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摘要：为探究粉煤灰对混凝土孔结构与抗压强度的影响，利用压汞分析了粉煤灰的掺量及粒径分布对混凝土分级孔径孔隙率和抗压强度的影响。研究表明：在同龄期同粉煤灰掺量下，随着粉煤灰粒径的减小混凝土孔隙率逐渐降低，多害孔、有害孔逐渐减少，无害孔和少害孔逐渐增加，同时通过对混凝土各孔级分孔隙率分形维数计算，发现混凝土孔隙体积分形维数与抗压强度之间有比较好的相关性。
关键词：混凝土；粉煤灰；抗压强度；分形维数
Effect of fly ash admixture on the structure and strength of concrete hole
Zhao AomingWang ZhihuaYang XiaolinZhang BinbinZha Qinxiong
School of Civil EngineeringQinghai UniversityQinghaiXining 810016
Abstract：In order to explore the influence of fly ash on the pore structure and compressive strength of concrete， the influence of fly ash content and particle size distribution on the graded pore size and porosity and compressive strength of concrete was analyzed by mercury intrusion analysis. The results show that： in the same age with fly ash， with the decrease of the particle size of fly ash concrete porosity decreased gradually， and many holes and harmful pores gradually reduced， and less harmful and harmless pore hole increases gradually， and through the calculation of concrete of the hole fraction porosity fractal dimension， a better correlation between the concrete pore volume fractal dimension and compressive strength.
Key words：Concrete； fly ash； compressive strength； fractal dimension
1 原材料及试验方法
1.1 原材料
（1）水泥：青海水泥股份有限公司生产的42.5普通硅酸盐水泥，比表面积380m2/kg。
（2）骨料：碎石，5～20mm 连续级配；砂： 细度模数为 2.7 的中砂。
（3）减水剂：减水率18%25% 。
（4）粉煤灰：一级粉煤灰。
1.2 试验方法
（1）制备不同粒径的粉煤灰。以粉煤灰研磨时间为控制指标，用球磨仪制备不同粒径的粉煤灰[13]。然后利用激光粒度仪测试各自的粒径范围，其结果见表1。
（2）试验配合比。采用标准养护，试件尺寸 100 mm × 100 mm × 100 mm，粉煤灰等量替代水泥的比例为 16% 、18% 、20%。水灰比为0.42，试验用混凝土配合比见表 2。
（3）压汞试验试件的制备。将养护至7d龄期的混凝土试块，在试块中心部分取直径 3～5 mm 不含石子的砼碎块，放置于无水乙醇中浸泡48小时，然后在烘箱中不间断烘干24h，烘干温度105℃。最后放入压汞仪器中进行MIP压汞试验[48]。
2 试验结果与分析
2.1 不同龄期混凝土强度与粉煤灰掺量的关系
以粉煤灰粒径为F0的混凝土为例，试验组粉煤灰取代量为16%～20%，龄期为3d、7d、28d砼抗压强度测试结果如表3，掺量和强度关系见图1。
由图1可知，粉煤灰的掺入对混凝土早期强度有一定影响。粉煤灰取代量为15%的砼在养护龄期为3d、7d的抗压强度平均值分别下降了5.2MPa和3.7MPa，强度百分率分别下降了17.1%和10.4%，可见混凝土早期抗壓强度随着粉煤灰的加入有一定下降[9]，粉煤灰掺量为15%的砼抗压强度较大，掺量为20%的砼抗压强度相对较小。
