水泥砂漿孔結(jié)構(gòu)的分形特征

水泥砂漿孔結(jié)構(gòu)的分形特征

0孔隙分形特征混凝土材料的碳化合物是導(dǎo)致鋼筋侵蝕和混凝土結(jié)構(gòu)破壞的主要原因。大量研究表明,碳化對混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的影響是顯著的?；炷潦怯啥喾N材料組成的復(fù)合建筑材料,具有細(xì)觀、微觀的多孔特征,其宏觀力學(xué)性質(zhì)都直接或間接地與孔隙率、孔徑分布、孔表面積、孔隙連通性等微觀結(jié)構(gòu)要素密切相關(guān)。宏觀力學(xué)性質(zhì)的變化是諸多微觀要素變化的結(jié)果,然而由于孔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,孔隙分布特征難以定量化也限制了微觀結(jié)構(gòu)演化與宏觀力學(xué)性質(zhì)之間關(guān)系的研究。因此對孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的描述具有相當(dāng)重要的意義。分形是研究“具有自相似、自仿射的精細(xì)結(jié)構(gòu)”的復(fù)雜系統(tǒng)的演化規(guī)律的重要理論方法,分形理論的發(fā)展為描述復(fù)雜的多孔結(jié)構(gòu)提供了有力的工具。自Winslow將分形理論運(yùn)用到水泥漿體結(jié)構(gòu)研究以來,國內(nèi)外許多學(xué)者已對混凝土孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分形特征的描述,對孔隙進(jìn)行了模擬,求出了孔隙體積分形維數(shù)等。王鐵成研究了混凝土結(jié)構(gòu)狀態(tài)及其裂紋擴(kuò)展的分形行為。S.Diamond分析了混凝土斷面集料的分形特征。謝和平等研究了巖石介質(zhì)的分形孔隙和分形粒子;潘國耀等研究了水泥硬化體分形幾何滲流理論。本文基于分形的一些構(gòu)造方法以及分形理論的概念,構(gòu)造分形體,模擬混凝土材料孔結(jié)構(gòu),采用壓汞測孔法(MIP)研究了不同碳化程度材料的孔結(jié)構(gòu)分形特征,探討碳化對混凝土材料孔結(jié)構(gòu)的影響。1試驗(yàn)材料、樣品制備、測試方法和測試原理1.1試驗(yàn)材料P·O42.5級水泥(GB175—92);細(xì)度模數(shù)為2.5的中砂;自來水。1.2混凝土配合比設(shè)計碳化是二氧化碳在混凝土孔結(jié)構(gòu)中擴(kuò)散傳播的演化過程,主要發(fā)生在水泥石中,粗骨料幾乎不參加反應(yīng),壓汞測孔試驗(yàn)研究的也是粒徑在5mm左右的樣品,為了模擬實(shí)際工程中碳化對混凝土孔結(jié)構(gòu)的影響,參考水灰比為0.4、0.47的混凝土配合比設(shè)計了水泥砂漿配合比,如表1。1.3帶明顯成分的碳體的碳化反應(yīng)砂漿成型為40mm×40mm×160mm的試塊,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后取出放入溫度60℃的烘箱中烘干48h,烘干后的試塊作如下處理:用融化的石蠟密封試塊5個面,僅留下一個面40mm×160mm,隨后將制備好的試塊置于碳化試驗(yàn)箱中,在溫度為(20±5)℃、相對濕度為(70±5)%、二氧化碳濃度為(20±3)%的碳化箱中進(jìn)行碳化。