5的水泥，密度為3.1 g/cm3，比表面積為369 cm2/g，3 d和28 d膠砂抗壓強度為26.5 MPa和51.0 MPa；采用I級粉煤灰，密度為2.19 g/m3，比表面積為311.4 cm2/g，需水量比為90%。細骨料采用石場生產(chǎn)的砂巖機制砂，機制砂細度模數(shù)為2.7，石粉含量為5%，MB值為0.8；石粉呈灰色，比表面積為303 cm2/g。

1.2 水泥基材料的配合比

石粉對砂漿性能影響的配合比見表1，S1～S4為砂巖機制砂，由于機制砂本身的石粉含量為5%，S1為直接采用機制砂配制，另外采用篩分制備8%、11%石粉含量的機制砂。S5為普通河砂，河砂的細度模數(shù)2.7，與機制砂相同。砂漿的孔結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能等結(jié)果見表1。

表1 砂漿的配合比及測試結(jié)果

1.3 試驗測試

按照《水泥膠砂強度檢驗方法》(GB/T 17671—1999)對砂漿及凈漿樣品進行標準養(yǎng)護，并測定砂漿樣品28 d的抗壓強度和抗折強度。取水泥砂漿內(nèi)核，在105℃下的真空干燥箱中烘干24 h后，在真空干燥器中冷卻，然后進行MIP分析。

2 孔結(jié)構(gòu)熱力學(xué)關(guān)系的分形模型的建立

基于熱力學(xué)關(guān)系的分形模型最早由張寶泉等[4]提出，其原理為：采用壓汞法測量多孔物料孔隙體積與孔徑的關(guān)系時，外界環(huán)境對汞所作的功等于進入孔隙內(nèi)汞液的表面能增加量。通過對量綱分形，將孔隙表面積S的分形標度與孔徑r和進汞量建立關(guān)系，得到孔表面積分形維數(shù)，后經(jīng)劉永忠等[5]在其基礎(chǔ)上改進，形成式(1)，進而建立了不同孔結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)。

(1)

3 結(jié)果與討論

3.1 材料特性對砂漿孔結(jié)構(gòu)分形維數(shù)的影響

圖1為材料特性對砂漿孔結(jié)構(gòu)分形維數(shù)的影響，分析可知：當石粉含量不大于11%的前提下，機制砂砂漿的孔結(jié)構(gòu)分形維數(shù)隨石粉含量的增加而增大。在石粉含量一定的前提下，采用30%粉煤灰等量替換水泥的復(fù)合膠凝材料砂漿，其孔結(jié)構(gòu)分形維數(shù)顯著大于未摻粉煤灰的砂漿S2；采用河砂的砂漿S5的孔結(jié)構(gòu)分形維數(shù)顯著小于機制砂砂漿，可能是由于機制砂顆粒表面粗糙、多棱角，使得漿體孔結(jié)構(gòu)表現(xiàn)更為復(fù)雜所致。

圖1 石粉與粉煤灰對孔結(jié)構(gòu)分形維數(shù)的影響

3.2 分形維數(shù)與孔結(jié)構(gòu)分布特征的關(guān)系

平均孔徑、最可幾孔徑及中值孔徑等是表征孔大小的重要參數(shù)，也從一定程度上反映了孔結(jié)構(gòu)的總體分布情況。圖2～3為砂漿分形維數(shù)與MIP測試的孔隙率、中值孔徑、最可幾孔徑及平均孔徑的關(guān)系。分析可知：孔結(jié)構(gòu)分形維數(shù)與砂漿平均孔徑、最可幾孔徑及中值孔徑總體成反比，即砂漿的平均孔徑、最可幾孔徑及中值孔徑越小，砂漿的孔結(jié)構(gòu)分形維數(shù)越大。隨石粉含量的增加與摻加粉煤灰后，砂漿的平均孔徑、中值孔徑等不斷降低，孔結(jié)構(gòu)分布向小孔方向發(fā)展，對砂漿的力學(xué)性能和耐久性有利，而分形維數(shù)同樣可較好的表征孔結(jié)構(gòu)的分布情況。在不考慮S4摻加粉煤灰的砂漿前提下，孔隙率與分形維數(shù)同樣成反比關(guān)系，但在不考慮膠凝材料種類的前提下，孔隙率與分形維數(shù)的關(guān)系并不十分顯著，由于粉煤灰可顯著細化孔結(jié)構(gòu)分布，使得孔徑向小孔方向發(fā)展，但由于粉煤灰早期活性低，對早期的孔隙率降低并不顯著。

圖2 分形維數(shù)與孔隙率的關(guān)系

圖3 分形維數(shù)與平均孔徑、最可幾孔徑、中值孔徑的關(guān)系

3.3 孔結(jié)構(gòu)分形維數(shù)與砂漿力學(xué)性能的關(guān)系

圖4為孔結(jié)構(gòu)分形維數(shù)與砂漿抗壓強度和抗折強度的關(guān)系。分析圖4可知：隨孔結(jié)構(gòu)分形維數(shù)的增加，砂漿的抗壓強度和抗折強度總體成不斷增大的趨勢；分形維數(shù)的大小反映了不同孔徑表面的粗糙程度，分形維數(shù)越大，孔結(jié)構(gòu)表面越粗糙，表面粗糙的孔可有效分散外界荷載在孔表面產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此，孔結(jié)構(gòu)分形維數(shù)可較好的表征水泥基材料的宏觀力學(xué)性能。

圖4 孔結(jié)構(gòu)分形維數(shù)與力學(xué)性能的關(guān)系

4 結(jié) 論

當石粉含量不大于11%時，隨石粉含量的增加，砂漿孔隙率、平均孔徑等孔結(jié)構(gòu)參數(shù)不斷減小，孔結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)不斷增大；采用機制砂的砂漿孔結(jié)構(gòu)分形維數(shù)顯著大于河砂砂漿；孔結(jié)構(gòu)分形維數(shù)與砂漿的孔隙率、最可幾孔徑及平均孔徑總體成反比，分形維數(shù)可綜合反映孔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度；隨孔結(jié)構(gòu)分形維數(shù)的增加，砂漿的抗壓強度和抗折強度成不斷增大的趨勢。

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