溫度影響下水泥基材料孔隙分形特征研究

溫度影響下水泥基材料孔隙分形特征研究

孔結(jié)構(gòu)是混凝土建筑材料的薄視層研究的主題。在該層，材料不是均勻的，而是不同的，沒有區(qū)別。各種不同結(jié)構(gòu)的相組分依靠各自的界面性能結(jié)合在一起,各相之間不僅沒有相同的物理力學(xué)性能,而且沒有相同的化學(xué)組成,因此,微觀結(jié)構(gòu)相同的材料在宏觀層次上表現(xiàn)出的行為上的千差萬別,也只有經(jīng)過細觀層次的分析研究后才能做出評價。分形理論是近年來描述材料微觀、細觀、宏觀層次自相似等特征的有效途徑,是探索不同層次的精細結(jié)構(gòu)與宏觀領(lǐng)域表現(xiàn)的物理力學(xué)行為的有效方法?；炷练中卫碚摽梢宰鳛槔^材料科學(xué)、細觀力學(xué)、斷裂力學(xué)、水泥化學(xué)、流變學(xué)等之后,構(gòu)成混凝土材料科學(xué)研究的一個新的分支。國內(nèi)外研究學(xué)者在混凝土材料分形特征的研究主要集中在對混凝土斷裂面分形特征、混凝土集料的分形特征、水泥及摻合料的粉體特征、混凝土孔隙分形特征及其他微觀或宏觀結(jié)構(gòu)的分形特征等研究方面,如董毓利、謝和平研究了混凝土受壓損傷過程中微裂縫演化的分型描述,建立了損傷因子與分形維數(shù)的關(guān)系;著名混凝土專家DiamondS(1999)分析了混凝土斷面集料的分形特征;唐明在水泥、硅灰、粉煤灰等粉體顆粒以及混凝土孔隙的分形特征等多方面都進行了研究。目前對混凝土斷面分形特征與其力學(xué)行為關(guān)系方面的研究很常見;但用分形理論對混凝土孔隙特征的研究非常少見,對高溫(火災(zāi))后混凝土分形特征的研究還未見報道。高溫下混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的劣化將導(dǎo)致力學(xué)性能的不斷劣化,進而直接危及到混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性?；炷磷鳛槿蛴昧孔畲蟮娜嗽觳牧?溫度變化造成的開裂已經(jīng)成為當(dāng)今世界各國普遍關(guān)注的問題。因此對溫度影響下水泥基材料孔隙分形特征的研究具有重要的現(xiàn)實意義。作者采用壓汞測孔法對溫度影響下水泥基材料的孔隙分形特征進行了研究,為水泥基材料高溫下宏觀性能的劣化研究提供微觀結(jié)構(gòu)變化上的參考依據(jù),為理論上建立相應(yīng)的基于微細觀結(jié)構(gòu)演化的分析模型提供數(shù)據(jù)支持,進而豐富和推動溫升誘致混凝土劣化的研究。1關(guān)于當(dāng)前企業(yè)基材料分形孔隙的構(gòu)造思想目前有許多分形模型被用來分析材料的孔隙性質(zhì),比較經(jīng)典的分形模型有Koch曲線、Sierpinski墊片、Menger海綿等。水泥基材料包含大量的不同階次的孔隙和微裂紋,非常相似于海綿體。因此可以用Menger海綿分形模型的構(gòu)造思想,構(gòu)造一個孔隙介質(zhì)分形模型來模擬水泥基材料的分形孔隙?？紤]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)則去掉部分這樣的小立方體,剩下的小立方體為N1(m)個。以此不斷操作,使剩下的立方體的尺寸不斷地減少,而數(shù)目不斷增大。剩下的無限個小立方體構(gòu)成材料的基體(或晶格),而去掉不同階次的小立方體空間構(gòu)成材料內(nèi)不同階次的孔隙或微裂紋網(wǎng)絡(luò)?？紫扼w積的量測可以使用壓汞測孔法來進行,則孔隙體積分維D可根據(jù)壓汞試驗數(shù)據(jù)中(孔隙體積/汞壓)的差分與汞壓的雙對數(shù)關(guān)系,即dVP/dP與P的雙對數(shù)關(guān)系來確定log[dVp/dP]～(D?4)logP(1)log[dVp/dΡ]～(D-4)logΡ(1)2試件與試驗裝置試驗研究的水泥基材料試樣分為水泥凈漿和水泥砂漿2種,所用原材料為混凝土外加劑性能檢驗專用基準水泥、北京市電力粉煤灰工業(yè)公司生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰、一等天然細河砂、西卡(中國)建筑材料有限公司生產(chǎn)的聚羧酸系列的高效減水劑ViscoCrete3301C,材料配合比見表1。