膠凝材料體系密實(shí)度關(guān)鍵技術(shù)初探

胡新軍，李松，張可可，李正岡

（湖北省城市地質(zhì)工程院武漢華強(qiáng)新型建筑材料有限公司，湖北 武漢 430035）

隨著高強(qiáng)高性能混凝土在工程中的逐步應(yīng)用，急需解決混凝土中膠凝材料體系密實(shí)度的問題。為了提高膠凝體系的密實(shí)度，可以從兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)：一方面是降低水膠比，降低漿體內(nèi)部孔隙率；另一方面是通過各種膠凝材料自身顆粒級配，調(diào)整比例提高膠凝體系粉體自身的密實(shí)度。本文從這兩方面進(jìn)行主要研究。

1 膠凝材料體系密實(shí)度模型

要解決高強(qiáng)高性能混凝土的密實(shí)度的問題，先初步建立水膠比—漿體密實(shí)度模型和粉體顆粒—膠凝材料密實(shí)度模型。

圖1 為水膠比—漿體密實(shí)度模型，圖2 為粉體顆粒—膠凝體系密實(shí)度模型。

圖1 水膠比－漿體密實(shí)度模型

圖2 粉體顆粒—膠凝體系密實(shí)度模型

2 水膠比對膠凝體系性能的影響

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了 0.5 和 0.2 水膠比的膠凝體系凈漿強(qiáng)度試驗(yàn)，采用 P·Ⅱ42.5 水泥，凈漿試驗(yàn)見表1 和表2。

從表1 可見，在高水膠比 0.5 下，礦粉摻量的提高在 50% 以下范圍內(nèi)對砂漿強(qiáng)度影響不大；隨著粉煤灰摻量的升高，砂漿強(qiáng)度呈下降的趨勢；硅灰摻量的提高可增大砂漿的 7d 和 28d 抗壓強(qiáng)度，其摻量在 5%～10%范圍內(nèi)對砂漿 28d 抗壓強(qiáng)度的促進(jìn)作用最為明顯，但摻量大于 10% 時(shí)，隨著摻量提高，對提高砂漿強(qiáng)度的作用有限，且在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)砂漿的流動性隨硅灰摻量的增加而明顯降低，從編號 11～14 的復(fù)合體系中也可看出類似規(guī)律。

表1 W/B=0.5 砂漿體系

表2 W/B=0.2 砂漿體系

從表2 可以看出，在水泥用量較低，摻合料摻量合適的情況下，水膠比對體系強(qiáng)度影響極大，水膠比 0.5時(shí)，28d 強(qiáng)度約 40～70MPa，0.2 水膠比下其強(qiáng)度高達(dá)110～130 MPa，可達(dá)到高強(qiáng)混凝土的要求。可見低水泥用量下，控制合適的摻合料比例，降低水膠比，能夠配制出強(qiáng)度滿足要求的粉料體系。

3 粉體顆粒緊密堆積研究

對 P·Ⅱ42.5 水泥、Ⅰ級粉煤灰、S95 礦粉、硅灰進(jìn)行了激光粒度測試，測試結(jié)果見圖3 所示。

圖3 水泥和礦物摻合料的粒徑分布

從圖3 中可見，D50從大到小排序依次為I級粉煤灰、P·Ⅱ42.5 水泥、S95 礦粉、硅灰。D50一定程度上反映了粉體顆粒的細(xì)度差異。從中可見，硅灰的 D50為1.0μm，約為水泥的 1/15，為粉煤灰的近 1/20。

通過各種膠凝材料自身激光粒度分析說明可以依據(jù)各膠凝材料粒度自身特性通過比例搭配可以實(shí)現(xiàn)膠凝體系的緊密堆積。

4 膠凝體系漿體性能研究

4.1 粉煤灰對漿體流動性的影響

將Ⅰ級粉煤灰分別取代 0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35% 和 40% 水泥后，制備Ⅰ級粉煤灰—水泥復(fù)合膠凝材料。水膠比固定為 0.2，外加劑摻量 1.1%，開展Ⅰ級粉煤灰—水泥復(fù)合膠凝材料的凈漿試驗(yàn)。Ⅰ級粉煤灰摻量對復(fù)合膠凝材料凈漿流動度測試結(jié)果見表3 和圖4。

