天然浮石混凝土孔结构对其抗压强度影响的研究

霍俊芳，曹 雪，王萧萧,2，奇雨欣，李海清

(1.内蒙古工业大学土木工程学院,呼和浩特 010050；2.内蒙古自治区土木工程结构与力学重点实验室，呼和浩特 010050)

0 引 言

内蒙古地区属于寒旱区，最低气温可达零下30～40 ℃，恶劣的服役环境使得水工建筑物损失破坏加剧[1]。天然浮石在本地资源丰富，主要集中在火山分布地带，具有质轻易开采等特性，天然浮石作为骨料配制混凝土具有保温隔热功能强、耐久性好和节约施工成本等优点[2]，如果能够利用本地资源大力发展天然浮石混凝土的使用不仅具有社会经济效益，更有利于自然环境的保护。

天然浮石混凝土是一种多孔材料，核磁共振技术(NMR)作为混凝土孔结构测试的新技术[3]，具有快速方便，对试块无损可重复试验等优点，已在混凝土孔隙结构方面得到广泛应用[4]。前人利用现有技术分析混凝土内部的孔径变化特征，张俊儒等[5]采用低场核磁共振技术研究了粉煤灰喷射混凝土孔隙结构的分布特征，李杰林等[6]对冻融循环作用下的岩石孔隙结构进行核磁共振测量。多孔材料的微观研究，多是孔隙率与抗压强度之间的关系分析，李冉等[7]通过回归分析法分析生态混凝土孔隙率和抗压强度之间的相关性；倪成林等[8]采用粒度分析仪和金相显微镜测试混凝土中凝胶材料的孔隙率并与抗压强度作对比分析。为了提高孔径分布的准确性和扩宽孔结构的微观研究，本文将核磁共振T2谱分布和压汞法毛管力曲线相结合的方法得到混凝土孔径分布图[9]，引入分形几何学，利用分形维数分析天然浮石混凝土内部孔体积分布的复杂程度[10]对抗压强度的影响，为天然浮石混凝土的理论研究及工程应用提供参考。

1 实 验

1.1 材料和配合比

水泥采用圣德翰牌P·W 42.5级硅酸盐白水泥；细骨料采用符合国家(GSB08-1337—2017)要求的ISO标准砂，细度模数为3.0；粉煤灰采用呼和浩特金桥热电场Ⅰ级粉煤灰；粗骨料为内蒙古呼和浩特市和林格尔县黑老幺乡浮石山村天然浮石，粒径为10～20 mm，吸水率为12%；减水剂采用超塑化剂-聚羧酸减水剂，减水率20%，掺量为0.7%；水采用普通自来水。依据《轻骨料混凝土技术规程》(JGJ 51—2002)设计强度为LC30和LC40天然浮石混凝土，配合比见表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

试验依据GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，试件大小为100 mm×100 mm×100 mm的立方体，在养护龄期7 d、14 d、28 d、60 d、90 d下对2组天然浮石混凝土进行抗压强度试验。与抗压强度相对应的，试验仪器采用上海纽迈牌MesoMR-60S核磁共振仪(NMR)见图1，仪器恒温32 ℃，磁体扫描范围0～60 mm，测试在养护龄期7 d、14 d、28 d、60 d、90 d下对2组如图2所示的φ50 mm×50 mm圆柱体混凝土试块进行核磁共振测试得到混凝土T2谱分布规律，因为核磁共振测试的原理是采集试件内部孔隙水信号[11]，所以在测试前需将混凝土试块放入自来水中24 h进行充分饱水后再测试，由此核磁共振孔隙率测试的实际养护龄期会比试验设定龄期晚一天。最后采用美国麦克牌高性能全自动压汞仪AutoPore-IV9510，最大压力6万磅，孔径测量范围 0.003～400 μm，对养护龄期90 d的2组混凝土试块取样后进行测试，与混凝土T2谱分布规律相结合后得到孔径分布规律。

