张广泰等：硫酸盐侵蚀作用下纤维锂渣混凝土裂缝的分形特征 ,209· concrete columns.With broken members,fractal dimension of surface cracks presents a rising trend of shock with sulfate erosion days. Results signify that fractal characteristics of concrete surface cracks can be used as one of the indexes to determine the damage degree of members,which can provide reference for the prediction of bearing capacity and service life of concrete structures in the future. KEY WORDS sulfate attack;fractal theory;large eccentric column;polypropylene fiber;lithium slag 混凝土结构在盐渍土地区长期服役受硫酸盐 的分形损伤演化规律，推导了高强混凝土损伤演 侵蚀影响，混凝土发生膨胀、开裂、剥落，对结构 化的动态损伤本构方程.陈万春等基于分形理 造成不可逆的损伤，进而使混凝土结构失去完整性 论分析了钢筋混凝土梁式桥裂缝的分布特征，桥 和稳定性-)为减缓混凝土受硫酸盐侵蚀的影 梁主梁裂缝的分形维数可以作为衡量结构老化程 响，部分学者在混凝土中掺入纤维及矿物掺合料阿， 度的重要指标.李艳艳等2四采用分形理论对8根集 并通过实验室浸泡法来模拟硫酸盐的侵蚀情况， 中荷载作用下钢筋混凝土梁开裂和破坏过程进行 纤维的摻入可以增强混凝土的抗拉强度，矿物掺 了定量化分析，认为分形维数可以反映裂缝发展 合料的掺入可以较好地发挥二次水化反应，提高 的密集与复杂程度，并建立了混凝土梁表面分形 试件密实度，从而增强试件抗侵蚀性能-)，但很 维数与损伤变量的关系.范颖芳等1证明了受腐 少有学者将荷载因素考虑其中，即未考虑混凝土 蚀钢筋混凝土构件在荷载作用下裂纹的演化具有 试件受硫酸盐侵蚀和荷载共同影响的实际情况， 分形特征.栾海洋等P研究了酸雨环境下CFRP布 且侵蚀后混凝土破坏形态分析方法较为单一 增强混凝土梁表面裂缝的分形特征，探讨了分形维 Mandelbrot!1在20世纪70年代提出了分形几 数与构件各个力学性能的关系.上述研究中钢筋 何学，并利用分形理论证明了钢的断裂面具有分 混凝土构件较为单一，多集中于梁构件的研究，且 形特征，随后分形理论作为一种数学工具用于分 对于混凝土柱在硫酸盐侵蚀条件下的研究较少 析复杂的空间几何、裂缝、轮廓等，可通过计算研 本文研究新型混凝土材料，在混凝土中加入 究对象的分形维数，得出分形维数与研究对象之 聚丙烯纤维和锂渣取代部分水泥，通过实验室全 间的定量关系.国内外学者将分形理论用于混凝 浸泡法模拟硫酸盐侵蚀环境，得到了不同侵蚀龄 土领域，并取得丰硕的成果.在混凝土材料方面， 期下的纤维锂渣混凝土试块及纤维锂渣混凝土大 Armandei与de Souza对钢纤维混凝土的断裂面 偏心柱试验结果，采用分形理论探讨了裂缝分形 进行研究，将断裂轨迹的分形维数用于表征钢纤 维数与混凝土强度及构件力学性能参数之间的关 维混凝土材料的不完整性与非均匀性，发现断裂 系，为判定材料的侵蚀程度提供一个新角度 轨迹的粗糙度越高，钢纤维混凝土破坏强度与设 1 试验方案 计强度的差值就越大.Yan等对混凝土断口三 维形貌进行了测量，研究发现分形维数随着水胶 1.1试验原材料 比的增加而增大.在水胶比相同的情况下，分形维 试验材料包括普通硅酸盐水泥、中砂、粒径为 数随着骨料粒径的增大而增大，碎石(CG)混凝土 6~25mm连续级配的卵石、自来水以及聚羧酸高 分形维数最高，轻质碎石(LG)混凝土分形维数最低. 效减水剂（减水率为20%）.锂渣由乌鲁木齐锂业厂 Ince等l6研究了不同尺寸的混凝土力学性能，利用 工业废料提供，化学组成见表1：聚丙烯纤维采用江 多重分形标度法分析了试验结果中的峰值荷载，此 苏博特有限公司生产的抗裂防渗I型，物理指标见 方法可用于确定素混凝土/钢筋混凝土构件的抗拉 表2：侵蚀溶液选用质量分数为5%的硫酸钠溶液. 强度.Konkol与Prokopskin7测量了偏高岭石改性 表1锂渣粉末主要成分 混凝土断裂面的分形维数，得出了临界应力强度 Table 1 Main components of lithium slag powder cfo 因子与分形维数之间的函数关系.在混凝土构件 Chemical composition SiOz Al2O;Fe2O;SO3 Cao LizO 方面，成盛等基于数字图像技术，提出了一种混 Mass fraction 54.301.801.408.307.900.70 凝土裂缝图形化提取方法，为混凝土裂缝定量研究 提供了有力工具.曹茂森与任青文9证明已损伤的 1.2 试验配合比 钢筋混凝土构件的表面裂缝具有分形特征，揭示 试验混凝土设计强度等级为C30,在该基准配 了表面裂缝分形维数特征量与结构物性参数的关 合比的基础上选取锂渣取代水泥质量，取代率为 系.