表3 粉煤灰—水泥復(fù)合膠凝材料凈漿流動度測試

由圖4 可知，Ⅰ級粉煤灰—水泥二元體系中，隨著Ⅰ級粉煤灰摻量的增加，新拌漿體的流動度總體呈增加的趨勢。當(dāng)Ⅰ級粉煤灰摻量在 0～20% 間增加時(shí)，復(fù)合膠凝材料漿體的流動度提高幅度較大；Ⅰ級粉煤灰摻量在 20%～40% 間增加時(shí)，復(fù)合水泥漿體流動度提高幅度較小。盡管Ⅰ級粉煤灰顆粒粒徑與水泥顆粒相差不大，由于粉煤灰的“形態(tài)效應(yīng)”，能有效減少顆粒間的摩擦阻力，更好地發(fā)揮“滾珠”作用，減少了復(fù)合膠凝材料的需水量，增強(qiáng)了復(fù)合膠凝材料漿體的流動性。

圖4 粉煤灰摻量對復(fù)合膠凝材料凈漿流動度的影響

綜上所述，Ⅰ級粉煤灰在改善復(fù)合膠凝材料凈漿流動度上的結(jié)果，在相同水膠比和外加劑摻量情況下，固體顆粒體系堆積密實(shí)度的提高，有利于新拌漿體的流動性能的改善。Ⅰ級粉煤灰摻入水泥中，填充于水泥顆粒之間，增加了復(fù)合膠凝體系的堆積密實(shí)度，降低了膠凝材料的空隙，從而置換出水泥漿體中顆粒之間的填充水分，進(jìn)而提高漿體的流動性；而摻量超過一定量時(shí)，固體顆粒體系的空隙率反而增加，較多的填充水被束縛于水泥顆粒間。

4.2 硅灰對漿體流動性的影響

將硅灰分別取代 0%、5%、10%、15%、20% 水泥后，制備硅灰—水泥復(fù)合膠凝材料。水膠比固定為0.2，外加劑摻量 2%，開展硅灰—水泥復(fù)合膠凝材料的凈漿試驗(yàn)。硅灰—水泥復(fù)合膠凝材料凈漿流動度測試結(jié)果見表4 和圖5。

表4 硅灰—水泥復(fù)合膠凝材料凈漿流動度測試結(jié)果

圖5 硅灰摻量對復(fù)合膠凝材料凈漿流動度的影響

由圖5 所知，在相同水膠比和外加劑摻量情況硅灰的摻入對復(fù)合膠凝材料凈漿流動度有很大的負(fù)面影響，摻量越高，流動度越小。由于硅灰粒徑極小，比表面積很大，故需水量較大，摻量過高導(dǎo)致砂漿流動度偏小，收縮過大，而且硅灰價(jià)格較高，故設(shè)計(jì)配合比時(shí)需要將摻量控制在適度范圍內(nèi)。

4.3 硅灰對硬化漿體孔結(jié)構(gòu)的影響

選取硅灰摻量為 0%、5%、10%、15%、20% 的硅灰—水泥復(fù)合砂漿試件，養(yǎng)護(hù)至 28d 后進(jìn)行斷面孔結(jié)構(gòu)分析。結(jié)果見表5。

表5 硅灰—水泥復(fù)合砂漿斷面孔結(jié)構(gòu)測試結(jié)果

由表5 可知，基準(zhǔn)組中最大孔半徑尺寸較大，孔隙率較高，孔直徑較大；當(dāng)硅灰摻量為 5% 時(shí)，斷面中的孔隙率較基準(zhǔn)有所下降，硅灰摻量提高至 10% 時(shí)孔隙率雖較基準(zhǔn)下降了 50%，平均孔直徑也僅為基準(zhǔn)組的50% 左右，孔隙分布比較均勻，改善了孔隙分布；當(dāng)硅灰摻量升至 15%～20% 時(shí)，斷面孔隙率較基準(zhǔn)有所下降，平均孔徑也相應(yīng)降低，但隨著摻量增加并未改善孔隙結(jié)構(gòu)。

