水泥絮凝颗粒分形维数研究成果

2023-11-03 理论教育版权反馈

【摘要】：表5.1～表5.4是分别掺加高效减水剂SNF、ML、PC及SBC后水泥颗粒分形维数与一元线性回归模型。不同絮团的形成往往伴随絮凝体分形维数的变化，这是采用分形维数测定减水剂饱和掺量的可行性所在。这种现象的出现，说明减水剂的掺加影响了水泥颗粒的分散效果，水泥絮凝颗粒密实程度发生变化，导致分形维数出现变化。图5.3掺加不同减水剂的水泥颗粒质量分布图5.4掺加减水剂水泥颗粒粒径累计分布

表5.1～表5.4是分别掺加高效减水剂SNF、ML、PC及SBC后水泥颗粒分形维数与一元线性回归模型。可见，无论是哪种减水剂掺加到水泥拌和水中，ln[ym（x）]与lnx均具有良好的线性相关性。水泥与水拌和后会形成絮凝体，在掺加减水剂情况下，暂时改变了絮凝体的大小，初始阶段由于减水剂的分散作用，使絮凝体变小，但最终依然会出现絮凝体的增长，水泥颗粒的分散和絮凝均是随机过程，具有非线性的特征，分散的絮凝体抑或逐步形成的絮体在有限范围内都具有自相似性和标度不变性，因此同样具有典型的分形特征，依然属于分形。

表5.1　掺加SNF减水剂水泥颗粒分形维数与一元线性回归模型

表5.2　掺加ML减水剂水泥颗粒分形维数与一元线性回归模型

表5.3　掺加PC减水剂水泥颗粒分形维数与一元线性回归模型

表5.4　掺加SBC水泥颗粒分形维数与一元线性回归模型

（1）分形维数与减水剂掺量的关系

一般认为，分形维数不同反映了絮凝体结构所具有的开放程度不同，应用分形维数可以对不同条件下形成的絮体结构进行更为准确的数学描述，分形维数越大，絮凝体越密实。在研究絮凝体与分形维数关系时，发现不同絮凝体尺寸—密度函数存在一个转变点，说明由较小的颗粒形成的絮凝体比由较大的颗粒形成的絮凝体更加密实。絮团结构和密实程度受孔隙度影响，如未掺加减水剂的水泥絮凝体中包含较多的自由水，孔隙度增加；随减水剂浓度的提高，水泥颗粒之间相互分散，絮凝体由相对较小的水泥颗粒组成，孔隙度减小。不同絮团的形成往往伴随絮凝体分形维数的变化，这是采用分形维数测定减水剂饱和掺量的可行性所在。

将几种不同减水剂的掺量与水泥颗粒絮凝体分形维数之间关系作曲线如图5.1所示。从图5.1～图5.3可见，随着各种减水剂份数的增加，ln[ym（x）]与lnx之间保持相当高精度的线性关系，而且一元线性回归方程的斜率K随减水剂份数的变化出现规律性变化。从图5.1可见，对于SNF和ML两种减水剂，当掺加份数达到一定值时，分形维数Df出现突然增加，然后Df值又减小，最后Df随着减水剂份数的增加又出现缓慢增加，如SNF在掺量为0.7%～0.8%，而ML在掺量0.8%～0.9%时相对应的Df均出现增加。但是PC减水剂的情况比较特殊，在0.2%～0.3%范围内即出现增加，随即出现降低，然后一直保持较低的Df值。这种现象的出现，说明减水剂的掺加影响了水泥颗粒的分散效果，水泥絮凝颗粒密实程度发生变化，导致分形维数出现变化。由于减水剂属于表面活性剂，不同种类的减水剂减水分散机理不同，如SNF、ML等主要依赖于水泥吸附减水剂后产生的静电斥力，减水剂分子吸附在水泥颗粒表面，产生较强的静电斥力，使水泥颗粒之间相互排斥，破坏了絮凝结构；而PC具有相对两者较弱的静电斥力，但是由于具有较强的空间位阻作用，增强了其减水分散性能。分形维数突变说明形成水泥絮凝体水泥颗粒表面对减水剂吸附的状态发生改变，或者说验证了水泥颗粒对减水剂吸附存在饱和掺量的问题。在实验所测范围内，SNF掺量在0.7%～0.8%时分形维数最大，ML掺量在0.8%～0.9%时分形维数最大，PC掺量在0.2%～0.3%时分形维数即达到最大，SBC掺量在0.9%～1%范围分形维数达最大。(www.chuimin.cn)

为了验证掺加减水剂的水泥悬浮体系水泥絮凝体分形维数的变化与减水剂饱和掺量之间的关系，还需要比较准确地测定各种减水剂在相同水泥中的饱和掺量。尽管水泥净浆流动度方法在寻找减水剂饱和掺量点并不是非常明确（由于净浆流动度往往随着减水剂掺量的增加而增加，超过饱和掺量时净浆产生的泌水携带水泥颗粒导致流动度继续增加），但采用多次重复试验还是可以相对准确地确定饱和掺量，因此仍具有一定的参考价值。为比较准确地确定各种减水剂的饱和掺量，各减水剂在相同的掺量下重复3次流动度测试，取其平均值作为该掺量下净浆流动度，以消除人为误差影响，结果如图5.2所示。结果发现，四种减水剂净浆流动度随减水剂掺量变化情况与分形维数随减水剂掺量变化情况吻合，因此采用分形维数方法来确定饱和掺量是可行的。

图5.1　水泥絮凝体分形维数与减水剂掺量的关系

图5.2　掺加不同减水剂净浆流动度与掺量关系

（2）饱和掺量下水泥颗粒粒径分布

对掺加减水剂的水泥颗粒粒径进行分析，不仅可用来测定减水剂在水泥中的饱和掺量，也可以表征减水剂对水泥分散的效果。为比较几种减水剂对水泥颗粒的分散效果，测定了4种减水剂在各自饱和掺量下的粒径分布，如图5.3和图5.4所示。图5.3是掺加减水剂水泥颗粒质量分布频度，图5.4是掺加减水剂水泥颗粒粒径累计分布。从中不难看出，在测试的PC、SNF、SBC和ML等4种减水剂中，高效减水剂PC对水泥颗粒的分散效果最好，其最几积粒径是28μm，在几种减水剂中出现频度最高，达5%以上；SBC和SNF对水泥分散效果相近，前者略优于后者，最可几粒径均为28μm，分布频度在4%～5%之间；ML的分散效果相对较差，最可几粒径较大，为38μm，分布频度也较低，为3%左右。减水分散效果由大到小的顺序是：PC＞SBC～SNF＞ML。该方法可以定性地表征减水剂对水泥颗粒分散效果，比较简便，易于操作。

图5.3　掺加不同减水剂的水泥颗粒质量分布

图5.4　掺加减水剂水泥颗粒粒径累计分布

水泥絮凝颗粒分形维数研究成果

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