水泥基材料微观孔隙分形特征与抗压强度关系的试验研究

摘要

孔隙结构是影响水泥砂浆和混凝土强度的主要因素，研究学者曾对强度与孔隙结构之间的关系进行过大量的试验研究。最初，孔隙度是许多研究人员确定的用于保持水泥基材料强度均匀性所需考虑的唯一因素，但随着研究的发展，发现孔径分布对强度也有显著的影响。虽有研究学者对孔结构不同表征参数与抗压强度之间的关系进行过探讨，然而，这些表征孔隙尺寸分布的参数模型目前仍然不能够精确的模拟强度和孔隙结构之间的关系。因此，许多研究者致力于通过不同的方法挖掘强度与孔径分布之间的关系。为了提高微观孔结构与强度模型的可靠性，本研究课题从水泥净浆为着手点，分析抗压强度演变规律以及微观孔结构变化特征，并由微观孔结构特征解释抗压强度的经时演变规律，建立微观孔结构表征参数（孔隙率、平均孔径、分形维数）与抗压强度之间的关系并拟合回归方程，经分析比较选取最优孔结构表征参数来更有效、准确地描述水泥基材料中微观孔结构特征与抗压强度之间的大小分布规律。此外，再通过对10种不同强度等级混凝土微观孔结构特征和抗压强度进行分析，进一步分析验证水泥净浆中的结论。通过比较分析，得出水泥基材料孔结构分布特征与抗压强度之间更精确有力的关系模型。 研究结果表明： （1）水泥净浆与混凝土中，孔隙率和平均孔径都与分形维数呈现良好的负相关性，分形维数越大，空间中微孔数量越多。因此，孔体积分形维数可以被认为是孔形以及孔结构空间分布的综合参量，对于不同孔结构参数而言，孔体积分形维数更能精确的体现孔结构特征。 （2）根据各孔隙率、平均孔径、分形维数与抗压强度之间的回归关系式，发现孔隙率、平均孔径和分形维数都与抗压强度呈现幂指数函数的关系，相比前两者，分形维数与抗压强度有更好的相关性。因此，分形维数更能精确的表征孔结构特征与抗压强度之间的关系。 （3）水泥净浆与混凝土中孔体积分形维数与抗压强度均呈现正相关的关系，分形维数随着抗压强度的提高而变大，均符合幂函数关系式σ=aDb，其中，σ为抗压强度，D为分形维数，a，b为回归参数，在水泥净浆中分别为0.0548，6.3847，在混凝土中分别为6.9153，5.1554。 由此可见，实际工程中水泥基材料中孔体积分形维数可以通过计算材料中孔体积分形维数的大小来推测抗压强度的大小。

目录

声明

1前 言

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 水泥基材料孔隙结构分类

1.2.2 分形几何学概述

1.2.3 分形理论的发展

1.2.4 分形几何的应用现状

1.2.5 孔结构表征参数与强度关系的研究现状

1.2.6 目前存在问题

1.3 研究内容

1.4 技术路线

2 材料与方法

2.1 引言

2.2 试件的制备

2.1.1 试件所用原材料

2.1.2 试件材料配合比设计

2.1.3 试验主要仪器设备

2.1.4 试件成型及养护

2.3 孔隙结构测试方法

2.3.1 试验仪器

2.3.2 试样准备

2.3.3 测试方法

2.3.4 数据处理

2.4 强度测试

2.4.1 仪器设备

2.4.2 试样准备

2.4.3 测试方法

3 结果与分析

3.1 引言

3.2 水泥净浆中微观孔结构测试结果与分析

3.2.1 总孔体积与最可几孔径的结果与分析

3.2.2 孔级配分布的结果与分析

3.2.3 孔隙率与平均孔径的结果分析

3.2.4 孔体积分形维数的结果分析

3.2.5 孔体积分形维数与孔隙率、平均孔径之间的关系分析

3.3 水泥净浆中抗压强度测试的结果与分析

3.4 水泥净浆中不同孔表征参数与抗压强度之间的关系

3.4.1 孔隙率与抗压强度之间的关系分析

3.4.2 平均孔径与抗压强度之间的关系分析

3.4.3 孔体积分形维数与抗压强度之间的关系分析

3.4.4 孔体积分形维数、孔隙率和平均孔径与抗压强度之间关系的比较分析

3.5 混凝土中微观孔结构测试结果与分析

3.5.1 总孔体积与最可几孔径的结果与分析

3.5.2 孔级配分布的结果与分析

3.5.3 孔隙率与平均孔径的结果与分析

3.5.4 孔体积分形维数的结果与分析

3.5.5 孔体积分形维数与孔隙率、平均孔径之间的关系分析

3.6 混凝土中抗压强度测试的结果与分析

3.7 混凝土中不同孔表征参数与抗压强度之间的关系

3.7.1 孔隙率与抗压强度之间的关系分析

3.7.2 平均孔径与抗压强度之间的关系分析

3.7.3 孔体积分形维数与抗压强度之间的关系分析

3.7.4 孔体积分形维数、孔隙率和平均孔径与抗压强度关系的比较分析

3.8 水泥净浆及混凝土分形维数与抗压强度关系的比较分析

4 讨论

4.1 水泥基材料孔体积分形维数合理范围的分析讨论

4.2 水泥基材料孔体积分形维数与抗压强度关系计算模型初参设计的分析讨论

4.3 创新性研究结果

4.4 不足与展望

5 结论

参考文献

致谢

8 攻读学位期间发表论文情况