試件的形狀及大小是根據(jù)加熱設(shè)備的要求而制備的,試件大小如圖1所示,試件設(shè)計厚度為2mm。試件制作完成后在標(biāo)準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護24h后拆模;然后在室溫水中養(yǎng)護(20℃左右)28d,之后取出在室溫下自然干燥至規(guī)定齡期180d。試件在中國礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開采國家重點試驗室內(nèi)的SEM高溫電液伺服疲勞試驗系統(tǒng)密閉的真空腔內(nèi)進行加熱,加熱速率為5℃/min,目標(biāo)溫度分別為100℃、200℃、300℃、500℃。試件加熱結(jié)束后,在密閉的真空腔內(nèi)自然冷卻至室溫,然后取出立即用丙酮溶液浸泡以停止水化并脫水,一般應(yīng)浸泡一晝夜以上。然后將試件取出用密封袋封存,留待做壓汞試驗。壓汞試驗在清華大學(xué)熱科學(xué)與動力工程教育部重點試驗室內(nèi)完成,使用的壓汞儀是由美國Micromeritiecs公司生產(chǎn)的AutoporeⅡ9220型壓汞儀。壓汞儀的可測壓力范圍為4.00×10-3～4.13×102MPa。研究中接觸角選取為130°,可測孔徑范圍為30～314μm。3溫度對孔隙結(jié)構(gòu)的影響壓汞儀能自動的記錄下各時刻施加的汞壓力P,汞浸入的體積V,孔隙的平均直徑D,體積的增量ΔV,孔隙的累積表面積等,根據(jù)這些測量結(jié)果,通過進一步計算可得孔隙率、平均孔徑、閥值孔徑、最可幾孔徑等參數(shù),見表2。孔徑分布微分曲線是最常用的表示孔徑分布的曲線,如圖2所示,曲線峰值所對應(yīng)的孔徑為最可幾孔徑,即出現(xiàn)幾率最大的孔徑。通過數(shù)據(jù)分析得出:當(dāng)孔徑分布微分曲線呈正態(tài)分布趨勢時,材料內(nèi)部的孔以最可幾孔徑為中心,在最小孔徑和閥值孔徑之間集中分布;當(dāng)微分曲線不呈正態(tài)分布趨勢而是比較平緩時,材料內(nèi)部大小孔出現(xiàn)幾率相差不大,孔均勻分散分布。由表2可知:隨著溫度的升高,孔隙表征參數(shù)如孔隙率、總孔體積、閥值孔徑等不斷變大,平均孔徑、最可幾孔徑以及體積最大孔徑整體呈變大趨勢;且水泥砂漿孔隙表征參數(shù)的增長幅度大于水泥凈漿。如圖2(a)所示,水泥凈漿在室溫到300℃的升溫過程中,試件內(nèi)部的孔隙逐漸變多,孔徑分布范圍變廣,但孔徑仍以最可幾孔徑為中心呈集中分布;水泥砂漿在室溫和100℃時,孔徑內(nèi)部孔隙基本以最可幾孔徑為中心集中分布,但隨著溫度的升高,試件內(nèi)部的孔隙逐漸變得均勻分散,分布范圍也變得更廣,300℃以后變化最大,500℃時最為嚴重,如圖2(b)所示。由以上分析可知:隨著溫度的逐漸升高,溫度對水泥凈漿和水泥砂漿孔隙結(jié)構(gòu)的劣化影響顯著,300℃以后尤為嚴重;且對水泥砂漿的劣化影響比水泥凈漿嚴重。依據(jù)壓汞試驗數(shù)據(jù)對溫度影響下材料孔隙結(jié)構(gòu)劣化的分析,僅能做到定性或半定量分析,并且沒考慮壓汞試驗本身局限性而帶來的系統(tǒng)誤差的影響,如汞壓力大時有可能破壞材料孔隙結(jié)構(gòu)而造成誤差偏大,而利用壓汞數(shù)據(jù)和分形理論對溫度影響下孔隙分形特征的研究,能夠根據(jù)測試出的孔隙分形維數(shù)判斷出溫度影響下材料實際損傷情況所應(yīng)力的汞壓力階段,進而根據(jù)該壓力階段的孔隙分形維數(shù)可以對溫度影響下孔隙結(jié)構(gòu)的劣化進行定量分析。4壓力區(qū)間及其孔隙體積分維的計算孔隙分形特征研究的基礎(chǔ)是孔隙分形維數(shù)的測定。根據(jù)壓汞試驗數(shù)據(jù),首先繪制出dVP/dP與P的雙對數(shù)曲線,如圖3所示,然后根據(jù)雙對數(shù)曲線的數(shù)據(jù)求出曲線的斜率,利用孔隙介質(zhì)模型與壓汞試驗數(shù)據(jù)推出的方程(1)即可計算出水泥凈漿與水泥砂漿在不同溫度水平下的孔隙體積分維。由圖3可知,水泥凈漿和水泥砂漿在任一溫度水平下的孔隙分形特征曲線不是一條完整的曲線,而是分成了上下段。