纤维掺量对浮石轻骨料混凝土气孔分维数与抗冻耐久性的影响

蓝绍衡，李红云，董喜平

(内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018)



纤维掺量对浮石轻骨料混凝土气孔分维数与抗冻耐久性的影响

蓝绍衡，李红云，董喜平

(内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018)

研究了当玻璃纤维掺量分别为0kg/m3,0.3kg/m3,0.6kg/m3,0.9kg/m3时，浮石轻骨料混凝土的抗冻耐久性；并用硬化混凝土气泡分析仪，测出浮石轻骨料混凝土的气孔弦长分布，计算出气孔分布分形维数D(以下简称分维数D)。讨论浮石轻骨料混凝土在掺入不同纤维掺量的条件下分维数D与抗冻耐久性之间的关系。结果表明：随着玻璃纤维掺入量的增大，纤维浮石轻骨料混凝土的抗冻耐久性与分维数D随之变化，当玻璃纤维掺量在0.6kg/m3时各项指标最优；并且发现10～500μm这一范围内的孔径级配对于抗冻耐久性来说也是一个很重要的指标。

分形； 轻骨料混凝土； 抗冻耐久性； 玻璃纤维

1 引 言

作为具有复杂结构的非均匀、多相、层次的复合材料体系，混凝土的宏观物理力学性能所表现出的非线性、模糊性、不规则性等特征，正是其结构复杂性的表现。尤其是孔结构特点与耐久性之间有着密切的联系[1]，但是由于孔结构分布的复杂性，人们一直无法有效的进行分析。

由于分形理论的提出，通过实验发现[2]材料内部组织的分布形式满足一定的分形规律，并且开始探讨其与宏观物理性能的联系[3];而混凝土作为一种工程材料，无论是形成还是在工作过程中均表现出了一系列分形的特征[4]。

通过使用分形理论，发现对混凝土不同尺度下的信息和性能进行较为合理、准确的预测。目前很多对于混凝土分形维数的研究[5,6]，但是关于将分形理论应用在浮石纤维混凝土中的研究却不是很多。

本实验将玻璃纤维掺入浮石轻骨料混凝土中，通过对细观结构的观察与分析，计算出描述其气孔径分布分形维数D，进而找出分维数D与抗冻耐久性以及纤维掺量之间的联系。

2 实 验

2.1 实验材料

水泥采用P·C32.5级复合硅酸盐水泥，力学性能指标见表1。细集料为细度模数3.0～2.3的中砂，堆积密度与表观密度分别为1420kg/m3、2650kg/m3。粗集料采用内蒙古集宁产天然浮石，堆积密度为711kg/m3，1h吸水率为9.8%，筒压强度为2.978MPa。引气减水剂为AE-1型引气减水剂。Ⅱ级粉煤灰产于呼和浩特市金桥热电厂产。耐碱玻璃纤维直径为8～15μm，抗拉强度2000MPa，弹性模量为75000MPa，断裂伸长率为5%，比重为2.4～2.7g/m3。

表1 水泥性能指标

2.2 实验方法

基准组设计强度等级为LC20，配合比见表2。

表2 轻骨料混凝土基准组材料用量

通过将不同玻璃纤维掺量掺入浮石混凝土中，共组成4个试验组(0kg/m3、0.3kg/m3、0.6kg/m3、0.9kg/m3)。

抗压强度采用试件尺寸为100mm×100mm×100mm，按照SL352-2006《水工混凝土实验规程》[7]步骤进行。

试件抗冻性能采用快速冻融法进行试验，实验按照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》[8]中的要求进行设计。

混凝土气孔细观结构的观察实验采用《ASTMC457StandardTestMethodforMicroscopicaldeterminationofParametersofAir-VoidSysteminHardenedConcrete》[9]中的直线导线法。使用RapidAir457硬化混凝土气孔分析仪对试块气孔弦长分布进行测量。

3 结果与讨论

3.1 立方体抗压强度

抗压强度试验结果见图1。

图1 不同纤维掺量试件的抗压强度Fig.1 Compressive strength of different fiber volume fraction

图2 不同纤维掺量的试件的冻融循环质量损失率Fig.2 Mass loss rate of freeze-thaw cycles with different fiber volume fraction

