浮石輕骨料粒徑分形特征研究

溫永欽 崔亞平

【摘 要】本文通過對浮石骨料的分形研究，把分形幾何學原理引入混凝土浮石輕骨料研究領(lǐng)域，為深入揭示浮石輕骨料復(fù)雜性本質(zhì)提供有效途徑。結(jié)果表明： 浮石輕骨料粒徑和級配存在明顯的分形現(xiàn)象，用骨料分維數(shù)來定量描述輕骨料級配，能夠有效的控制輕骨料混凝土的級配。

【關(guān)鍵詞】浮石輕骨料；分形；級配；粒徑

1. 引言

在 21 世紀以至更長的時期內(nèi)，混凝土材料仍是最主要的建筑材料，但是普通混凝土有自重大、保溫隔熱性能差等缺點，影響了它在某些工程領(lǐng)域中的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代土木工程結(jié)構(gòu)日益朝著高聳、大跨、重載的方向發(fā)展，以及建造各種新型特種結(jié)構(gòu)需求的增加，普通混凝土自重大的缺點也日益明顯，限制了混凝土結(jié)構(gòu)在高層建筑、大跨度橋梁、海洋浮式采油平臺等結(jié)構(gòu)物中的應(yīng)用，因此發(fā)展輕集料混凝土就變得尤為樂觀，但是目前針對現(xiàn)有的研究還未完全。本文運用分形理論連接材料微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的橋梁作用，研究輕骨料的粒徑分形和級配分形特征，為研究輕骨料混凝土的宏觀的不確定性、不規(guī)則性、模糊性、非線性性能，提供了一種有效的方法。

2. 試驗原料與方法

2.1原材料試驗

粗骨料：吉林省長白山地區(qū)浮石輕集料，其物理性能見表1；

2.2 輕骨料篩分試驗結(jié)果

本試驗對輕骨料試樣進行烘干，采用四分法取3450g骨料，進行篩分。標準篩為：26.5、19、16、9.5、4.75、2.36mm方孔篩。統(tǒng)計篩分試驗的各試樣篩余質(zhì)量，試驗結(jié)果見表2：

3. 試驗結(jié)果分析

1）粒徑隨分形維數(shù)的變化

輕骨料本身形狀的不規(guī)則性，使得輕骨料顆粒表面構(gòu)成一種分形特征，當不同尺寸的骨料混合后，代表骨料尺寸的粒徑分布構(gòu)成了一種分形。通過篩分及統(tǒng)計試驗，利用骨料粒徑的分形模型，可得出試驗采用的浮石輕骨料的粒徑分形維數(shù)，浮石輕骨料粒徑分布具有明顯的相似性，所以浮石輕骨料粒徑分布存在明顯的分形行為。而且在2.09～2.47粒徑分形維數(shù)范圍內(nèi)，隨著分形維數(shù)變大，骨料粒徑的分形行為越明顯。

2）浮石輕骨料級配分形特征分析

從表3各試樣的篩余質(zhì)量變化結(jié)果可以看出，試驗采用骨料粒徑主要分布在26.5～2.36，隨分維數(shù)增加，粒徑較大的骨料質(zhì)量減少，即大骨料所占的百分比減少，較小粒徑所占百分比增加，說明骨料級配向細的方向發(fā)展。

顆粒內(nèi)部缺陷，粒徑越大，缺陷存在的幾率就越大；集料界面的粘結(jié)強度，粒徑越大，粘結(jié)強度越低；集料在混凝土拌合物中的運動速度，粒徑越大，下沉速度越快，造成混凝土內(nèi)部不均勻，從而降低混凝土強度，特別是大流動性混凝土更加明顯。但粒徑太小又會造成集料比表面積增大，空隙率增加，或者由于細顆粒引入粉塵，反而降低混凝土強度。

4. 結(jié)論

1）浮石輕骨料粒徑分維數(shù)愈大，顆粒數(shù)目越多，骨料破碎程度愈大；骨料級配分維數(shù)在2.5左右，骨料級配較理想；級配分維數(shù)在2.0左右，骨料級配表現(xiàn)出間斷特征，而大于2.6，骨料級配表現(xiàn)明顯細化。

2）用骨料分維數(shù)來定量描述輕骨料級配，能夠有效的控制輕骨料混凝土的級配，為研究骨料級配對輕骨料混凝土強度影響打下基礎(chǔ)不同纖維摻量的浮石輕骨料混凝土試驗結(jié)果表明輕骨料混凝土強度隨著纖維摻量的增加有所降低，纖維的加入，對提高混凝土抗壓強度毫無貢獻。