混凝土外加劑對混凝土孔隙特征的影響

林 輝 張玉峰 朱愛民 張愛勤 李 晉

山東交通學院 山東 濟南 250357

正文：

前言：在各種各樣的混凝土包括高性能、超高性能等類型混凝土得到深入研究以后，國內(nèi)混凝土工程數(shù)量也在不斷變多。比如國內(nèi)的京滬高鐵、膠州跨海大橋、港珠澳大橋?qū)嶋H上都是利用了混凝土工程。這些工程有著很好的耐久性，這些工程對于混凝土技術(shù)的利用對我國的發(fā)展來說有很突出的幫助與影響。當前混凝土工程正朝向高耐久性、超大跨徑、超高層、復雜化形式發(fā)展。人們需要予以混凝土材料提出功能性、技術(shù)性重視，這樣才能發(fā)揮混凝土工程本身的價值與作用。作為一種數(shù)學分支，分形結(jié)合學被作為描述復雜行為、現(xiàn)象、物體以及不規(guī)則、無需物體的手段。其能夠定量反映幾何體的無序性、不規(guī)則性、復雜性，故成為了混凝土研究的重要參照點。

一、孔維數(shù)計算

需說明的是混凝土孔隙為千差萬別、無序分布的。混凝土孔型的體積、面積、空性在分布上與尺度上有著分形特征[1]。

MIP也就是壓泵測孔法是目前最常用的孔結(jié)構(gòu)評價模式，這種模式與技術(shù)的原理為將水銀與材料樣品放到特定的道具中，隨后施加壓力，獲知函數(shù)關(guān)系，能夠有效地計算孔隙體積分布與孔隙直徑，獲知孔隙體積維數(shù)。

空隙體積分數(shù)模型以海綿體為構(gòu)造，其流程為先設定R為立方體的邊長，之后等分其邊m，分出m的立方個立方體。隨后參照規(guī)則去除一部分立方體，此時剩下的其余立方體此時就會獲得越來越多的數(shù)量，并且尺寸也會不斷的變小。最后剩下的立方體所構(gòu)成的就是混凝土基體。所去掉的不同階次立方體是混凝土孔隙。

通過多次的操作，最后的孔隙維數(shù)可以用lg[-dVp/dr]∝（2-D）lgr表示[2]。

二、材料試驗

（一）材料

首先是水泥方面在操作中需要應用到P·Ⅱ52.R水泥，這種水泥的抗壓強度為8.8/64.5MPa，有著28d抗折能力。標準情況下，稠度用水為26.6%。在合格的安定性情況下，其水泥粒徑在1.0至176μm。這其中的水泥顆粒為總數(shù)量的89%[3]。

其次是細集料，所用單位為長江砂，這種材料的細度模數(shù)在2.8，Ⅱ區(qū)中砂，其表觀密度在2600kg/m3，測試結(jié)果為級配合格。

此外是粗集料，本次所用材料為石灰?guī)r碎石。這種材料的粒徑在5至31.5毫米之間，表觀密度在2720kg/m3。測試結(jié)果為級配合格。

最后是對外加劑的使用，本次外加劑使用到了早強劑、膨脹劑與三種減水劑（聚羧酸、萘系、改性木鈣）對于外加劑的摻量需要根據(jù)廠家所提供的數(shù)據(jù)與建議處理。本次拌合所有的水為自來水。

（二）配合比

為了了解以上所用的外加劑帶給混凝土孔結(jié)構(gòu)的影響，展開了混凝土的相關(guān)實驗，目的是為了獲知混凝土在使用各種外加劑以后的性能變化情況。本次測試中共有一組對比組，其他組為各種外加劑的添加。