2.2 不同龄期混凝土抗压强度与粉煤灰粒径分布的关系
当粉煤灰掺量为15%时，砼抗压强度相对较大，能较好凸显粉煤灰粒径分布对砼抗压强度的影响，为进一步探究其关系，选取粉煤灰粒径大小为F0、F1、F2，掺量为15%三种砼，测试其龄期为3d、7d、28d的抗压强度，测试结果如图2所示。
由图2可见，养护龄期与砼的抗压强度大致成正比关系。在试件养护早期，粉煤灰粒径较小的试验组抗压强度在一定程度上高于对照组的抗压强度，在养护后期，两者抗压强度极为接近。养护龄期7d时，粒径F2的粉煤灰所对应砼抗压强度相比粒径F0、F1粉煤灰所对应砼抗压强度分别增长19MPa、1.4MPa，强度增长率分别为5.9%、4.3%；而在养护龄期为28d时粒径F2粉煤灰对应的砼抗压强度相比粒径F0、F1粉煤灰对应的砼抗压强度分别增长0.8MPa、0.4MPa，强度增长率分别为1.8%、0.9%。
2.3 不同粒径分布不同掺量粉煤灰对混凝土孔隙分形维数的影响 不同粉煤灰掺量和粒径分布与砼孔隙分形维数计算结果如表4。
由图3可见，当粉煤灰粒度相同时，随着粉煤灰掺量的逐渐增加，混凝土孔隙分形维数随之逐渐减小，当粉煤灰掺量为20%时混凝土孔隙分形维数最小；当粉煤灰掺量一定时，随着粉煤灰粒径的减小混凝土孔隙分形维数呈递增趋势。同时，由于粒径的减小，其比表面积和化学活性增大，提升了二次水化反应的速率，因此，单位时间内生成更多的水化产物，从而达到细化孔径，使混凝土孔隙率降低，孔隙分形维数增大。
2.4 混凝土孔隙分形维数对抗压强度的影响
大量学者的研究证明[1012]，混凝土的抗压强度高低不仅与孔径尺寸大小有关，孔隙率对混凝土的抗压强度有着决定性的影响作用，于此同时孔隙分形维数对混凝土的抗压强度也有一定影响。混凝土抗压强度和孔隙分形维数如表5所示。
由表5 可以看出，混凝土抗压强度越大其对应的孔隙分形维数就越大。这是因为孔隙率是决定混凝土材料强度的主要因素，孔隙率越小，孔隙分形维数随之越大，混凝土抗压强度也就越大。
3 结论
（1）粉煤灰的加入对混凝土早期抗压强度具有一定的削弱作用。
（2）养护的龄期越长，混凝土的抗压强度越大。
（3）当粉煤灰掺量相同时，随着粉煤灰粒径的减小（研磨时间越长）少害孔、有害孔及多害孔的分级孔隙率均减小，无害孔分级孔隙率增加，孔径分布得到较好优化；当粉煤灰粒径相同时（研磨时间相同），随着粉煤灰掺量的增加，少害孔、有害孔及多害孔的分孔隙率增加。
（4）当粉煤灰粒度相同时，随着粉煤灰掺量的增加混凝土孔隙分形维数逐渐减小，粉煤灰掺量为20%时混凝土孔隙分形维数最小；当掺量一定时，随着粉煤灰粒径的减小混凝土孔隙分形维数呈递增趋势，同时混凝土抗压强度越大其对应的孔隙分形维数就越大，抗压强度与孔隙分形维数呈正相关关系。
参考文献：
[1]周立霞，王起才.建筑材料学报[J].颗粒细度与粉煤灰水泥胶砂性能的关系，2007：56.
[2]唐明，李晓.多种因素对混凝土孔结构分形特征的影响研究[J].沈阳建筑大学学报：自然科学版，2005，21（3）：232237.
[3]郭伟，秦鸿根，陈惠苏.分形理论及其在混凝土材料研究中的应用[J].硅酸盐学报，2010，38（7）：13621368.
[4]Mandeibrot B B.The Fractal Geometry of Nature[M]. New York： Freeman，1982： 117.
[5]冯乃谦.高性能混凝土[M].北京：中国建筑工业出版社，1996：311325.
[6]夏春，刘浩吾.混凝土细骨料级配的分形特征研究[J].西南交通大学学报，2002，37（25）：186189.
[7]王谦源，胡京爽.混凝土集料级配与分形[J].青岛建筑工程学院学报，1997，（3）：9399.
[8]ASTM Designation ：C 671 94，Standard test method for criticaldiation of concrete specimens subjected to freezing.
[9]李红奇，郑剑之.粉煤灰的粒径及掺量对高性能混凝土强度的影响[J].北方交通，2015（8）：2225.
[10]孟慶超.混凝土耐久性与孔结构影响因素的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学学位论文，2006.
[11]唐明，陈哲，杨帆.C50泵送混凝土孔隙分形与氯离子渗透特征[J].混凝土，2010，（4）：9295.
