孔结构对浮石混凝土抗压强度影响的试验研究

(内蒙古农业大学 水利与土木建筑工程学院，内蒙古 呼和浩特市 010018)

引言

混凝土是一种应用广且用量大的建筑材料。主要由水泥胶体和粗细骨料组成，其硬化后内部形成的孔是混凝土的组成部分，因此，对于混凝土微观孔结构的研究十分有必要。很多学者对混凝土孔结构进行研究表明[1-7]，孔结构对混凝土的力学性能和耐久性能有很大的影响。虽然研究中大部分研究仅考虑了孔隙率这一因素，其他因素如比表面积、孔平均弦长、气孔间距系数以及孔径分布并未展开研究，这便导致所得结论比较单一，不具有普遍适用性。同时，当前研究多集中于孔结构对混凝土耐久性的影响，对于抗压强度的影响并未过多研究，而混凝土孔结构参数对于抗压强度的影响是混凝土微观结构与宏观性能研究的另一重要方面。孔结构参数与抗压强度之间的关系面临许多问题，如试验数据缺乏、影响因素多等，为了解决上述问题此次试验中引入了灰色理论。灰色理论[8-10]是由邓聚龙教授首先提出，当研究对象具有不确定性时，通过灰色关联系数来描述各因素之间的紧密程度。具有所需样本量小、无需考虑分布、计算量小等优点[11]。此次试验将运用灰色关联分析法将孔结构参数与两种类型的浮石混凝土28 d抗压强度建立关系，研究孔结构参数对混凝土抗压强度的影响。

1 试验原材料及配合比

1.1 试验原材料

水泥：由内蒙古呼和浩特市冀东水泥生产的P·O 42.5。

砂：河砂，级配良好，细度模数为2.6，中砂，表观密度为2 650 kg/m3。

粗骨料：天然浮石，粒径为5～20 mm，连续级配，堆积密度为1 530 kg/m3，表观密度为1 292 kg/m3。

橡胶颗粒：由河北某厂生产，粒径为2～4 mm左右，表观密度为1 200 kg/m3。

玄武岩纤维：由上海臣启化工科技有限公司生产，其性能见表1。

表1 玄武岩纤维各项性能

减水剂：萘系高效减水剂。

水：呼和浩特市普通自来水。

1.2 试验配合比

此次试验将玄武岩的掺量定为0.05%、0.10%、0.15%、0.20%；橡胶颗粒掺入方式为等体积取代砂的10%、20%、30%；以3个试件为一组，试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，共8组，配合比见表2。混凝土的强度试验按GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行，抗压强度测试结果见表3。

表2 混凝土配合比 单位：kg/m3

注：A-0为普通轻骨料混凝土；F-X表示玄武岩纤维掺量分别为0.05%、0.10%、0.15%、0.20%；R-X表示橡胶颗粒掺量为10%、20%、30%。

表3 单掺纤维和橡胶轻骨料混凝土抗压强度

2 试验步骤与方法

2.1 试验步骤

取养护28 d混凝土试块，将其切割为15 mm厚的薄片，经研磨，涂抹填充孔隙等一系列操作后，运用Rapid Air混凝土气孔结构分析仪测定混凝土气孔的比表面积、气孔平均弦长、孔径分布和气孔间距系数等各参数，然后运用灰色理论将混凝土抗压强度与孔结构参数进行灰色关联分析，得出结论。

2.2 试验方法

采用灰色关联度分析法,其具体操作步骤如下[12]：

(1)确定参考序列

将体现系统特征的数据序列，设定为参考序列，T=[T(k)|k=1,2,…,m]，将影响系统行为的因素组成的序列，设定为比较数列，Xi=[Xi(k)|k=1,2,…,m;i=1,2,…,n]。

(2)无量纲处理

由于数据之间量纲往往不一致，为了便于分析，采用下列方法处理数据。

(k=1,2,…m;i=1,2,…,n)

(1)

(3)计算两种序列的绝对差

Δi(k)=|t(k)-xi(k)|

(2)

(4)找绝对差中最大值与最小值

(3)

(4)

(5)计算关联度系数

(5)

式中，ρ——分辨系数，ρ的取值范围是(0,1)，通常取0.5。

(6)计算关联度

对关联度系数取平均值，得到ri即为关联度。

(6)

3 试验结果分析

试验将混凝土28 d抗压强度值作为参考序列T，将孔结构的各参数作为比较序列X，试验分为两组：A组为掺纤维的轻骨料混凝土；B组为掺橡胶的轻骨料混凝土。表4和表5分别为两组混凝土的孔结构参数和抗压强度情况。

表4 A组混凝土的孔结构参数与抗压强度

表5B组混凝土的孔结构参数与抗压强度表

参数A-0R-10R-20R-30含气量/%17.048.4314.515.48比表面积/(/mm)18.5337.2833.4947.87气孔平均弦长/mm0.2160.1070.1190.084气孔间距系数/mm0.0920.0920.0620.039孔径分布/%<100μm42.3269.4168.1479.62100～200μm25.215.2615.6610.92200～300μm12.956.846.844.21300～400μm6.453.543.541.89>400μm13.15.835.833.71抗压强度/MPa45.736.633.531.3

(1)无量纲化操作，确定初像值见表6和表7。

表6 A组混凝土的初像值

表7 B组混凝土的初像值

(2)计算两种序列的绝对差值，计算结果见表8和表9。

表8A组序列绝对差值

绝对差值Δi(k)00.00180.00900.48130.405900.14000.65141.03070.276800.41300.44680.61530.469700.32840.46330.30490.251100.41070.47790.64400.212500.47840.36990.57210.356600.38550.39380.66050.490800.48820.47550.57970.365000.54930.50200.71040.59007

表9 B组序列绝对差值

(3)求绝对差值中的最大值与最小值，见表10。

表10最大值与最小值

组别A组B组Max1.03071.8980Min00

(4)确定关联系数，见表11和表12。

表11A组关联度系数

关联度系数ξi(k)10.99660.98310.51710.559410.78640.44170.33330.651010.55510.53560.45580.523210.61080.52660.62830.672410.55650.51890.44450.708010.51860.58210.47390.591010.57210.56680.78020.512210.51350.52010.47060.585410.48410.50660.42040.4662

表12 B组关联度系数

(5)确定关联度，见表13。

表13 两组关联度

从表13中两组情况的关联度，通过分析可得出：

A组中随着纤维掺量的增加影响混凝土抗压强度的孔结构参数排序为：气孔平均弦长<比表面积<气孔间距系数<含气量。孔径分布影响排序为：(>400 μm)<(300～400 μm)<(100～200 μm)<(<100 μm)<(200～300 μm)。

B组中随着橡胶掺量的增加影响混凝土抗压强度的孔结构参数排序为：比表面积<气孔间距系数<含气量<气孔间距系数。孔径分布影响排序为：(<100 μm)<(>400 μm)<(200～300 μm)<(300～400 μm)<(100～200 μm)。

4 结论

经过孔结构试验分析,得到以下结论：

4.1 随着纤维掺量的增加，孔结构中含气量对浮石混凝土28 d的抗压强度影响最大，气孔平均弦长影响最小。孔径分布影响中，孔径为200～300 μm的孔对浮石混凝土28 d的抗压强度影响最大，而孔径>400 μm的孔影响最小。

4.2 随着橡胶掺量的增加，在孔结构特征中，气孔间距系数对混凝土28 d的抗压强度影响最大，比表面积影响最小。而在孔径分布影响中，孔径为100～200 μm的孔对混凝土28 d的抗压强度影响最大，孔径<100 μm的孔影响最小。