天然浮石混凝土孔結(jié)構(gòu)對(duì)其抗壓強(qiáng)度影響的研究

霍俊芳，曹 雪，王蕭蕭,2，奇雨欣，李海清

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,呼和浩特 010050；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)土木工程結(jié)構(gòu)與力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010050)

0 引 言

內(nèi)蒙古地區(qū)屬于寒旱區(qū)，最低氣溫可達(dá)零下30～40 ℃，惡劣的服役環(huán)境使得水工建筑物損失破壞加劇[1]。天然浮石在本地資源豐富，主要集中在火山分布地帶，具有質(zhì)輕易開采等特性，天然浮石作為骨料配制混凝土具有保溫隔熱功能強(qiáng)、耐久性好和節(jié)約施工成本等優(yōu)點(diǎn)[2]，如果能夠利用本地資源大力發(fā)展天然浮石混凝土的使用不僅具有社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，更有利于自然環(huán)境的保護(hù)。

天然浮石混凝土是一種多孔材料，核磁共振技術(shù)(NMR)作為混凝土孔結(jié)構(gòu)測試的新技術(shù)[3]，具有快速方便，對(duì)試塊無損可重復(fù)試驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)，已在混凝土孔隙結(jié)構(gòu)方面得到廣泛應(yīng)用[4]。前人利用現(xiàn)有技術(shù)分析混凝土內(nèi)部的孔徑變化特征，張俊儒等[5]采用低場核磁共振技術(shù)研究了粉煤灰噴射混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的分布特征，李杰林等[6]對(duì)凍融循環(huán)作用下的巖石孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行核磁共振測量。多孔材料的微觀研究，多是孔隙率與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系分析，李冉等[7]通過回歸分析法分析生態(tài)混凝土孔隙率和抗壓強(qiáng)度之間的相關(guān)性；倪成林等[8]采用粒度分析儀和金相顯微鏡測試混凝土中凝膠材料的孔隙率并與抗壓強(qiáng)度作對(duì)比分析。為了提高孔徑分布的準(zhǔn)確性和擴(kuò)寬孔結(jié)構(gòu)的微觀研究，本文將核磁共振T2譜分布和壓汞法毛管力曲線相結(jié)合的方法得到混凝土孔徑分布圖[9]，引入分形幾何學(xué)，利用分形維數(shù)分析天然浮石混凝土內(nèi)部孔體積分布的復(fù)雜程度[10]對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響，為天然浮石混凝土的理論研究及工程應(yīng)用提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料和配合比

水泥采用圣德翰牌P·W 42.5級(jí)硅酸鹽白水泥；細(xì)骨料采用符合國家(GSB08-1337—2017)要求的ISO標(biāo)準(zhǔn)砂，細(xì)度模數(shù)為3.0；粉煤灰采用呼和浩特金橋熱電場Ⅰ級(jí)粉煤灰；粗骨料為內(nèi)蒙古呼和浩特市和林格爾縣黑老幺鄉(xiāng)浮石山村天然浮石，粒徑為10～20 mm，吸水率為12%；減水劑采用超塑化劑-聚羧酸減水劑，減水率20%，摻量為0.7%；水采用普通自來水。依據(jù)《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》(JGJ 51—2002)設(shè)計(jì)強(qiáng)度為LC30和LC40天然浮石混凝土，配合比見表1。

表1 天然浮石混凝土配合比Table 1 Mix ratio of natural pumice concrete

1.2 方 法

試驗(yàn)依據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，試件大小為100 mm×100 mm×100 mm的立方體，在養(yǎng)護(hù)齡期7 d、14 d、28 d、60 d、90 d下對(duì)2組天然浮石混凝土進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。與抗壓強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的，試驗(yàn)儀器采用上海紐邁牌MesoMR-60S核磁共振儀(NMR)見圖1，儀器恒溫32 ℃，磁體掃描范圍0～60 mm，測試在養(yǎng)護(hù)齡期7 d、14 d、28 d、60 d、90 d下對(duì)2組如圖2所示的φ50 mm×50 mm圓柱體混凝土試塊進(jìn)行核磁共振測試得到混凝土T2譜分布規(guī)律，因?yàn)楹舜殴舱駵y試的原理是采集試件內(nèi)部孔隙水信號(hào)[11]，所以在測試前需將混凝土試塊放入自來水中24 h進(jìn)行充分飽水后再測試，由此核磁共振孔隙率測試的實(shí)際養(yǎng)護(hù)齡期會(huì)比試驗(yàn)設(shè)定齡期晚一天。最后采用美國麥克牌高性能全自動(dòng)壓汞儀AutoPore-IV9510，最大壓力6萬磅，孔徑測量范圍 0.003～400 μm，對(duì)養(yǎng)護(hù)齡期90 d的2組混凝土試塊取樣后進(jìn)行測試，與混凝土T2譜分布規(guī)律相結(jié)合后得到孔徑分布規(guī)律。