[12]Shah S P， Wang K， Weiss J. Mixture proportioning for durable concrete[J].Concrete International，2000，（9）： 7378.
基金：青海省科技项目（项目编号：2014HZ822；2016ZJ721）；青海大学中青年科研基金（项目编号：2013QGY2）
作者简介：赵傲铭（1990），河南通许人，青海大学。
关键词：混凝土；粉煤灰；抗压强度；分形维数
Effect of fly ash admixture on the structure and strength of concrete hole
Zhao AomingWang ZhihuaYang XiaolinZhang BinbinZha Qinxiong
School of Civil EngineeringQinghai UniversityQinghaiXining 810016
Abstract：In order to explore the influence of fly ash on the pore structure and compressive strength of concrete， the influence of fly ash content and particle size distribution on the graded pore size and porosity and compressive strength of concrete was analyzed by mercury intrusion analysis. The results show that： in the same age with fly ash， with the decrease of the particle size of fly ash concrete porosity decreased gradually， and many holes and harmful pores gradually reduced， and less harmful and harmless pore hole increases gradually， and through the calculation of concrete of the hole fraction porosity fractal dimension， a better correlation between the concrete pore volume fractal dimension and compressive strength.
Key words：Concrete； fly ash； compressive strength； fractal dimension
1 原材料及试验方法
1.1 原材料
（1）水泥：青海水泥股份有限公司生产的42.5普通硅酸盐水泥，比表面积380m2/kg。
（2）骨料：碎石，5～20mm 连续级配；砂： 细度模数为 2.7 的中砂。
（3）减水剂：减水率18%25% 。
（4）粉煤灰：一级粉煤灰。
1.2 试验方法
（1）制备不同粒径的粉煤灰。以粉煤灰研磨时间为控制指标，用球磨仪制备不同粒径的粉煤灰[13]。然后利用激光粒度仪测试各自的粒径范围，其结果见表1。
（2）试验配合比。采用标准养护，试件尺寸 100 mm × 100 mm × 100 mm，粉煤灰等量替代水泥的比例为 16% 、18% 、20%。水灰比为0.42，试验用混凝土配合比见表 2。
（3）压汞试验试件的制备。将养护至7d龄期的混凝土试块，在试块中心部分取直径 3～5 mm 不含石子的砼碎块，放置于无水乙醇中浸泡48小时，然后在烘箱中不间断烘干24h，烘干温度105℃。最后放入压汞仪器中进行MIP压汞试验[48]。
2 试验结果与分析
2.1 不同龄期混凝土强度与粉煤灰掺量的关系
以粉煤灰粒径为F0的混凝土为例，试验组粉煤灰取代量为16%～20%，龄期为3d、7d、28d砼抗压强度测试结果如表3，掺量和强度关系见图1。
由图1可知，粉煤灰的掺入对混凝土早期强度有一定影响。粉煤灰取代量为15%的砼在养护龄期为3d、7d的抗压强度平均值分别下降了5.2MPa和3.7MPa，强度百分率分别下降了17.1%和10.4%，可见混凝土早期抗壓强度随着粉煤灰的加入有一定下降[9]，粉煤灰掺量为15%的砼抗压强度较大，掺量为20%的砼抗压强度相对较小。
2.2 不同龄期混凝土抗压强度与粉煤灰粒径分布的关系
