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，國內混凝土工程數量也在不斷變多。比如國內的京滬高鐵、膠州跨海大橋、港珠澳大橋實際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的利用對我國的發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、復雜化形式發展。人們需要予以混凝土材料提出功能性、技術性重視，這樣才能發揮混凝土工程本身的價值與作用。作為一種數學分支，分形結合學被作為描述復雜行為、現象、物體以及不規則、無需物體的手段。其能夠定量反映幾何體的無序性、不規則性、復雜性，故成為了混凝土研究的重要參照點。

一、孔維數計算

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構評價模式，這種模式與技術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，獲知函數關系，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。

空隙體積分數模型以海綿體為構造，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量，并且尺寸也會不斷的變小。最后剩下的立方體所構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在2.8，Ⅱ區中砂，其表觀密度在2600kg/m3，測試結果為級配合格。

此外是粗集料，本次所用材料為石灰巖碎石。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廠家所提供的數據與建議處理。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構的影響，展開了混凝土的相關實驗，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）所得的結果。

三、結果分析

（一）制備試樣

在到達28d養護齡期后，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，以防出現水泥出現水化情況，隨后脫水。本次丙酮浸泡持續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，持續時間72h，之后將已經烘干結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，為防止出現泌水問題導致混凝土結構出現不均勻情況，成型的方向需要選取其中的上中部分。

（二）孔結構

對混凝土的耐久性與宏觀性能來說，孔結構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，明確線性系數與表達式，獲知孔體積維數D，其中對比組的分數擬合結果如圖2所示。lg[-dVp/dr]∝（2-D）lgr線性關系的系數為0.98.根據這一數據可以判斷對比組孔結構擁有分形幾何特點，得出其維數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

根據對前文的敘述可以看出，混凝土的情況與孔結構有密切聯系，用分形維數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量造成直接影響。在使用外加劑的時候必須根據不同外加劑的實際條件、情況與特點酌情處理，發揮不同外加劑的價值與作用，這樣才能夠獲得更為穩定的混凝土結構。

結語：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，主要包括微孔結構、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，混凝土內不會出現很多鈣礬石晶體，進而讓混凝土內部出現微觀裂縫。在孔隙維數變大的同時，呈現出引氣性，增加了混凝土孔隙率與復雜度。