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域，為深入揭示浮石輕骨料復雜性本質提供有效途徑。結果表明： 浮石輕骨料粒徑和級配存在明顯的分形現象，用骨料分維數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，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域中的應用。隨著現代土木工程結構日益朝著高聳、大跨、重載的方向發展，以及建造各種新型特種結構需求的增加，普通混凝土自重大的缺點也日益明顯，限制了混凝土結構在高層建筑、大跨度橋梁、海洋浮式采油平臺等結構物中的應用，因此發展輕集料混凝土就變得尤為樂觀，但是目前針對現有的研究還未完全。本文運用分形理論連接材料微觀結構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：吉林省長白山地區浮石輕集料，其物理性能見表1；

2.2 輕骨料篩分試驗結果

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。統計篩分試驗的各試樣篩余質量，試驗結果見表2：

3. 試驗結果分析

1）粒徑隨分形維數的變化

輕骨料本身形狀的不規則性，使得輕骨料顆粒表面構成一種分形特征，當不同尺寸的骨料混合后，代表骨料尺寸的粒徑分布構成了一種分形。通過篩分及統計試驗，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，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粒徑分形維數范圍內，隨著分形維數變大，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各試樣的篩余質量變化結果可以看出，試驗采用骨料粒徑主要分布在26.5～2.36，隨分維數增加，粒徑較大的骨料質量減少，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展。

顆粒內部缺陷，粒徑越大，缺陷存在的幾率就越大；集料界面的粘結強度，粒徑越大，粘結強度越低；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. 結論

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

2）用骨料分維數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不同纖維摻量的浮石輕骨料混凝土試驗結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。