当粉煤灰掺量为15%时，砼抗压强度相对较大，能较好凸显粉煤灰粒径分布对砼抗压强度的影响，为进一步探究其关系，选取粉煤灰粒径大小为F0、F1、F2，掺量为15%三种砼，测试其龄期为3d、7d、28d的抗压强度，测试结果如图2所示。
由图2可见，养护龄期与砼的抗压强度大致成正比关系。在试件养护早期，粉煤灰粒径较小的试验组抗压强度在一定程度上高于对照组的抗压强度，在养护后期，两者抗压强度极为接近。养护龄期7d时，粒径F2的粉煤灰所对应砼抗压强度相比粒径F0、F1粉煤灰所对应砼抗压强度分别增长19MPa、1.4MPa，强度增长率分别为5.9%、4.3%；而在养护龄期为28d时粒径F2粉煤灰对应的砼抗压强度相比粒径F0、F1粉煤灰对应的砼抗压强度分别增长0.8MPa、0.4MPa，强度增长率分别为1.8%、0.9%。
2.3 不同粒径分布不同掺量粉煤灰对混凝土孔隙分形维数的影响 不同粉煤灰掺量和粒径分布与砼孔隙分形维数计算结果如表4。
由图3可见，当粉煤灰粒度相同时，随着粉煤灰掺量的逐渐增加，混凝土孔隙分形维数随之逐渐减小，当粉煤灰掺量为20%时混凝土孔隙分形维数最小；当粉煤灰掺量一定时，随着粉煤灰粒径的减小混凝土孔隙分形维数呈递增趋势。同时，由于粒径的减小，其比表面积和化学活性增大，提升了二次水化反应的速率，因此，单位时间内生成更多的水化产物，从而达到细化孔径，使混凝土孔隙率降低，孔隙分形维数增大。
2.4 混凝土孔隙分形维数对抗压强度的影响
大量学者的研究证明[1012]，混凝土的抗压强度高低不仅与孔径尺寸大小有关，孔隙率对混凝土的抗压强度有着决定性的影响作用，于此同时孔隙分形维数对混凝土的抗压强度也有一定影响。混凝土抗压强度和孔隙分形维数如表5所示。
由表5 可以看出，混凝土抗压强度越大其对应的孔隙分形维数就越大。这是因为孔隙率是决定混凝土材料强度的主要因素，孔隙率越小，孔隙分形维数随之越大，混凝土抗压强度也就越大。
3 结论
（1）粉煤灰的加入对混凝土早期抗压强度具有一定的削弱作用。
（2）养护的龄期越长，混凝土的抗压强度越大。
（3）当粉煤灰掺量相同时，随着粉煤灰粒径的减小（研磨时间越长）少害孔、有害孔及多害孔的分级孔隙率均减小，无害孔分级孔隙率增加，孔径分布得到较好优化；当粉煤灰粒径相同时（研磨时间相同），随着粉煤灰掺量的增加，少害孔、有害孔及多害孔的分孔隙率增加。
（4）当粉煤灰粒度相同时，随着粉煤灰掺量的增加混凝土孔隙分形维数逐渐减小，粉煤灰掺量为20%时混凝土孔隙分形维数最小；当掺量一定时，随着粉煤灰粒径的减小混凝土孔隙分形维数呈递增趋势，同时混凝土抗压强度越大其对应的孔隙分形维数就越大，抗压强度与孔隙分形维数呈正相关关系。
参考文献：
[1]周立霞，王起才.建筑材料学报[J].颗粒细度与粉煤灰水泥胶砂性能的关系，2007：56.
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[3]郭伟，秦鸿根，陈惠苏.分形理论及其在混凝土材料研究中的应用[J].硅酸盐学报，2010，38（7）：13621368.
[4]Mandeibrot B B.The Fractal Geometry of Nature[M]. New York： Freeman，1982： 117.
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[6]夏春，刘浩吾.混凝土细骨料级配的分形特征研究[J].西南交通大学学报，2002，37（25）：186189.
[7]王谦源，胡京爽.混凝土集料级配与分形[J].青岛建筑工程学院学报，1997，（3）：9399.
[8]ASTM Designation ：C 671 94，Standard test method for criticaldiation of concrete specimens subjected to freezing.
[9]李红奇，郑剑之.粉煤灰的粒径及掺量对高性能混凝土强度的影响[J].北方交通，2015（8）：2225.
[10]孟慶超.混凝土耐久性与孔结构影响因素的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学学位论文，2006.
[11]唐明，陈哲，杨帆.C50泵送混凝土孔隙分形与氯离子渗透特征[J].混凝土，2010，（4）：9295.
[12]Shah S P， Wang K， Weiss J. Mixture proportioning for durable concrete[J].Concrete International，2000，（9）： 7378.
基金：青海省科技项目（项目编号：2014HZ822；2016ZJ721）；青海大学中青年科研基金（项目编号：2013QGY2）
作者简介：赵傲铭（1990），河南通许人，青海大学。