對比組沒有添加外加劑，最后的坍落度為160，28d抗壓強度為45.8.早強劑坍落度為160，28d抗壓強度在43.8。膨脹劑的坍落度為160，28d抗壓強度在40.5.聚羧酸減水劑坍落度在175，28d抗壓強度在47。萘系減水劑的坍落度在160，28d抗壓強度在49.2.改性木鈣減水劑坍落度在160，28d抗壓強度在45.8.本次所用材料的一切搭配情況完全由廠家建議資料，故為最佳配合比。坍落度與28d抗壓強度情況為正常情況下（即沒有外界因素干擾）所得的結(jié)果。

三、結(jié)果分析

（一）制備試樣

在到達28d養(yǎng)護齡期后，取出混凝土試件，并放到壓力機破碎，最后從試件中取出適量的砂漿樣本，本次樣本大小控制在3至5毫米。所有的試樣在取出后第一時間應用丙酮做浸泡，以防出現(xiàn)水泥出現(xiàn)水化情況，隨后脫水。本次丙酮浸泡持續(xù)48h。在做試樣測試前將其取出放置在溫度在60℃的干燥箱中烘烤，持續(xù)時間72h，之后將已經(jīng)烘干結(jié)束的試樣放在干燥器進行冷卻，取出一定量的樣品做MIP也就是壓泵測試。壓泵試樣的制備需要注意，為防止出現(xiàn)泌水問題導致混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不均勻情況，成型的方向需要選取其中的上中部分。

（二）孔結(jié)構(gòu)

對混凝土的耐久性與宏觀性能來說，孔結(jié)構(gòu)帶來的影響是非常突出的。本次所展開的MIP也就是壓泵分析，包括混凝土試樣孔徑曲線情況如圖1所示。

圖1 混凝土孔徑情況

隨后利用lg[-dVp/dr]∝（2-D）lgr做線性擬合，明確線性系數(shù)與表達式，獲知孔體積維數(shù)D，其中對比組的分數(shù)擬合結(jié)果如圖2所示。lg[-dVp/dr]∝（2-D）lgr線性關(guān)系的系數(shù)為0.98.根據(jù)這一數(shù)據(jù)可以判斷對比組孔結(jié)構(gòu)擁有分形幾何特點，得出其維數(shù)D=3.223

圖2 對比組lg[-dVp/dr]∝（2-D）lgr擬合曲線

（三）混凝土形貌

本次的對比組與各個外加劑在使用后得出的混凝土微觀形貌可見圖3.

從圖3的情況可以看出，外加劑的添加會對混凝土的形貌造成影響。其中沒有添加外加劑的對比組存在非常多的孔隙，并且出現(xiàn)了很多未水化顆粒。木鈣減水劑混凝土水化好，萘系減水劑混凝土表面緊密，聚羧酸減水劑表面緊密但有一些孔隙。早強劑添加后有很多孔隙，膨脹劑會生成大量孔隙與膨脹情況。

圖3 混凝土微觀形貌

（四）分析

根據(jù)對前文的敘述可以看出，混凝土的情況與孔結(jié)構(gòu)有密切聯(lián)系，用分形維數(shù)的方式評價十分科學。外加劑的添加對于混凝土孔的影響非常突出，進而會對混凝土的質(zhì)量造成直接影響。在使用外加劑的時候必須根據(jù)不同外加劑的實際條件、情況與特點酌情處理，發(fā)揮不同外加劑的價值與作用，這樣才能夠獲得更為穩(wěn)定的混凝土結(jié)構(gòu)。

結(jié)語：從本文的敘述與分析可以看出，外加劑帶來的影響是非常突出的，主要包括微孔結(jié)構(gòu)、耐久性、力學性能。在操作中需要用分形幾何的方式評價混凝土孔隙的特點。在膨脹劑與早強劑的作用下，混凝土內(nèi)不會出現(xiàn)很多鈣礬石晶體，進而讓混凝土內(nèi)部出現(xiàn)微觀裂縫。在孔隙維數(shù)變大的同時，呈現(xiàn)出引氣性，增加了混凝土孔隙率與復雜度。