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn):第1段曲線反映的是汞壓力最初施加階段,汞注入到樣品之間的縫隙和試樣表面的裂縫中,這時測出的孔隙體積不是試樣內(nèi)真實孔隙的體積;第2段曲線反映的才是隨著壓力增加汞逐漸浸入到樣品內(nèi)孔隙的階段,這時測得的孔隙體積才是樣品內(nèi)真實的孔隙體積;且該段曲線開始成直線下降時所對應(yīng)的孔徑為閥值孔徑,即孔隙體積開始大量增加時的孔徑;第2段曲線峰值處所對應(yīng)的孔徑為最可幾孔徑,但隨著溫度的逐漸升高,峰值變得越來越不明顯,曲線的線性相關(guān)性越來越好,例如水泥砂漿在500℃時的第2段曲線已基本是條直線。針對第2段曲線在最可幾孔徑所對應(yīng)的壓力值前后增長趨勢的不同,根據(jù)最可幾孔徑以及83或82所對應(yīng)的壓力值將曲線分為3部分,且分別求出了這3部分的孔隙體積分維。根據(jù)分形集合理論,孔隙體積分維的范圍在2到3之間。因此根據(jù)孔隙體積分維數(shù)值的大小,分析了各壓力段所測孔隙結(jié)果的真實性,得出了有效壓力區(qū)間及其孔隙體積分維數(shù)值,詳見表3。不論水泥凈漿還是水泥砂漿,從最可幾孔徑所對應(yīng)的壓力值到151MPa,在這個壓力區(qū)間汞已經(jīng)浸入到直徑很小的孔隙,而這些孔隙正是由于微裂紋的不斷擴展演化而形成的,所以該壓力段測得的孔隙體積分維比較真實地反映了材料在溫度影響下的實際損傷情況。閥值孔徑到最可幾孔徑所對應(yīng)的壓力段,由于汞壓力不大,汞無法浸入孔隙直徑很小的孔隙,因此這時計算得到的分維不能真實反應(yīng)材料在溫度影響下的實際損傷情況。當(dāng)汞壓大于150MPa時,測得的孔隙直徑為30～70,汞已經(jīng)浸入到分子之間的孔隙,故這時計算得到的孔隙體積分維也不能代表材料的損傷演化情況。通過對表3中數(shù)值分析得出:1)水泥凈漿與水泥砂漿在溫度影響下孔隙結(jié)構(gòu)的損傷過程是一個分形結(jié)構(gòu),且隨著溫度的逐漸升高,孔隙體積分形維數(shù)不斷增大,孔隙分形特征越明顯;相同溫度水平下水泥砂漿的孔隙體積分維均大于水泥凈漿,這說明溫度對水泥砂漿的劣化影響比水泥凈漿嚴重?？紫扼w積分維的增大是由在溫度影響下材料孔隙結(jié)構(gòu)逐漸劣化所致。2)水泥凈漿室溫下的孔隙體積分維0.6868不滿足分形集合理論,說明室溫下水泥漿體結(jié)構(gòu)致密,不具備分形特征;隨著溫度升高,水泥漿體內(nèi)的自由水會逐漸蒸發(fā)出來,水泥水化產(chǎn)物會發(fā)生化學(xué)分解,有文獻表明:毛細水等自由水的脫出溫度一般為100～110℃,然后是水化硅酸鈣凝膠開始脫水,鈣礬石在200℃左右脫水,氫氧化鈣則在400℃后開始分解為氧化鈣和水,這些物理化學(xué)變化都會在水泥漿體內(nèi)產(chǎn)生熱開裂,導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)的劣化,反映在孔隙體積分維上就是其數(shù)值隨溫度升高而不斷增大,在100℃時為2.0853,分形特征還不明顯,但在300℃時就達到了2.4926,可見溫度的影響非常顯著。3)水泥砂漿室溫下的孔隙體積分維為2.2514,具備分形特征,可見骨料的添加所形成的水泥漿體與骨料之間的結(jié)合界面是造成室溫下水泥砂漿與水泥凈漿孔隙結(jié)構(gòu)不同的主要原因;隨著溫度的升高,水泥漿體與骨料熱膨脹的不匹配導(dǎo)致兩者結(jié)合界面上的熱開裂加速了水泥砂漿孔隙結(jié)構(gòu)的劣化,所以其孔隙體積分維在任一溫度水平下均大于水泥凈漿,這也是水泥砂漿在高溫下孔隙結(jié)構(gòu)的劣化程度比水泥凈漿嚴重的主要原因;在室溫到300℃時孔隙體積分維變化顯著,300℃以后變化不大,可見300℃時水泥砂漿內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的劣化已非常嚴重,經(jīng)掃描電鏡觀測這時骨料與漿體間的粘結(jié)已大部分被破壞。5溫度影響下的細觀結(jié)構(gòu)演化a.通過試驗研究得出了采用壓汞測孔法,能夠真實反應(yīng)水泥凈漿和水泥砂漿在溫度影響下實際損傷情況的壓力區(qū)間,即最可幾孔徑所對應(yīng)的壓力值到151MPa的壓力區(qū)