石灰石粉粒度分布分形维数对性能影响.doc

精品文档石灰石粉粒度分布分形维数对性能影响* 基金项目：河北省建设科技研究资助项目（2016-104）,河北省科技支撑项目（13211213D）。 张广田1 沈兴志2 任聪伟3 韩洪伟1（1河北建研科技有限公司，石家庄050021;2珠海欧美克仪器有限公司，珠海 519085；3河北建研工程科技有限公司，石家庄050021）摘要：测试6种石灰石粉的粒度分布，然后分别计算粒度分布的分形维数，研究了不同分形维数对比表面积，中值粒径、RR-B值的影响，并用总质量20%的石灰石粉取代水泥，研究分形维数对净浆流动度，3、7、28d胶砂强度值的影响，结果显示分形维数对于石灰石粉的比表面积，中值粒径，RR-B值有良好的线性关系。分形维数对净浆流动度成二次函数关系，在2.1-2.2之间有最大值。3、7、28d胶砂强度值均与分形维数成线性关系，分形维数越大，强度越高。关键词：分形维数；石灰石粉；流动度；胶砂强度中图分类号：TU525 文献标示码：AEffect of fractal dimension of limestone powder particle size distribution on propertiesZhang-Guangtian1 Shen-Xingzhi2 Ren-Congwei3 Han-Hongwei1（1Hebei Institute of Technology Co., Ltd., ShiJiaZhuang, 050021 ，China2 Zhuhai OMEC Instruments Co., Ltd., Zhuhai, 519085, China；3 Hebei Institute Engineering Technology Co., Ltd.,ShiJiaZhuang 050021，China）Abstract: Test of 6 kinds of lime stone powder particle size distribution were calculated and the fractal dimension of particle size distribution, different fractal dimension the correlation between surface area, median grain diameter rr-b value, influence and 20% of the total mass of limestone powder replacing cement was studied. The research includes dimension on fluidity of cement paste, 3, 7, 28d mortar strength value. The results showed that fractal dimension for limestone powder specific surface area, median grain diameter and RR-B value has a good linear relationship. The fractal dimension has a quadratic functi with the degree of the fluidity of the slurry, and the maximum value is between 2.1-2.2. 3, 7, 28d mortar strength value and fractal dimension into a linear relationship, the greater the fractal dimension, the higher the strength.Keywords: fractal dimension; limestone; fluidity; mortar strength 0 引言掺合料作为混凝土的重要组分，不仅可以减少水泥的用量，在一定程度上改善混凝土的性能，还可以保护环境，减少废弃物的存在。但是随着我国交通、水利基础设与民用建筑行业的发展，混凝土的需求量越来越大，优质粉煤灰和矿粉大量被利用，造成了一定的短缺，如果远距离运输优质掺合料，不仅对工期造成影响还会对极大的增加工程的成本，因此就近选择一种优质的矿物掺合料，具有重大的意义。石灰石粉可以利用石料厂的碎石和机制砂的碎屑磨细而成，具有良好的粉磨性能，取材方便，低的需水量比的特性。