混凝土外加剂对混凝土孔隙特征的影响

林 辉 张玉峰 朱爱民 张爱勤 李 晋

山东交通学院 山东 济南 250357

正文：

前言：在各种各样的混凝土包括高性能、超高性能等类型混凝土得到深入研究以后，国内混凝土工程数量也在不断变多。比如国内的京沪高铁、胶州跨海大桥、港珠澳大桥实际上都是利用了混凝土工程。这些工程有着很好的耐久性，这些工程对于混凝土技术的利用对我国的发展来说有很突出的帮助与影响。当前混凝土工程正朝向高耐久性、超大跨径、超高层、复杂化形式发展。人们需要予以混凝土材料提出功能性、技术性重视，这样才能发挥混凝土工程本身的价值与作用。作为一种数学分支，分形结合学被作为描述复杂行为、现象、物体以及不规则、无需物体的手段。其能够定量反映几何体的无序性、不规则性、复杂性，故成为了混凝土研究的重要参照点。

一、孔维数计算

需说明的是混凝土孔隙为千差万别、无序分布的。混凝土孔型的体积、面积、空性在分布上与尺度上有着分形特征[1]。

MIP也就是压泵测孔法是目前最常用的孔结构评价模式，这种模式与技术的原理为将水银与材料样品放到特定的道具中，随后施加压力，获知函数关系，能够有效地计算孔隙体积分布与孔隙直径，获知孔隙体积维数。

空隙体积分数模型以海绵体为构造，其流程为先设定R为立方体的边长，之后等分其边m，分出m的立方个立方体。随后参照规则去除一部分立方体，此时剩下的其余立方体此时就会获得越来越多的数量，并且尺寸也会不断的变小。最后剩下的立方体所构成的就是混凝土基体。所去掉的不同阶次立方体是混凝土孔隙。

通过多次的操作，最后的孔隙维数可以用lg[-dVp/dr]∝（2-D）lgr表示[2]。

二、材料试验

（一）材料

首先是水泥方面在操作中需要应用到P·Ⅱ52.R水泥，这种水泥的抗压强度为8.8/64.5MPa，有着28d抗折能力。标准情况下，稠度用水为26.6%。在合格的安定性情况下，其水泥粒径在1.0至176μm。这其中的水泥颗粒为总数量的89%[3]。

其次是细集料，所用单位为长江砂，这种材料的细度模数在2.8，Ⅱ区中砂，其表观密度在2600kg/m3，测试结果为级配合格。

此外是粗集料，本次所用材料为石灰岩碎石。这种材料的粒径在5至31.5毫米之间，表观密度在2720kg/m3。测试结果为级配合格。

最后是对外加剂的使用，本次外加剂使用到了早强剂、膨胀剂与三种减水剂（聚羧酸、萘系、改性木钙）对于外加剂的掺量需要根据厂家所提供的数据与建议处理。本次拌合所有的水为自来水。

（二）配合比

为了了解以上所用的外加剂带给混凝土孔结构的影响，展开了混凝土的相关实验，目的是为了获知混凝土在使用各种外加剂以后的性能变化情况。本次测试中共有一组对比组，其他组为各种外加剂的添加。

对比组没有添加外加剂，最后的坍落度为160，28d抗压强度为45.8.早强剂坍落度为160，28d抗压强度在43.8。膨胀剂的坍落度为160，28d抗压强度在40.5.聚羧酸减水剂坍落度在175，28d抗压强度在47。萘系减水剂的坍落度在160，28d抗压强度在49.2.改性木钙减水剂坍落度在160，28d抗压强度在45.8.本次所用材料的一切搭配情况完全由厂家建议资料，故为最佳配合比。坍落度与28d抗压强度情况为正常情况下（即没有外界因素干扰）所得的结果。

三、结果分析

（一）制备试样

在到达28d养护龄期后，取出混凝土试件，并放到压力机破碎，最后从试件中取出适量的砂浆样本，本次样本大小控制在3至5毫米。所有的试样在取出后第一时间应用丙酮做浸泡，以防出现水泥出现水化情况，随后脱水。本次丙酮浸泡持续48h。在做试样测试前将其取出放置在温度在60℃的干燥箱中烘烤，持续时间72h，之后将已经烘干结束的试样放在干燥器进行冷却，取出一定量的样品做MIP也就是压泵测试。压泵试样的制备需要注意，为防止出现泌水问题导致混凝土结构出现不均匀情况，成型的方向需要选取其中的上中部分。

（二）孔结构

对混凝土的耐久性与宏观性能来说，孔结构带来的影响是非常突出的。本次所展开的MIP也就是压泵分析，包括混凝土试样孔径曲线情况如图1所示。

图1 混凝土孔径情况

随后利用lg[-dVp/dr]∝（2-D）lgr做线性拟合，明确线性系数与表达式，获知孔体积维数D，其中对比组的分数拟合结果如图2所示。lg[-dVp/dr]∝（2-D）lgr线性关系的系数为0.98.根据这一数据可以判断对比组孔结构拥有分形几何特点，得出其维数D=3.223

图2 对比组lg[-dVp/dr]∝（2-D）lgr拟合曲线

（三）混凝土形貌

本次的对比组与各个外加剂在使用后得出的混凝土微观形貌可见图3.

从图3的情况可以看出，外加剂的添加会对混凝土的形貌造成影响。其中没有添加外加剂的对比组存在非常多的孔隙，并且出现了很多未水化颗粒。木钙减水剂混凝土水化好，萘系减水剂混凝土表面紧密，聚羧酸减水剂表面紧密但有一些孔隙。早强剂添加后有很多孔隙，膨胀剂会生成大量孔隙与膨胀情况。

图3 混凝土微观形貌

（四）分析

根据对前文的叙述可以看出，混凝土的情况与孔结构有密切联系，用分形维数的方式评价十分科学。外加剂的添加对于混凝土孔的影响非常突出，进而会对混凝土的质量造成直接影响。在使用外加剂的时候必须根据不同外加剂的实际条件、情况与特点酌情处理，发挥不同外加剂的价值与作用，这样才能够获得更为稳定的混凝土结构。

结语：从本文的叙述与分析可以看出，外加剂带来的影响是非常突出的，主要包括微孔结构、耐久性、力学性能。在操作中需要用分形几何的方式评价混凝土孔隙的特点。在膨胀剂与早强剂的作用下，混凝土内不会出现很多钙矾石晶体，进而让混凝土内部出现微观裂缝。在孔隙维数变大的同时，呈现出引气性，增加了混凝土孔隙率与复杂度。