图1 上海纽迈牌MesoMR-60S核磁共振仪
Fig.1 Shanghai Newmay Card MesoMR-60S NMR

图2φ50 mm×50 mm圆柱体混凝土
Fig.2φ50 mm×50 mm cylindric concrete test block

1.3 混凝土孔径分布原理

根据核磁共振仪的T2谱反演规律[12]，参考公式：

(1)

(2)

式(2)中表面弛豫率ρ2是固定值，且与样品相关物理性能有关，令常数C=3ρ2，则：

r=CT2

(3)

由式(3)可知，理论上孔径r与弛豫时间T2成正比关系，但根据李爱芬等[13]的统计实验得到弛豫时间T2和孔径r呈n倍幂指数关系:

(4)

将养护龄期到达90 d的天然浮石混凝土先进行核磁共振测试得到式(4)中弛豫时间T2的累计分布频率曲线；再取样后进行压汞试验测试，得到式(4)中孔径r的累积分布频率曲线；将两组曲线进行插值拟合分析后推算出常数C值和指数n值，最后通过C值可以得出表面弛豫率ρ2值，代入式(2)后完成弛豫时间T2分布到孔径r分布的转换[14]。

2 结果与讨论

2.1 抗压强度

图3为天然浮石混凝土养护龄期7～90 d内抗压强度的变化规律，可以看出随着养护龄期的增长，天然浮石混凝土抗压强度呈现线性递增趋势。早期强度提高较快，在7～28 d内N1和N2提高率分别为36.5%和68.8%；后期强度提高有所减缓，在28～90 d内N1和N2提高率分别为11.6%和5.5%。这是由于随着养护龄期的增长，天然浮石混凝土水化越充分，密实度提高。又由于混凝初期水泥水化程度低，毛细孔孔隙率较大，经养护龄期28 d后，水泥水化作用加快，毛细孔孔隙率逐渐下降[15]。毛细孔是可以影响混凝土强度的内部不规则孔隙[16]。

图3 天然浮石混凝土抗压强度变化
Fig.3 Changes of compressive strength of natural pumice concrete

图4 天然浮石混凝土孔隙率变化
Fig.4 Changes of porosity of natural pumice concrete

2.2 孔隙率

图4为天然浮石混凝土养护过程中孔隙率的变化，可以看出，随着龄期的增加，天然浮石混凝土孔隙率逐渐减小，表明在养护龄期期间，混凝土内部水化程度逐渐增大，水泥砂浆的孔隙、浮石的孔隙和水泥石的界面逐渐发生改变。天然浮石混凝土发育早期，其孔隙率的变化为：7～14 d，N1和N2的孔隙率分别下降了4.99%和7.38%；14～28 d，N1和N2的孔隙率分别下降了4.64%和3.93%；在28 d养护龄期内，天然浮石混凝土内部孔隙率变化较大，对抗压强度影响最大。后期阶段，28～60 d，N1和N2的孔隙率分别下降了1.25%和0.78%；60～90 d，N1和N2的孔隙率分别下降了0.11%和1.16%，相对比于天然浮石混凝土早期孔隙率的发育，后期孔隙率变化较小，对抗压强度影响减小。

2.3 天然浮石混凝土的孔径分布

由1.3节叙述的式(2)～(4)推衍，各系数值见表2，由表中可知N1和N2的相关性R2在0.9以上，证明通过核磁共振仪测得的弛豫时间T2谱分布与通过压汞仪测得的孔径r分布具有相同分布趋势；又可知N1和N2的表面弛豫率ρ2值相差不大，与N1和N2具有类似物理性质有一定关联，证明数据具有可靠性。

表2 天然浮石混凝土T2谱分布转换为孔径分布的系数Table 2 Coefficient of T2 spectral distribution conversion pore size distribution of natural pumice concrete