將砂漿試塊放入碳化箱中碳化56d后取出,測得平均碳化深度為18.6mm,在碳化深度方向上每隔8mm取樣,取樣粒徑為3～5mm,取樣后用丙酮立即浸泡以停止水化。樣品的編號為MC8、MC16、MC24、MC32、MC40(MCd的含義為水灰比為0.40的砂漿試塊、d為取樣深度)。測孔前取出試樣,用冷凍干燥箱干燥24h后,進(jìn)行壓汞試驗(yàn)。采用AutoPoreIV9500全自動壓汞儀進(jìn)行壓汞測孔法測定孔結(jié)構(gòu),其最大壓力228MPa,孔徑測量范圍5～360000nm。1.4孔徑及滲透系數(shù)的計算壓汞測孔試驗(yàn)基于如下假定:汞對于試樣非浸潤,接觸角恒定、表面張力恒定;試樣的孔結(jié)構(gòu)模型為圓柱孔模型;試樣不可壓縮,即不會引起體積讀數(shù)誤差;試樣強(qiáng)度足夠,不會因?yàn)楦邏憾l(fā)生變形和破碎。通過加壓使汞進(jìn)入試樣的孔隙中,孔體積增量所需的能量等于外力所做的功,即等于處于相同熱力學(xué)條件下的汞-固界面下的表面自由能。根據(jù)Washburn方程計算孔徑分布:式中:P———施加的壓力;σ———壓入液體的表面張力,取0.484N/m;θ———壓入液體與固體材料的接觸角,取130℃;r———圓柱形孔隙的半徑。采用圓柱孔模型,計算孔體積V及表面積S和孔徑r的關(guān)系:根據(jù)Katz-Thompson方程計算滲透系數(shù):式中:k———滲透系數(shù);lc———臨界孔徑;準(zhǔn)———總的孔隙率;準(zhǔn)c———壓汞試驗(yàn)測得的臨界孔隙率。2混凝土材料的分形維數(shù)分形理論的研究表明多孔材料的孔結(jié)構(gòu)具有明顯的分形特征,孔隙體積分形維數(shù)可用于研究多孔介質(zhì)中的孔隙特性。Menger海綿在描述多孔介質(zhì)方面有廣泛的應(yīng)用,文獻(xiàn)利用Menger海綿模擬了巖石類多孔介質(zhì)、混凝土類多孔材料的孔結(jié)構(gòu),其分形體的構(gòu)造過程類似于壓汞測孔過程。如圖1所示,構(gòu)造Menger海綿作為體積分形模型來模擬混凝土材料的分形孔隙的過程如下:考慮邊長為R的立方體,將它分成m3個等大的小立方體。選定一個規(guī)則,隨機(jī)去掉其中的n個立方體,則剩下立方體的個數(shù)為N=m3-n。按照這樣的規(guī)則進(jìn)行操作,則剩下的立方體的尺寸不斷減小,而數(shù)目不斷增多。經(jīng)過次迭代構(gòu)造后,剩下的小立方體的邊長為r=R/mi、k=log(R/r)/logm,立方體的數(shù)量為:其中:D的含義是孔隙體積分形維數(shù),可見D反映了材料內(nèi)孔隙大小分布空間關(guān)系,表明孔隙體積分形維數(shù)可以借助體積的量測來決定。壓汞測孔方法是根據(jù)壓入混凝土中水銀的數(shù)量與所加壓力之間的函數(shù)關(guān)系計算孔的直徑和不同大小孔的體積,通過孔隙體積與孔徑的變化特征,可以直接用壓汞測孔的試驗(yàn)數(shù)據(jù)求出孔隙體積的分形維數(shù):3試驗(yàn)結(jié)果及分析3.1活性炭水泥砂漿孔隙結(jié)構(gòu)的研究試樣1和試樣2有相似的變化規(guī)律。本試驗(yàn)取水灰比為0.40的試樣試驗(yàn)結(jié)果分析,孔徑分布如表2所示。由表2可知,隨著碳化程度的增加水泥砂漿的孔結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的變化?？偪紫堵食尸F(xiàn)出明顯的降低,不同碳化程度的試樣相比,孔隙的平均填充率達(dá)到23.7%。