圖1 上海紐邁牌MesoMR-60S核磁共振儀
Fig.1 Shanghai Newmay Card MesoMR-60S NMR

圖2φ50 mm×50 mm圓柱體混凝土
Fig.2φ50 mm×50 mm cylindric concrete test block

1.3 混凝土孔徑分布原理

根據(jù)核磁共振儀的T2譜反演規(guī)律[12]，參考公式：

(1)

(2)

式(2)中表面弛豫率ρ2是固定值，且與樣品相關(guān)物理性能有關(guān)，令常數(shù)C=3ρ2，則：

r=CT2

(3)

由式(3)可知，理論上孔徑r與弛豫時(shí)間T2成正比關(guān)系，但根據(jù)李愛芬等[13]的統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)得到弛豫時(shí)間T2和孔徑r呈n倍冪指數(shù)關(guān)系:

(4)

將養(yǎng)護(hù)齡期到達(dá)90 d的天然浮石混凝土先進(jìn)行核磁共振測試得到式(4)中弛豫時(shí)間T2的累計(jì)分布頻率曲線；再取樣后進(jìn)行壓汞試驗(yàn)測試，得到式(4)中孔徑r的累積分布頻率曲線；將兩組曲線進(jìn)行插值擬合分析后推算出常數(shù)C值和指數(shù)n值，最后通過C值可以得出表面弛豫率ρ2值，代入式(2)后完成弛豫時(shí)間T2分布到孔徑r分布的轉(zhuǎn)換[14]。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓強(qiáng)度

圖3為天然浮石混凝土養(yǎng)護(hù)齡期7～90 d內(nèi)抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律，可以看出隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，天然浮石混凝土抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)線性遞增趨勢。早期強(qiáng)度提高較快，在7～28 d內(nèi)N1和N2提高率分別為36.5%和68.8%；后期強(qiáng)度提高有所減緩，在28～90 d內(nèi)N1和N2提高率分別為11.6%和5.5%。這是由于隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，天然浮石混凝土水化越充分，密實(shí)度提高。又由于混凝初期水泥水化程度低，毛細(xì)孔孔隙率較大，經(jīng)養(yǎng)護(hù)齡期28 d后，水泥水化作用加快，毛細(xì)孔孔隙率逐漸下降[15]。毛細(xì)孔是可以影響混凝土強(qiáng)度的內(nèi)部不規(guī)則孔隙[16]。

圖3 天然浮石混凝土抗壓強(qiáng)度變化
Fig.3 Changes of compressive strength of natural pumice concrete

圖4 天然浮石混凝土孔隙率變化
Fig.4 Changes of porosity of natural pumice concrete

2.2 孔隙率

圖4為天然浮石混凝土養(yǎng)護(hù)過程中孔隙率的變化，可以看出，隨著齡期的增加，天然浮石混凝土孔隙率逐漸減小，表明在養(yǎng)護(hù)齡期期間，混凝土內(nèi)部水化程度逐漸增大，水泥砂漿的孔隙、浮石的孔隙和水泥石的界面逐漸發(fā)生改變。天然浮石混凝土發(fā)育早期，其孔隙率的變化為：7～14 d，N1和N2的孔隙率分別下降了4.99%和7.38%；14～28 d，N1和N2的孔隙率分別下降了4.64%和3.93%；在28 d養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)，天然浮石混凝土內(nèi)部孔隙率變化較大，對(duì)抗壓強(qiáng)度影響最大。后期階段，28～60 d，N1和N2的孔隙率分別下降了1.25%和0.78%；60～90 d，N1和N2的孔隙率分別下降了0.11%和1.16%，相對(duì)比于天然浮石混凝土早期孔隙率的發(fā)育，后期孔隙率變化較小，對(duì)抗壓強(qiáng)度影響減小。

2.3 天然浮石混凝土的孔徑分布

由1.3節(jié)敘述的式(2)～(4)推衍，各系數(shù)值見表2，由表中可知N1和N2的相關(guān)性R2在0.9以上，證明通過核磁共振儀測得的弛豫時(shí)間T2譜分布與通過壓汞儀測得的孔徑r分布具有相同分布趨勢；又可知N1和N2的表面弛豫率ρ2值相差不大，與N1和N2具有類似物理性質(zhì)有一定關(guān)聯(lián)，證明數(shù)據(jù)具有可靠性。

表2 天然浮石混凝土T2譜分布轉(zhuǎn)換為孔徑分布的系數(shù)Table 2 Coefficient of T2 spectral distribution conversion pore size distribution of natural pumice concrete