图5表示天然浮石混凝土的孔径分布图，横坐标表示混凝土孔径大小，纵坐标表示孔径分布。N1和N2都共3个波峰，且具有相同变化趋势：

(1)从孔径大小来看，第一个波峰较第二、三个波峰明显较高，N1的孔径范围是0.001～84 μm，N2的孔径范围是0.001～121.4 μm，根据吴中伟院士等[17]对混凝土孔径大小的划分，混凝土孔径0.2 μm以上的毛细孔为多害孔，孔径0.2 μm以下的毛细孔为无害或少害孔，在养护龄期7～90 d期间，N1内孔径小于0.2 μm的毛细孔占孔隙总量的66.7%～71.5%，N2内孔径小于0.2 μm的毛细孔占孔隙总量64.2%～75.9%，说明天然浮石混凝土孔径以小于0.2 μm的无害少害孔居多。

(2)从孔径分布变化来看，不同养护龄期阶段下第二、三个波峰较第一个波峰的变化幅度更明显；在7～28 d阶段，N1和N2孔径小于0.2 μm的孔体积分别减少了1.49%和3.03%，大于0.2 μm的孔体积分别减少了17.43%和17.05%，多害孔减少幅度较大，多害孔数量的降低致使天然浮石混凝土抗压强度增加；在28～90 d阶段，N1和N2孔径小于0.2 μm的孔体积分别减少了4%和2.78%，大于0.2 μm的孔体积分别减少19.87%和28.79%，多害孔减少幅度也较大，但多害孔数量的降低没有致使混凝土抗压强度大幅度的增加，所以混凝土孔隙结构对抗压强度的影响除了数量以外还有其分布的复杂程度。

图5 天然浮石混凝土不同龄期的孔径分布图
Fig.5 Pore diameter distribution of natural pumice concrete at different ages

2.4 天然浮石混凝土孔体积分形维数计算

根据盒维数计算方法[18]，孔隙体积分数S；天然浮石混凝土内部最大孔隙半径rmax，单位：μm；孔体积分形维数D可表述为：

(5)

从天然浮石混凝土的孔径分布图中，引入分形维数理论,将核磁共振仪测得天然浮石混凝土内部孔径>0.2 μm的孔隙进行孔体积分形维数线性计算，结果见表3，天然浮石混凝土在龄期7～90 d内的孔体积分形维数在2.942～2.971之间，相关系数在0.965之上，表明天然浮石混凝土内>0.2 μm的孔隙具有不规则图形形态的分形特征。N1和N2有相同变化趋势，N1和 N2在龄期7～90 d内的孔体积分形维数按递增顺序排列为DN1

表3 天然浮石混凝土孔体积分形维数及相关系数Table 3 Fractal dimension and correlation coefficient of natural pumice concrete pore volume

2.5 分形维数与抗压强度及孔隙率的关系

图6 分形维数D与抗压强度关系
Fig.6 Relationship of fractal dimensionDand compressive strength

图7 分形维数D与孔隙率度关系
Fig.7 Relationship of fractal dimensionDand porosity

3 结 论

(1)天然浮石混凝土在7～90 d龄期内，孔隙率会随龄期的增加而降低后逐渐趋于平缓，其中在7～28 d龄期内下降较明显，符合在28 d龄期内天然浮石混凝土抗压强度逐渐增强的趋势变化。

(2)利用核磁共振测试与压汞仪试验结果相结合，得到天然浮石混凝土的孔径范围:LC30的孔径范围是0.001～84 μm，LC40的孔径范围是0.001～121.4 μm，天然浮石混凝土孔径分布的变化主要集中在>0.2 μm的多害孔，且多害孔在7～28 d龄期内孔径分布变化较28～90 d内明显。

(3)分形维数体现天然浮石混凝土多害孔空间的复杂程度，在7～28 d龄期内分形维数D的变化趋势较28～90 d龄期明显，线性拟合结果表明，分形维数能反映天然浮石混凝土抗压强度和孔隙率的变化，混凝土分形维数D与抗压强度成正比，与孔隙率成反比。