混凝土离析分形特征研究

     混凝土离析将影响混凝土的泵送施工性能，影响混凝土结构表观效果， 使混凝土强度大幅度下降。混凝土的匀质性差，致使混凝土各部位的收缩不一致，易产生混凝土收缩裂缝，极大地降低了混凝土抗渗、抗冻等混凝土的耐久性能。

    分形几何学为描述复杂问题提供了一个得力的方法，分形的核心是自相似性，分形的特征量是分维数。目前分形几何学已广泛应用予自然科学、社会科学的各个领域。研究表明，分维值是一个描述复杂问题的定量参数，能够起到连接材料微观结构与宏观性能之间的桥梁作用，可以成为指导材料设计的定量指标。
    混凝土宏观性能所呈现出的不确定性、不规则性、模糊性、非线性，是其微观结构复杂性的反映。目前人们对混凝土微观性与宏观性的关系尚未完全研究清楚，混凝土作为具有复杂微观结构的多级多层次的复合材料体系，尤其是骨料的级配具有突出的自相似性，完全可以利用分形几何学进行研究^[1]。

1.1原材料选择

1.1.1水泥：选用冀东P.O42.5普通硅酸盐水泥，要求其水泥强度、安定性、凝结时间、烧失量、三氧化硫含量等各项指标检测全部合格，符合《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》（GB175-2007）规定。
1.1.2粉煤灰：选用麦迪文治Ⅱ级粉煤，其细度、烧失量、需水比等各项指标均满足公司内控指标要求，并且优于市场上其他品牌粉煤灰，满足工程使用要求。
1.1.3矿粉：选用典实矿粉厂生产的S95级矿粉，其性能指标符合《混凝土用矿物掺合料应用技术规程》（DB29-129-2010）的规定。
1.1.4碎石：选用三河5-25mm连续级配碎石，其含泥量、泥块含量、压碎指标、碱活性等各项指标，符合《建筑用卵石、碎石》（GB/T14685-2011）规定。
1.1.5河砂：选用新乐河砂，各项指标符合《建筑用砂》（GB/T14684-2011）规定。
1.1.6减水剂：选用中建聚羧酸型减水剂，其各项性能指标符合《混凝土外加剂》、《混凝土外加剂应用技术规范》规定。
1.1.7拌合水：天津地区地下水，各项指标满足建筑用水标准。
1.2试验方法
    通过试验配制出离析混凝土，通过添加减水剂，以及改变胶凝材料的种类(用一定量的粉煤灰和矿粉取代水泥)，从而配制出不同离析度的混凝土。每组实验把离析的混凝土按垂直方向分成三层，分别测出每层混凝土中粗骨料的数量、质量，获得数据。
获得的数据用骨料分形公式进行分析，对混凝土拌合物的骨料级配特征具有的分形特征进行挖掘，分析每层分形维数与拌合物离析程度之间的关系，并在理论分析的基础上分析粗骨料级配对混凝土离析程度的影响，分析离析混凝土的分形特征。
试验模具(如图1-1)是自制的，每层模具尺寸：直径160mm，高度为100mm。

图1-1  自制模具

1.3试验步骤
    试验步骤如表1-1

表1-1  试验步骤

 1.4试验数据收集
    将搅拌锅拌制好的新拌混凝土放入自制模具(如图1-1)中，每层模具尺寸为直径160mm，高度为100mm。然后取出每一层(如图1-2)的新拌混凝土倒入5mm塞子中进行冲洗，冲走砂子和胶凝材料，再将塞子上的石子倒入石子塞(如图1-3)中进行塞分，最后数出每层塞中石子的数量，称出每层塞中石子的质量。