圖5表示天然浮石混凝土的孔徑分布圖，橫坐標(biāo)表示混凝土孔徑大小，縱坐標(biāo)表示孔徑分布。N1和N2都共3個(gè)波峰，且具有相同變化趨勢：

(1)從孔徑大小來看，第一個(gè)波峰較第二、三個(gè)波峰明顯較高，N1的孔徑范圍是0.001～84 μm，N2的孔徑范圍是0.001～121.4 μm，根據(jù)吳中偉院士等[17]對(duì)混凝土孔徑大小的劃分，混凝土孔徑0.2 μm以上的毛細(xì)孔為多害孔，孔徑0.2 μm以下的毛細(xì)孔為無害或少害孔，在養(yǎng)護(hù)齡期7～90 d期間，N1內(nèi)孔徑小于0.2 μm的毛細(xì)孔占孔隙總量的66.7%～71.5%，N2內(nèi)孔徑小于0.2 μm的毛細(xì)孔占孔隙總量64.2%～75.9%，說明天然浮石混凝土孔徑以小于0.2 μm的無害少害孔居多。

(2)從孔徑分布變化來看，不同養(yǎng)護(hù)齡期階段下第二、三個(gè)波峰較第一個(gè)波峰的變化幅度更明顯；在7～28 d階段，N1和N2孔徑小于0.2 μm的孔體積分別減少了1.49%和3.03%，大于0.2 μm的孔體積分別減少了17.43%和17.05%，多害孔減少幅度較大，多害孔數(shù)量的降低致使天然浮石混凝土抗壓強(qiáng)度增加；在28～90 d階段，N1和N2孔徑小于0.2 μm的孔體積分別減少了4%和2.78%，大于0.2 μm的孔體積分別減少19.87%和28.79%，多害孔減少幅度也較大，但多害孔數(shù)量的降低沒有致使混凝土抗壓強(qiáng)度大幅度的增加，所以混凝土孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響除了數(shù)量以外還有其分布的復(fù)雜程度。

圖5 天然浮石混凝土不同齡期的孔徑分布圖
Fig.5 Pore diameter distribution of natural pumice concrete at different ages

2.4 天然浮石混凝土孔體積分形維數(shù)計(jì)算

根據(jù)盒維數(shù)計(jì)算方法[18]，孔隙體積分?jǐn)?shù)S；天然浮石混凝土內(nèi)部最大孔隙半徑rmax，單位：μm；孔體積分形維數(shù)D可表述為：

(5)

從天然浮石混凝土的孔徑分布圖中，引入分形維數(shù)理論,將核磁共振儀測得天然浮石混凝土內(nèi)部孔徑>0.2 μm的孔隙進(jìn)行孔體積分形維數(shù)線性計(jì)算，結(jié)果見表3，天然浮石混凝土在齡期7～90 d內(nèi)的孔體積分形維數(shù)在2.942～2.971之間，相關(guān)系數(shù)在0.965之上，表明天然浮石混凝土內(nèi)>0.2 μm的孔隙具有不規(guī)則圖形形態(tài)的分形特征。N1和N2有相同變化趨勢，N1和 N2在齡期7～90 d內(nèi)的孔體積分形維數(shù)按遞增順序排列為DN1

表3 天然浮石混凝土孔體積分形維數(shù)及相關(guān)系數(shù)Table 3 Fractal dimension and correlation coefficient of natural pumice concrete pore volume

2.5 分形維數(shù)與抗壓強(qiáng)度及孔隙率的關(guān)系

圖6 分形維數(shù)D與抗壓強(qiáng)度關(guān)系
Fig.6 Relationship of fractal dimensionDand compressive strength

圖7 分形維數(shù)D與孔隙率度關(guān)系
Fig.7 Relationship of fractal dimensionDand porosity

3 結(jié) 論

(1)天然浮石混凝土在7～90 d齡期內(nèi)，孔隙率會(huì)隨齡期的增加而降低后逐漸趨于平緩，其中在7～28 d齡期內(nèi)下降較明顯，符合在28 d齡期內(nèi)天然浮石混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)的趨勢變化。

(2)利用核磁共振測試與壓汞儀試驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合，得到天然浮石混凝土的孔徑范圍:LC30的孔徑范圍是0.001～84 μm，LC40的孔徑范圍是0.001～121.4 μm，天然浮石混凝土孔徑分布的變化主要集中在>0.2 μm的多害孔，且多害孔在7～28 d齡期內(nèi)孔徑分布變化較28～90 d內(nèi)明顯。

(3)分形維數(shù)體現(xiàn)天然浮石混凝土多害孔空間的復(fù)雜程度，在7～28 d齡期內(nèi)分形維數(shù)D的變化趨勢較28～90 d齡期明顯，線性擬合結(jié)果表明，分形維數(shù)能反映天然浮石混凝土抗壓強(qiáng)度和孔隙率的變化，混凝土分形維數(shù)D與抗壓強(qiáng)度成正比，與孔隙率成反比。