通過肉眼觀察可大致看出水泥—硅灰二元體系中顆粒級配對漿體結(jié)構(gòu)致密性的影響。由于基準(zhǔn)組中水泥顆粒平均粒徑在 15.0μm 左右，顆粒尺寸較大，膠凝材料體系中容易形成空隙、孔洞，造成結(jié)構(gòu)不致密，從而影響硬化水泥石的強(qiáng)度、耐久性等性能。當(dāng)摻入硅灰后，由于硅灰平均粒徑在 1μm 左右，能發(fā)揮其微集料效應(yīng)，有效填充于水泥等大尺寸顆粒間，改善了水泥漿體的顆粒級配，大幅降低了水泥漿體中的孔隙率，提高了水泥基膠凝材料的致密性。

4.4 不同膠材對凈漿抗壓強(qiáng)度的影響

將礦粉分別取代 0%、20%、30%、40%、50%、65% 的 P·Ⅱ42.5 水泥后，水膠比固定為 0.5，成型砂漿試塊，脫模后在 20℃ 水中養(yǎng)護(hù) 7d、28d，測試其抗壓強(qiáng)度。礦粉—水泥復(fù)合膠凝材料膠砂強(qiáng)度測試結(jié)果見表6 和圖6。

表6 礦粉—水泥復(fù)合膠凝材料膠砂強(qiáng)度測試結(jié)果

圖6 礦粉摻量對復(fù)合膠凝材料砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

由圖6 可以看出，隨著礦粉摻量的增加，砂漿 7d強(qiáng)度逐漸下降，而 28d 強(qiáng)度在 50% 以內(nèi)并無太大變化，均在 58MPa 左右波動，當(dāng)?shù)V粉摻量達(dá)到 65% 時(shí)，砂漿 28d 強(qiáng)度才有明顯下降。

將Ⅰ級粉煤灰分別取代 0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35% 和 40% 的 P·Ⅱ42.5 水泥后，水膠比固定為 0.5，成型砂漿漿試塊，脫模后在 20℃水中養(yǎng)護(hù) 7d、28d，測試其抗壓強(qiáng)度，測試結(jié)果見表7 和圖7。

表7 粉煤灰—水泥復(fù)合膠凝材料膠砂強(qiáng)度測試結(jié)果

圖7 粉煤灰摻量對復(fù)合膠凝材料砂漿抗壓強(qiáng)度影響

由圖7 可以看出，Ⅰ級粉煤灰隨著摻量增加，7d強(qiáng)度逐漸下降，每增加 5% 下降幅度為 3～4MPa，28d強(qiáng)度在粉煤灰摻量 10% 以下時(shí)下降幅度很小，均為56MPa 左右，10%～40% 強(qiáng)度下降斜率增加。

將硅灰分別取代 0%、5%、10%、15%、20% 的P·Ⅱ42.5 水泥后，水膠比固定為 0.5，成型砂漿漿試塊，脫模后在 20℃ 水中養(yǎng)護(hù) 7d、28d，測試其抗壓強(qiáng)度。硅灰—水泥復(fù)合膠凝材料膠砂強(qiáng)度測試結(jié)果見表8和圖8。

表8 硅灰—水泥復(fù)合膠凝材料膠砂強(qiáng)度測試結(jié)果

圖8 硅灰摻量對復(fù)合膠凝材料凈漿抗壓強(qiáng)度的影響

由圖8 可知，摻入硅灰對砂漿強(qiáng)度影響很大，摻量越高，強(qiáng)度越高。硅灰摻量在 0～20% 區(qū)間增長時(shí)，7d砂漿強(qiáng)度從基準(zhǔn)的 115% 提高到 133%，28d 強(qiáng)度又有10% 左右的增長，但增長幅度變緩，故設(shè)計(jì)配合比時(shí)需要尋找其在膠材中的最佳摻量。