     
          图1-2  每层取料                        图1-3  石子塞 

2.1空白试验

    空白试验数据见表2-1。

表2-1  空白试验数据

     数据处理结果见表2-2。

 表2-2  空白试验数据处理结果

    空白试验的混凝土上层的lg (m(x)／m₀)与lgx关系见图2-1，由图2-1可求出上层的分维值D=1.83(D=3-b,b=1.05)。

图2-1  空白上层lg (m(x)／m₀)与lgx关系坐标图

    空白试验的混凝土中层的lg (m(x)／m₀)与lgx关系见图2-2，由图2-2可求出中层的分维值D=2.05(D=3-b, b=0.95)。

图2-2  空白中层lg (m(x)／m₀)与lgx关系坐标图

    空白试验的混凝土下层的lg (m(x)／m₀)与lgx关系见图2-3，由图2-3可求出下层的分维值D=2.11(D=3-b, b=0.89)。

图2-3  空白下层lg (m(x)／m₀)与lgx关系坐标图

    分维数D在2~3之间，骨料颗粒分布具有较明显自相似的特征，是统计意义上的分形。它定量刻画了此种骨料粒度分布的复杂程度，D愈接近于3，则该颗粒体系愈能紧密地填充3维空间，级配愈好。因此，调整级配骨料的分维数D(例如，适当调整该体系中某种或某几种颗粒粒度的数量)完全有可能达到优化级配骨料的目的。
    由图2-1算出的上层分维值D=1.83，由图2-2算出的中层分维值D=2.05，图2-3算出的下层分维值D=2.11，三层的分形维数差别较大，该新拌混凝土离析现象比较严重。因此，上、中、下三层的分形维数，可以反映出新拌混凝土的离析程度。2.2只加减水剂试验
    上层的分维值D=2.05，中层的分维值D=1.59，下层的分维值D=1.72，中层、下层算出的分维值D不在2~3之间，骨料颗粒分布不具有较明显的自相似的特征，而且三层的分形维数差距挺大，该新拌混凝土离析比较严重。因此，只加减水剂引起的混凝土离析，其上、中、下三层的骨料颗粒分布不均，体系骨料级配不好，应适当调整该体系中某种或某几种颗粒粒度的数量。
2.3加减水剂并用20%矿粉取代水泥试验
    上层的分维值D=2.05，中层的分维值D=2.28，下层的分维值D=2.08，算出的分维值D在2~3之间，骨料颗粒分布具有自相似的特征，属于统计意义上的分形。虽然该新拌混凝土的上、中、下三层分形维数有一定差距，但是上、下两层的分形维数比较接近。因此，加入一定量的矿粉对抑制混凝土的离析产生一定的效果。
2.4加减水剂并用20%粉煤灰取代水泥试验
    上层的分维值D=2.05，中层的分维值D=2.10，下层的分维值D=2.12，算出的分维值D在2~3之间, 骨料颗粒分布具有自相似的特征，属于统计意义上的分形。上、中、下层的分形维数比较接近，三层级配骨料粒度分布的自相似性比较好，因此，加入一定量的粉煤灰对抑制混凝土的离析产生较好的效果。
2.5加减水剂并用10%粉煤灰和10%矿粉取代水泥试验
    上层的分维值D=2.10，中层的分维值D=2.05，下层的分维值D=2.06，算出的分维值D在2~3之间, 骨料颗粒分布具有自相似的特征，属于统计意义上的分形。新拌混凝土上、中、下层的分形维数比较接近，三层级配骨料粒度分布的自相似性比较好，底层分形维数与顶层分形维数可以反映出新拌混凝土离析程度。因此，加入一定量的矿粉和粉煤灰对抑制混凝土的离析产生较好的效果。

    通过本实验的数据得出了：矿物掺和料（尤其粉煤灰）有利于降低混凝土的离析程度；每层新拌混凝土的粗骨料级配相差越小、每层粗骨料的分形维数越接近，混凝土离析程度越低。用分形理论研究离析混凝土的骨料颗粒分布，其分形维数可以反映出新拌混凝土离析程度。

    对混凝土这一多相多层次复合材料内在规律的探索是非常有价值的,这一材料的不确定性、不规则性、模糊性,以及材料微观结构与宏观性能之间的内在规律, 采用分形科学的新理论、新方法进行深入研究, 将为混凝土材料科学注入新的活力。
参考文献
[1]唐明.关于混凝土骨料分形级配问题.混凝土.1996(1)：3-4
[2]唐明.混凝土材料分形特征及应用研究.混凝土. 2003：1-4
[3]梁国柱．影响泵送混凝土离析的因素及应对措施．广东建材．2006年1期.
[4]夏春，刘浩吾.混凝土细骨料级配的分形特征研究.四川大学水电学院，2002年.
[5]梁国柱．影响泵送混凝土离析的因素及应对措施．广东建材．2006年1期.
[6]杨瑞华,许志鸿.沥青混合料分形级配理论[J].同济大学学报,2008,36(12): 1642~1646
[7]夏春、刘浩吾.混凝土细骨料级配的分形研究.四川大学水电学院，2002年.

作者：冯闯、袁启涛、李磊、张艺莹
信息来源：混凝土第一视频网    

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