用在混凝土中可以起到一定的减水作用和填充作用。北京建筑大学宋少民1教授利用超细石灰石粉掺加到混凝土中，发现石灰石粉对混凝土有一定的减水作用，和一级粉煤灰的减水作用相近，并且对混凝土的强度影响不大。中国建筑科学研究院的周永祥2研究发现：在制备C30 混凝土时候，用20% 的石灰石粉取代粉煤灰，混凝土的抗压强度、 抗碳化性能、 抗冻性能不会降低，但是石灰石粉掺量在 50% 时，会大幅度降低混凝土的抗冻性能和抗氯离子渗透性能。虽然现在对于石灰石粉在混凝土中应用较多，但是，粉体的粒度分布往往对粉体的物理于化学作用产生较大的影响，不同粒度分布的石灰石粉会导致在相同石灰石粉在相同掺量的时候，性能也发生较大变化，并且有关石灰石粉粒度分布对性能研究的尚较少有报道。1982年Mandelbrot提出了分形维数理论，后来Niklasson GA研究了分形维数理论在建筑材料中使用的优缺点，并指出这种方法具有良好的相关性。本文在前期的研究基础上，利用分形维数理论研究了6种不同粒度分布的石灰石粉，对石灰石粉比表面积，需水量比，胶砂强度的影响，并对分形维数与上述性能进行了相关性研究，为石灰石粉在混凝土工程深入应用提供一定的借鉴与参考。1 试验1.1试验原材料水泥：鼎鑫牌普通硅酸盐水泥（P.O 42.5），鹿泉金隅鼎鑫水泥有限公司，主要物理指标见表1，主要化学成分见表2。砂子： ISO标准砂。 水：自来水。减水剂：自制的聚羧酸减水剂，固含量为20%，减水率为25%。石灰石粉：利用河北正定石灰石粉磨而成，主要的化学成分见表2。66欢迎下载6欢迎下载6欢迎下载6欢迎下载。 水泥的主要物理性能指标 表1 比表面积/（m2/kg）安定性初凝时间/min终凝时间/min标准稠度用水量/%抗压强度抗折强度3d28d3d28d320合格6573329.219.5MPa45MPa4.5MPa8.6MPa原材料的主要化学成分 表2 材料种类Al2O3CaOSiO2Fe2O3MgOSO3烧失量水泥4.4562.1022.032.154.192.132.47石灰石粉0.1132.00.512.1321.80.1445.721.2 主要的试验方法1.2.1 石灰石粉的粒度测试与图像分析（1）采用珠海欧美克公司的LS-POP（9）激光粒度分析仪，湿法循环分散进样方式对6种粒度不同的石灰石粉的粒度分布特征值与比表面积进行了测试。（2）用欧美克PIP8.1颗粒度图像分析仪对石灰石粉的颗粒形态进行了分析。1.2.2 不同分形维数石灰石粉对净浆流动度，胶砂强度的影响（1）利用国标GB/T2149-2005的方法对6种不同分形维数的石灰石粉进行需水量比的测试。（2）用6种不同分形维数的石灰石粉按总质量的20%等量取代水泥，利用GB/T8077-2012中净浆流动度的方法测试复合胶凝材料的流动度，减水剂的掺量为胶凝材料质量的1%，加水量为87g。（3）用6种不同分形维数的石灰石粉按总质量的20%等量取代水泥，利用GB/T 17671-1999的方法测试3d，7d，28d的胶砂强度。2 实验结果及分析2.1六种石灰石粉的粒度分布与粒度形态分析 利用欧美克激光粒度仪分析，得出的6种样品的粒径区间分布和累积分布图，如图1、图2所示，可以看出，选取的6种石灰石的粒径分布的特征值和分布宽度各有差异。粉磨样品的分布宽度一般用R-R模型的均匀性系数N表示，分布越宽的样品其N值也越大。6种样品的分布宽度从大到小依次为Y4、Y6、Y1、Y5、Y2、Y3，对应地各个样品的R-R特征粒径De也有相对应的变化趋势。图4是利用欧美克公司的颗粒度图像分析仪测试出的6种样品对应的显微图像结果，可以看到样品Y4、Y6、Y1、Y5、Y2、Y3依次大颗粒的含量逐次减少，典型颗粒粒径也越来越小，其与激光粒度仪测试结果相互对应。六种石灰石粉粒度特征粒径及分布宽度结果 表1样品DeNY19.34102610.863Y24.66488651.517Y33.01399511.596Y416.3690620.787Y57.80996961.204Y610.920020.8792.2粒度分形维数的简介与计算 分形是指整体中组成的各个部分的形态，以某种方式与整体相似。郁可、郑中山等研究发现大量粉体材料的粒度分布都具分形结构3。满足公式1 （公式1）公式1中，S(x) 为粒度累积分布函数；D为颗粒群粒度分布的分形维数，为一无量纲量；k为常数；x为颗粒粒径；X为颗粒最大粒径。