焦楚杰等20基于分形理论研究了高强混凝土 20%,详细混凝土配比见表3.concrete columns. With broken members, fractal dimension of surface cracks presents a rising trend of shock with sulfate erosion days. Results signify that fractal characteristics of concrete surface cracks can be used as one of the indexes to determine the damage degree of members, which can provide reference for the prediction of bearing capacity and service life of concrete structures in the future. KEY WORDS    sulfate attack；fractal theory；large eccentric column；polypropylene fiber；lithium slag 混凝土结构在盐渍土地区长期服役受硫酸盐 侵蚀影响，混凝土发生膨胀、开裂、剥落，对结构 造成不可逆的损伤，进而使混凝土结构失去完整性 和稳定性[1−5] . 为减缓混凝土受硫酸盐侵蚀的影 响，部分学者在混凝土中掺入纤维及矿物掺合料[6] ， 并通过实验室浸泡法来模拟硫酸盐的侵蚀情况， 纤维的掺入可以增强混凝土的抗拉强度，矿物掺 合料的掺入可以较好地发挥二次水化反应，提高 试件密实度，从而增强试件抗侵蚀性能[7−12] ，但很 少有学者将荷载因素考虑其中，即未考虑混凝土 试件受硫酸盐侵蚀和荷载共同影响的实际情况， 且侵蚀后混凝土破坏形态分析方法较为单一. Mandelbrot[13] 在 20 世纪 70 年代提出了分形几 何学，并利用分形理论证明了钢的断裂面具有分 形特征，随后分形理论作为一种数学工具用于分 析复杂的空间几何、裂缝、轮廓等，可通过计算研 究对象的分形维数，得出分形维数与研究对象之 间的定量关系. 国内外学者将分形理论用于混凝 土领域，并取得丰硕的成果. 在混凝土材料方面， Armandei 与 de Souza[14] 对钢纤维混凝土的断裂面 进行研究，将断裂轨迹的分形维数用于表征钢纤 维混凝土材料的不完整性与非均匀性，发现断裂 轨迹的粗糙度越高，钢纤维混凝土破坏强度与设 计强度的差值就越大. Yan 等[15] 对混凝土断口三 维形貌进行了测量，研究发现分形维数随着水胶 比的增加而增大. 在水胶比相同的情况下，分形维 数随着骨料粒径的增大而增大，碎石 (CG) 混凝土 分形维数最高，轻质碎石 (LG) 混凝土分形维数最低. Ince 等[16] 研究了不同尺寸的混凝土力学性能，利用 多重分形标度法分析了试验结果中的峰值荷载，此 方法可用于确定素混凝土/钢筋混凝土构件的抗拉 强度. Konkol 与 Prokopski[17] 测量了偏高岭石改性 混凝土断裂面的分形维数，得出了临界应力强度 因子与分形维数之间的函数关系. 在混凝土构件 方面，成盛等[18] 基于数字图像技术，提出了一种混 凝土裂缝图形化提取方法，为混凝土裂缝定量研究 提供了有力工具. 曹茂森与任青文[19] 证明已损伤的 钢筋混凝土构件的表面裂缝具有分形特征，揭示 了表面裂缝分形维数特征量与结构物性参数的关 系. 焦楚杰等[20] 基于分形理论研究了高强混凝土 的分形损伤演化规律，推导了高强混凝土损伤演 化的动态损伤本构方程. 陈万春等[21] 基于分形理 论分析了钢筋混凝土梁式桥裂缝的分布特征，桥 梁主梁裂缝的分形维数可以作为衡量结构老化程 度的重要指标. 李艳艳等[22] 采用分形理论对 8 根集 中荷载作用下钢筋混凝土梁开裂和破坏过程进行 了定量化分析，认为分形维数可以反映裂缝发展 的密集与复杂程度，并建立了混凝土梁表面分形 维数与损伤变量的关系. 范颖芳等[23] 证明了受腐 蚀钢筋混凝土构件在荷载作用下裂纹的演化具有 分形特征. 栾海洋等[24] 研究了酸雨环境下 CFRP 布 增强混凝土梁表面裂缝的分形特征，探讨了分形维 数与构件各个力学性能的关系. 上述研究中钢筋 混凝土构件较为单一，多集中于梁构件的研究，且 对于混凝土柱在硫酸盐侵蚀条件下的研究较少. 本文研究新型混凝土材料，在混凝土中加入 聚丙烯纤维和锂渣取代部分水泥，通过实验室全 浸泡法模拟硫酸盐侵蚀环境，得到了不同侵蚀龄 期下的纤维锂渣混凝土试块及纤维锂渣混凝土大 偏心柱试验结果，采用分形理论探讨了裂缝分形 维数与混凝土强度及构件力学性能参数之间的关 系，为判定材料的侵蚀程度提供一个新角度. 1    试验方案 1.1    试验原材料 试验材料包括普通硅酸盐水泥、中砂、粒径为 6～25 mm 连续级配的卵石、自来水以及聚羧酸高 效减水剂（减水率为 20%）. 锂渣由乌鲁木齐锂业厂 工业废料提供，化学组成见表 1；聚丙烯纤维采用江 苏博特有限公司生产的抗裂防渗 I 型，物理指标见 表 2；侵蚀溶液选用质量分数为 5% 的硫酸钠溶液. 表 1 锂渣粉末主要成分 Table 1   Main components of lithium slag powder % Chemical composition SiO2 AI2O3 Fe2O3 SO3 CaO Li2O Mass fraction 54.30 1.80 1.40 8.30 7.90 0.70 1.2    试验配合比 试验混凝土设计强度等级为 C30，在该基准配 合比的基础上选取锂渣取代水泥质量，取代率为 20%，详细混凝土配比见表 3. 张广泰等： 硫酸盐侵蚀作用下纤维锂渣混凝土裂缝的分形特征 · 209 ·