5 硬化漿體微觀結(jié)構(gòu)的影響

采用掃描電鏡高倍率下，復(fù)合膠凝材料硬化水泥石內(nèi)部微觀形貌，掃描電鏡圖像如圖9。

圖9 膠凝材料硬化水泥石 28d 齡期掃描電鏡圖像

由圖9(a) 可知，對于基準(zhǔn)組，28d 齡期時(shí)硬化水泥石中生成的水化產(chǎn)物較少，凝膠體多呈絮狀，且結(jié)構(gòu)疏松，存在大量的孔隙和裂縫。

由圖9(b) 可知，粉煤灰摻量為 10% 時(shí)，硬化水泥石中生成的水化產(chǎn)物較多，部分粉煤灰填充于孔隙中，發(fā)揮其火山灰效應(yīng)，填補(bǔ)了結(jié)構(gòu)孔隙和裂縫，使得結(jié)構(gòu)較基準(zhǔn)組致密。雖仍可見部分未水化或水化不完全的微珠球體顆粒存在，但微小尺寸的微珠顆粒表面多被侵蝕，在表面覆蓋了一層水化產(chǎn)物。這說明該部分粉煤灰也已經(jīng)開始發(fā)生水化反應(yīng)。

采用掃描電鏡下硅灰摻量為 5%，粉煤灰摻量為10% 的粉煤灰—硅灰—水泥三元體系硬化水泥石內(nèi)部微觀形貌，如圖9(c)。將其與摻 10% 粉煤灰的復(fù)合水泥凈漿試樣 SEM 圖象進(jìn)行對照分析，發(fā)現(xiàn)粉煤灰—硅灰—水泥三元體系中水化產(chǎn)物數(shù)量增多，微小顆粒水化反應(yīng)的程度提高，填充于結(jié)構(gòu)孔隙中，使硬化水泥石結(jié)構(gòu)更致密，體系的性能進(jìn)一步提高。

6 結(jié)論

（1）在水泥用量較低，摻合料摻量合適的情況下，水膠比對體系強(qiáng)度影響極大，水膠比 0.5 時(shí)，28d強(qiáng)度約 40～70MPa，0.2 水膠比下其強(qiáng)度高達(dá) 120～140MPa，可達(dá)到高強(qiáng)混凝土的要求。

（2）Ⅰ級粉煤灰—水泥二元體系中，隨著Ⅰ級粉煤灰摻量的增加，新拌漿體的流動度總體呈增加的趨勢。當(dāng)Ⅰ級粉煤灰摻量在 0～20% 間增加時(shí)，復(fù)合膠凝材料漿體的流動度提高幅度較大；Ⅰ級粉煤灰摻量在20%～ 40% 間增加時(shí)，復(fù)合水泥漿體流動度提高幅度較小；在相同水膠比和外加劑摻量情況硅灰的摻入對復(fù)合膠凝材料凈漿流動度有很大的負(fù)面影響，摻量越高，流動度越小。

（3）復(fù)合膠材體系中，隨著礦粉摻量的增加，砂漿 7d 強(qiáng)度逐漸下降，而 28d 強(qiáng)度在 50% 以內(nèi)并無太大變化；Ⅰ級粉煤灰隨著摻量增加，7d 強(qiáng)度逐漸下降，每增加 5% 下降幅度為 3～4MPa，28d 強(qiáng)度在粉煤灰摻量 10% 以下時(shí)下降幅度很小，10%～40% 強(qiáng)度下降斜率增加；摻入硅灰對砂漿強(qiáng)度影響很大，摻量越高，強(qiáng)度越高。

（4）SEM 分析結(jié)果有效驗(yàn)證了抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，SEM 分析結(jié)果表明，復(fù)合膠凝材料中，粉煤灰和硅灰的摻入既能發(fā)揮其微集料效應(yīng)，填補(bǔ)結(jié)構(gòu)中的孔隙和裂縫，還能發(fā)揮其活性效應(yīng)，水化生成許多纖維狀和網(wǎng)狀的 C-S-H 凝膠，與凝膠結(jié)構(gòu)結(jié)合緊密，使水泥石結(jié)構(gòu)更為致密，復(fù)合膠凝材料的性能更優(yōu)異。