对公式1两边取对数得出公式2：lgS(x)=lgk+(3-D)(lgx-lgX) （公式2）可以看出公式2为一个线性方程，令公式中斜率 3-D =K , K 为常数 , 则分形维数D： D=3-K （公式3）利用公式1-3可以计算出石灰粉的粒度分形维数，现在样品Y4为例，计算其粒度分形维数。样品Y4的粒径为x，粒径区间累计分布为S（x），对x、S(x)取对数，其中lgx作为横坐标，lgS（x）为纵坐标，采用最小二乘法进行拟合，可以得出lgx和lgS(x)之间的线性方程y=0.9124x+0.8469，见图3。相关系数R为0.9770,分形维数D=3-K=3-0.9124=2.0876。同理利用上述方法可以求出其他样品粒度分布的分形分形维数，见表3.可以看出，粉体颗粒的粒度越细，颗粒的粒度分形维数越大，这是由于细颗粒的增加，会是颗粒整体的形态组成更加复杂，分形维数就会越大。样品Y1-Y6的拟合方程的相关系数R都在0.96-0.98之间,相关性良好。 图3 样品Y4粒度线性拟合方程和相关系数图2 样品区间粒径累计分布图图1 样品区间粒径分布图 Y1Y4Y6Y3Y2Y5图4 6种石灰石样品的显微图像图4 6种石灰石样品的显微图像六种石灰石粉粒度分形维数和相应回归方程 表3样品回归方程相关系数R分形维数DY1y=0.9026x+1.26530.96132.0974Y2y=0.6818x+1.01070.97732.3182Y3y=0.6533x+1.10250.98092.3467Y4y=1.0324x+0.96840.97421.9676Y5y=0.8947x+0.88370.96702.1053Y6y=0.9124x+0.84690.97702.08762.2不同分形维数石灰石粉比的粒度特征值与表面积六种石灰石粉粒度特征值与比表面积 表4样品RR-B值中值粒径D50/m比表面积/(m2kg-1)Y10.1108066.5671848.01Y20.1453954.1432394.64Y30.1719052.4812649.78Y40.08418810.4031618.58Y50.1222936.0752052.56Y60.0966877.871809.72图7 分形维数与RR-B的关系图6 分形维数与中值粒径的关系图5 分形维数与比表面积的关系2.3不同分形维数石灰石粉对净浆流动度的影响 表5是不同石灰石粉粒度分布分形维数对净浆流动度与胶砂强度的结果,随着分形维数的增大,净浆的流动度不断增大,但是增大到210mm后,逐渐下降,从图8中可以看出,分形维数和净浆流动度之间成二次函数的关系,在分形维数2.1-2.2之间有最大值。这是由于随着石灰石粉的细度小于水泥的细度，在一定范围之内，石灰石粉可以填充到水泥颗粒之间的空隙里，使得体系具有较好的粒度组成比例，另外由于石灰石粉具有一定的减水作用，使得净浆流动度随着分形维数的增加而增加，但是分形维数增加到一定值之后，由于细颗粒的含量越来越多，导致比表面积也越来越大，石灰石粉颗粒由于比表面积的增大，吸附的水量较多，导致净浆流动度降低。2.4不同分形维数石灰石粉对胶砂强度的影响从表5和图9中可以得出胶砂强度值随着石灰石粉粒度分形维数的增大而增大，分形维数与3、7、28d强度值均呈现出良好的线性相关关系，相关系数R在0.94-0.99间。分形维数与3d强度直线的斜率是8.1887，与28d强度直线的斜率为6.1022，说明石灰石粉的粒度分形维数对3d强度的影响大于28d强度。这是由于极细石灰石粉在水泥早期水化的过程中起到了晶核的作用，这种晶核为水化过程中Ca(OH)2与水化硅酸钙的产生起到了重要的作用，对C3S的水化起到了加速作用，由于水泥中的C3S的水化，产生大量的Ca2+,石灰石粉颗粒会对扩散到其表面的钙离子大量吸附，导致C3S附近的钙离子浓度降低，加速了水化过程，为早期强度的提高起到了促进作用4。另外石灰石粉可以和铝酸三钙其反应，生成水化碳硫铝酸钙，这种水化产物对早期强度的提高也有促进作用。由于石灰石粉的颗粒粒径小于水泥颗粒的粒径，填充在水泥颗粒形成的空隙中，使得胶砂结构更加密实5-6，强度增加。最后，分形维数越大，细颗粒含量会越高，石灰石粉的表面能越高，吸附作用越强，导致其对强度增加的作用越显著，因此分形维数越大，胶砂强度也不断增加。石灰石粉粒度分形维数对需水量比与胶砂强度影响 表5样品流动度/mm3d/MPa7d/MPa28d/MPaY419513.721.236.9Y620514.321.937.5Y120914.522.537.6Y5210152337.9Y220015.523.739.2Y319015.72439.6图9 分形维数与胶砂强度的关系