石粉含量对机制砂砂浆孔结构特性的影响研究

盛余飞

(中交四航局第一工程有限公司，广东 广州 510310)

0 前 言

材料的细观孔结构特征与其力学性能、耐久性等宏观性能密切相关，决定了其宏观性能的变化。由于孔结构极其复杂，材料性质不仅与孔隙率有关，还与孔的形态、孔径分布等因素密切相关。压汞测孔法是近年来水泥基材料研究中常采用的孔特征评价方法，其原理为压入材料中的水银与所施加的压力之间具有一定函数关系，可评价不同材料的孔隙率、孔径分布等孔结构参数。分形理论作为评价物体不规则、复杂性的新兴学科，被引入到混凝土孔结构的研究中，通过分形维数定量评价混凝土孔结构的复杂程度[1-2]。目前有部分学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浆体样品，尚无机制砂、石粉含量等因素对砂浆孔结构分形特性的研究成果[3]。因此，本文基于砂浆压汞测试孔结构试验数据，采用热力学关系分形模型，研究了机制砂、石粉含量、粉煤灰等因素对砂浆孔结构的分形特性的影响，探讨了分形维数与孔结构参数、砂浆力学性能之间的关系。

1 试验方案

1.1 原材料

采用P.II 42.5的水泥，密度为3.1 g/cm3，比表面积为369 cm2/g，3 d和28 d胶砂抗压强度为26.5 MPa和51.0 MPa；采用I级粉煤灰，密度为2.19 g/m3，比表面积为311.4 cm2/g，需水量比为90%。细骨料采用石场生产的砂岩机制砂，机制砂细度模数为2.7，石粉含量为5%，MB值为0.8；石粉呈灰色，比表面积为303 cm2/g。

1.2 水泥基材料的配合比

石粉对砂浆性能影响的配合比见表1，S1～S4为砂岩机制砂，由于机制砂本身的石粉含量为5%，S1为直接采用机制砂配制，另外采用筛分制备8%、11%石粉含量的机制砂。S5为普通河砂，河砂的细度模数2.7，与机制砂相同。砂浆的孔结构、力学性能等结果见表1。

表1 砂浆的配合比及测试结果

1.3 试验测试

按照《水泥胶砂强度检验方法》(GB/T 17671—1999)对砂浆及净浆样品进行标准养护，并测定砂浆样品28 d的抗压强度和抗折强度。取水泥砂浆内核，在105℃下的真空干燥箱中烘干24 h后，在真空干燥器中冷却，然后进行MIP分析。

2 孔结构热力学关系的分形模型的建立

基于热力学关系的分形模型最早由张宝泉等[4]提出，其原理为：采用压汞法测量多孔物料孔隙体积与孔径的关系时，外界环境对汞所作的功等于进入孔隙内汞液的表面能增加量。通过对量纲分形，将孔隙表面积S的分形标度与孔径r和进汞量建立关系，得到孔表面积分形维数，后经刘永忠等[5]在其基础上改进，形成式(1)，进而建立了不同孔结构的分形维数。

(1)

3 结果与讨论

3.1 材料特性对砂浆孔结构分形维数的影响

图1为材料特性对砂浆孔结构分形维数的影响，分析可知：当石粉含量不大于11%的前提下，机制砂砂浆的孔结构分形维数随石粉含量的增加而增大。在石粉含量一定的前提下，采用30%粉煤灰等量替换水泥的复合胶凝材料砂浆，其孔结构分形维数显著大于未掺粉煤灰的砂浆S2；采用河砂的砂浆S5的孔结构分形维数显著小于机制砂砂浆，可能是由于机制砂颗粒表面粗糙、多棱角，使得浆体孔结构表现更为复杂所致。

图1 石粉与粉煤灰对孔结构分形维数的影响

3.2 分形维数与孔结构分布特征的关系

平均孔径、最可几孔径及中值孔径等是表征孔大小的重要参数，也从一定程度上反映了孔结构的总体分布情况。图2～3为砂浆分形维数与MIP测试的孔隙率、中值孔径、最可几孔径及平均孔径的关系。分析可知：孔结构分形维数与砂浆平均孔径、最可几孔径及中值孔径总体成反比，即砂浆的平均孔径、最可几孔径及中值孔径越小，砂浆的孔结构分形维数越大。随石粉含量的增加与掺加粉煤灰后，砂浆的平均孔径、中值孔径等不断降低，孔结构分布向小孔方向发展，对砂浆的力学性能和耐久性有利，而分形维数同样可较好的表征孔结构的分布情况。在不考虑S4掺加粉煤灰的砂浆前提下，孔隙率与分形维数同样成反比关系，但在不考虑胶凝材料种类的前提下，孔隙率与分形维数的关系并不十分显著，由于粉煤灰可显著细化孔结构分布，使得孔径向小孔方向发展，但由于粉煤灰早期活性低，对早期的孔隙率降低并不显著。

图2 分形维数与孔隙率的关系

图3 分形维数与平均孔径、最可几孔径、中值孔径的关系

3.3 孔结构分形维数与砂浆力学性能的关系

图4为孔结构分形维数与砂浆抗压强度和抗折强度的关系。分析图4可知：随孔结构分形维数的增加，砂浆的抗压强度和抗折强度总体成不断增大的趋势；分形维数的大小反映了不同孔径表面的粗糙程度，分形维数越大，孔结构表面越粗糙，表面粗糙的孔可有效分散外界荷载在孔表面产生的应力集中现象，因此，孔结构分形维数可较好的表征水泥基材料的宏观力学性能。

图4 孔结构分形维数与力学性能的关系

4 结 论

当石粉含量不大于11%时，随石粉含量的增加，砂浆孔隙率、平均孔径等孔结构参数不断减小，孔结构的分形维数不断增大；采用机制砂的砂浆孔结构分形维数显著大于河砂砂浆；孔结构分形维数与砂浆的孔隙率、最可几孔径及平均孔径总体成反比，分形维数可综合反映孔结构的复杂程度；随孔结构分形维数的增加，砂浆的抗压强度和抗折强度成不断增大的趋势。

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