浮石轻骨料粒径分形特征研究

温永钦 崔亚平

【摘 要】本文通过对浮石骨料的分形研究，把分形几何学原理引入混凝土浮石轻骨料研究领域，为深入揭示浮石轻骨料复杂性本质提供有效途径。结果表明： 浮石轻骨料粒径和级配存在明显的分形现象，用骨料分维数来定量描述轻骨料级配，能够有效的控制轻骨料混凝土的级配。

【关键词】浮石轻骨料；分形；级配；粒径

1. 引言

在 21 世纪以至更长的时期内，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、保温隔热性能差等缺点，影響了它在某些工程领域中的应用。随着现代土木工程结构日益朝着高耸、大跨、重载的方向发展，以及建造各种新型特种结构需求的增加，普通混凝土自重大的缺点也日益明显，限制了混凝土结构在高层建筑、大跨度桥梁、海洋浮式采油平台等结构物中的应用，因此发展轻集料混凝土就变得尤为乐观，但是目前针对现有的研究还未完全。本文运用分形理论连接材料微观结构与宏观性能之间的桥梁作用，研究轻骨料的粒径分形和级配分形特征，为研究轻骨料混凝土的宏观的不确定性、不规则性、模糊性、非线性性能，提供了一种有效的方法。

2. 试验原料与方法

2.1原材料试验

粗骨料：吉林省长白山地区浮石轻集料，其物理性能见表1；

2.2 轻骨料筛分试验结果

本试验对轻骨料试样进行烘干，采用四分法取3450g骨料，进行筛分。标准筛为：26.5、19、16、9.5、4.75、2.36mm方孔筛。统计筛分试验的各试样筛余质量，试验结果见表2：

3. 试验结果分析

1）粒径随分形维数的变化

轻骨料本身形状的不规则性，使得轻骨料颗粒表面构成一种分形特征，当不同尺寸的骨料混合后，代表骨料尺寸的粒径分布构成了一种分形。通过筛分及统计试验，利用骨料粒径的分形模型，可得出试验采用的浮石轻骨料的粒径分形维数，浮石轻骨料粒径分布具有明显的相似性，所以浮石轻骨料粒径分布存在明显的分形行为。而且在2.09～2.47粒径分形维数范围内，随着分形维数变大，骨料粒径的分形行为越明显。

2）浮石轻骨料级配分形特征分析

从表3各试样的筛余质量变化结果可以看出，试验采用骨料粒径主要分布在26.5～2.36，随分维数增加，粒径较大的骨料质量减少，即大骨料所占的百分比减少，较小粒径所占百分比增加，说明骨料级配向细的方向发展。

颗粒内部缺陷，粒径越大，缺陷存在的几率就越大；集料界面的粘结强度，粒径越大，粘结强度越低；集料在混凝土拌合物中的运动速度，粒径越大，下沉速度越快，造成混凝土内部不均匀，从而降低混凝土强度，特别是大流动性混凝土更加明显。但粒径太小又会造成集料比表面积增大，空隙率增加，或者由于细颗粒引入粉尘，反而降低混凝土强度。

4. 结论

1）浮石轻骨料粒径分维数愈大，颗粒数目越多，骨料破碎程度愈大；骨料级配分维数在2.5左右，骨料级配较理想；级配分维数在2.0左右，骨料级配表现出间断特征，而大于2.6，骨料级配表现明显细化。

2）用骨料分维数来定量描述轻骨料级配，能够有效的控制轻骨料混凝土的级配，为研究骨料级配对轻骨料混凝土强度影响打下基础不同纤维掺量的浮石轻骨料混凝土试验结果表明轻骨料混凝土强度随着纤维掺量的增加有所降低，纤维的加入，对提高混凝土抗压强度毫无贡献。