3.2 耐久性系数

参考GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》[8]，通过相对动弹模量、耐久性系数和冻融质量损失率三个指标对试块的抗冻耐久性进行评定，得出玻璃纤维浮石轻骨料混凝土冻融循环的质量损失率和相对耐久性系数以及动弹性模量。(详见图2、图3、图4)图2为试件冻融循环的质量损失率；图3为冻融循环之后的相对耐久性系数；图4为试件冻融循环过程中的相对动弹模量。

在实验中冻融循环达到300次之后，所有试件的相对动弹性模量均高于60%(见图4)，都达到规范的抗冻性要求，说明浮石轻骨料混凝土具有较强的抗冻融性。

图3 不同纤维掺量试件的冻融循环相对耐久性系数Fig.3 Relative durability factor of freeze-thaw cycles with different fiber volume fraction

图4 不同纤维掺量的试件的冻融循环相对动弹性模量Fig.4 Freeze-thaw cycles of different fiber volume fraction with the relative dynamic elastic modulus

通过图4的数据可以看出：在200次冻融循环之前，0.3kg/m3组的相对动弹模量都大于0.6kg/m3组；而冻融次数提升至250次之后，0.6kg/m3组的相对动弹模量要高于0.3kg/m3组。

这是由于冻融次数增大时，由于玻璃纤维表面光滑且与混凝土的弹性模量相差过大，所以不能和混凝土很好的一同伸缩工作，导致玻璃纤维在水泥基材料中存在一些轻微的移动，这些移动会在水泥基材料中形成一些小孔，提供冻胀破坏的缓冲空腔，使得抗冻性能有所提升。

当纤维掺量提高到0.9kg/m3时，在进行拌合时纤维产生明显的团簇现象；且含气量与坍落度均比0.6kg/m3组有所下降。导致抗冻性与力学性能不佳。

4 硬化混凝土气孔分布分形维数D

本实验采用RapidAir457硬化混凝土气孔分析仪进行试验。主要针对混凝土横切面的气孔各项参数进行测试，与以往实验使用压汞仪对混凝土气孔体积进行测试有所区别。实验中得到由小到大依次分布的各气孔弦长的数目，函数分布满足数学分形特征[10]，可以进一步探讨分形效应，并推导出分维数D。以便更精确的判断混凝土的抗冻耐久性能[11,12]。图5为不同纤维掺量的试件的气孔弦长分布。

图5 不同纤维掺量的试件的气孔弦长分布Fig.5 Pore chord length of different fiber volume fraction

图6 累计气孔数与气孔径的双对数散点图Fig.6 Double logarithmic scatter plot of cumulative number with pore and pore chord length

鉴于实验使用的方法为光学法，利用分形曲线的测量原理，得出描述孔径的分布分维数，计算公式为[13]

lgn=Dd·lgd+c

(1)

公式中：d-孔径，μm；

n-大于等于孔径d的孔的数量，个；

c-常数；

Dd-描述孔径分布的分形维数。

通过对实验数据分析可得，混凝土分维数D可以描述混凝土孔径分布状况，Dd介于0～3之内，Dd越大则孔隙结构中小孔径所占比例越大，随着Dd的提升，抗压强度随之提高[13]。然而，其双对数散点图(见图6)线性回归曲线的相关系数过低，且明显呈曲线变化特征。此模型由于只考虑气孔数目，以至于用该模型处理数据时没有表现出明显的差异性。综上所述，用此模型并不能很好的反映混凝土气孔分布分形特征。图6为累计气孔数与气孔径的双对数散点图。

根据观测方法以及试验测量到数据的特点，将盒维数的概念引入之前的模型中[14]。作为应用最广泛的分形维数之一的盒维数(boxdimension,box-counting)[15-16]，数学表达为：设F是Rn上的任意非空子集Nδ(F)是直径最大为δ，且可以覆盖F的集的最少个数，则F的盒维数可以由公式(2)得到。

(2)

结合盒维数的定义，将实验测定混凝土中的气孔假设为规则的圆形气孔，选择n个尺寸的圆形盒子作为测度。用这些圆形盒子去覆盖所有气孔径大于等于Di的气孔，并将气孔径大于Di的气孔，依照面积相等原则将其转化为气孔径为Di的气孔，然后将得到的换算气孔数记为Nci。于是得到一组数据(D1，Nc1)，(D2，Nc2)，(D3，Nc3)……(Di，Nci)。最后在双对数坐标系中对气孔径和换算气孔数进行线性回归，回归直线的斜率即为所求的盒维数。具体公式如下：

lgNc=-Dd·lgd+c

(3)