其中孔徑大于200nm的大孔和毛細(xì)孔隙最大填充達(dá)74.6%,相反孔徑小于20nm的凝膠孔隙變大,增加最大達(dá)60.4%。3.2孔隙分形維數(shù)壓汞試驗(yàn)所得圖2是ln(V(r)/V)-lnr的關(guān)系曲線。由圖可見,明顯不能用一條直線來描述,而且大量的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在2000～6000nm左右孔徑間出現(xiàn)了平臺,由于此區(qū)間的孔隙率含量非常少,對混凝土材料孔結(jié)構(gòu)的作用有待進(jìn)一步研究。參考吳中偉教授的理論,將ln(V(r)/V)-lnr關(guān)系曲線分別以孔徑<20nm、20～200nm、>200nm分為3段,進(jìn)行線性擬合,求得直線的斜率和相關(guān)系數(shù)及孔隙體積分形維數(shù)。表3、圖3列出了ln(V(r)/V)-lnr部分關(guān)系曲線,孔隙在一定的范圍內(nèi)滿足某種分形特征,水泥砂漿的孔隙體積分形維數(shù)分別為:多害孔級(>200nm)在2.1～2.3之間,少害和有害孔級(20～200nm)在2.5～2.7之間,無害孔級(<20nm)在2.7～2.9之間。由此可見,水泥砂漿的孔隙分布具有3個無標(biāo)度區(qū),在無標(biāo)度區(qū)內(nèi)孔隙分布具有自相似性,不同標(biāo)度區(qū)的孔隙具有不同的性質(zhì),說明混凝土材料的孔結(jié)構(gòu)具有多重分形的特征。圖4表示不同碳化程度水泥砂漿相應(yīng)大小的孔隙體積分形維數(shù)的變化規(guī)律。隨著碳化程度增加的水泥砂漿中,孔徑大于200nm的大孔和毛細(xì)孔的體積分形維數(shù)增加,孔徑小于200nm的孔隙體積分形維數(shù)降低,尤其是多害孔級(>200nm)增加達(dá)6.4%,無害孔級(<20nm)降低達(dá)3.9%。碳化使水泥漿體孔結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的變化。從碳化機(jī)理分析,這主要是因?yàn)樵谒酀{體中,當(dāng)絕大部分水泥已經(jīng)水化或完全水化時,基質(zhì)中以I和III型C-S-H凝膠為主,交織地插入厚實(shí)的Ca(OH)2、水化碳酸鈣、水化鋁酸鈣和水化硫鋁酸鈣,當(dāng)CO2與水化物發(fā)生置換反應(yīng),消耗了孔溶液中的Ca(OH)2,使交織于凝膠中的Ca(OH)2不斷地析出溶于孔溶液中,與CO2反應(yīng),直到Ca(OH)2消耗完,隨著材料中的堿度降低,水化碳酸鈣、水化鋁酸鈣和水化硫鋁酸鈣等水化產(chǎn)物也被分解,留下的體積就是凝膠孔增加的體積,使得本來致密的凝膠體結(jié)構(gòu)變得疏松,凝膠孔隙含量增加,凝膠孔隙體積分形維數(shù)降低。而生成CaCO3的沉淀在孔壁上,呈隨機(jī)無序的狀態(tài),細(xì)化了大孔、毛細(xì)孔,使得大孔、毛細(xì)孔隙率的含量降低,總孔隙率降低,多害孔的體積分形維數(shù)增大。因此,利用分形理論可以定量地表述孔結(jié)構(gòu)的變化。4孔隙分形維數(shù)法(1)碳化后混凝土材料的孔結(jié)構(gòu)變化很大?？偪紫堵首冃?大孔、毛細(xì)孔含量減少,凝膠孔含量增加,密實(shí)度提高。(2)混凝土的孔結(jié)構(gòu)具有多重分形的特征,孔隙在一定的范圍內(nèi)滿足某種分形特征,水泥漿體的孔隙體積分形維數(shù)分別為:多害孔