图7即为换算气孔数与气孔径的双对数散点图。

此方法较之前的模型的优势在于：使用盒维数的定义，并且引进了“换算气孔数”这一概念，较之前的方法可以更加确切的反映出混凝土气孔分布的分形特征。且每组参数线性回归得到的相关系数均大于0.9，表明分形特征明显，可靠性较高。

图8为四组混凝土试件的分维数D，由此可以看出通过计算的分维数D与抗冻耐久性系数之间有着相同的变化规律。这说明混凝土的抗冻性与分维数D之间存在着比较强的正相关关系。同时10～500μm这一范围内的孔径级配状况对混凝土的抗冻性有较重要的影响。这一数量级的孔隙被称为非毛细孔，在以往研究中经常忽略其分布对于混凝土的抗冻性能的影响，并一律归纳为有害孔径。这是以往研究所欠缺的一个方面。

图7 换算气孔数与气孔径的双对数散点图Fig.7 Double logarithmic scatter plot of conversions number with pore and pore chord length

图8 在不同纤维掺量下分维数D与相对耐久性系数的变化Fig.8 Change of fractal dimension and relative durability factor of freeze-thaw cycles of different fiber volume fraction

通过分析发现：通过使用分形这一概念计算得到的气孔分布分形维数D可以在更深层面预测混凝土的抗冻耐久性。它可能在抗冻耐久性预测方面是个比较可靠的参数。

5 结 论

(1)通过实验分析可知，加入玻璃纤维可以提升浮石轻骨料混凝土的力学性能与抗冻耐久性；

(2)通过使用分形理论，将混凝土的耐久性系数与孔隙分布的分形维数之间联系起来。发现耐久性系数与孔隙分布的分形维数之间有着很强的正相关关系。当玻璃纤维含量为0.6kg/m3时混凝土的耐久性系数与气孔分布分维数提升最大；

(3)以往研究将大于1000nm的孔隙称为非毛细孔，并将其归纳为有害孔的范畴。但是在这一量级之中，10～500μm这一范围内的孔径级配对于抗冻性来说也是一个很重要的指标。采用孔隙率表征纤维浮石轻骨料混凝土中的复杂气孔尺寸分布并建立其与耐久性能的关系是不全面的，混凝土中气孔尺寸的分布对抗冻耐久性能也会产生重要的影响。而气孔分布分形维数D则可以很好的描述玻璃纤维浮石轻骨料混凝土中的孔径级配。

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[3]TarafderM,TarafderS,NasipuriM,etal.Fractalanalysistodetermineself-similarcharacteristicsinthemicrostructureofHSLAsteel[J].Materials and Manufacturing Processes,2009.

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Effect of Fiber Dosage on Pore Structure Fractal Dimension and Frost-thaw Durability of Light-weight Aggregate Concrete

LAN Shao-heng,LI Hong-yun,DONG Xi-ping

(WaterConservancyandCivilEngineeringCollege,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot010018,China)

Thispaperpresentstheexperimentalresultsofastudyontheeffectoftheglassfiber(GF)volumefractiononporestructurefractaldimensionandfrost-thawdurabilityoflight-weightaggregateconcrete.RapidAir457AirVoidAnalyzerhasbeenadoptedtotestthechordlengthdistributionofairvoidparametersinGFlight-weightaggregateconcreteandfractaldimensionDcanbeget.FurtherdiscussionoftherelationshipbetweenthefractaldimensionDandfrost-thawdurability.Theresultsshowedthatthereisthesametrendbetweenthefrost-thawdurabilityofglassfiberconcrete(GRC)anditsporefractaldimensionD;Indicatorsareoptimalwhenthefibervolumefractionis0.6kg/m3.Italsosuggestedthatthechordlengthdistributionofpore(withintherangeof10-500μm)isalsoanimportantindicatorforfrost-thawdurability.

fractal;light-weightaggregateconcrete;thedurabilityofconcreteresistfreeze;glassfiber

内蒙古自治区自然科学基金项目(2012MS0120)

蓝绍衡(1990-)，男，硕士研究生.主要从事结构耐久性分析方面的研究.

李红云，博士，教授.

TU

A

1001-1625(2016)12-4246-06