關(guān)于建立水泥顆粒級配評判方法的初探

陳灼華

（武漢輕工工程技術(shù)有限公司，湖北 武漢 443003）

1 問題的提出

膠凝材料是混凝土中水泥和活性礦物摻合料的總稱。參見 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》中 2.1.11。在混凝土各組份中，膠凝材料是核心組份。而膠凝材料的核心是水泥。從隨手找出的幾組混凝土配合比（見表 1）可以看出，在每立方混凝土中，膠凝材料的重量比不小。水泥占其重量比隨著工程部位和工作性能的要求變化，有一定幅度的調(diào)整。但一般都在 50%以上，100% 的情況也有，但很少見。

表1 各等級混凝土的膠凝材料用量

水泥在混凝土中的地位是核心的核心。

分析組成混凝土的各種材料的質(zhì)量要求和檢驗評判方法，會發(fā)現(xiàn)，粗集料（卵石、碎石）和細(xì)集料（砂）對顆粒級配都有一套很系統(tǒng)、比較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑u判方法（參見 GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》和 GB/T 14685—2011《建設(shè)用卵石、碎石》）。而細(xì)讀 GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》卻發(fā)現(xiàn)，在諸多技術(shù)指標(biāo)中卻沒有顆粒級配，對水泥顆粒有所涉及的 7.3.4 細(xì)讀，還是選擇性指標(biāo)。其評判方法為：比表面積、80μm方孔篩篩余和 45μm 方孔篩篩余。而一種水泥不需要同時滿足三個要求，只需要達(dá)到一個要求即為合格。如此要求，相對于水泥在混凝土中的核心地位，確實顯得寬泛和敷衍。

從普通混凝土配合比設(shè)計的角度來看，混凝土就是一個顆粒級配的集合體。其理想的狀態(tài)就是最小的表面積、最大的密實度、1% 左右或更小的孔隙率。水泥與水發(fā)生反應(yīng)形成的水泥漿，在水泥硬化前有潤滑和填充作用，在硬化后有膠結(jié)和集料骨架間的填充作用。可見其填充作用自始至終都需要。從混凝土中各種材料的顆粒粒徑（見表 2）可以看出，集合體混凝土中的顆粒級配是連續(xù)的。也許只有連續(xù)的、合理的顆粒級配，才有可能靠近理想的狀態(tài)。身處其中的水泥不能脫離體系，另搞一套。

表2 混凝土中各粉料的顆粒粒徑 mm

筆者認(rèn)為，確實有對水泥的顆粒級配進(jìn)行深入地探討的必要，以水泥的微觀研究，促進(jìn)宏觀的效果。

2 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對顆粒級配的要求

（1）GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》對于顆粒級配的要求（見表 3、表 4），該標(biāo)準(zhǔn)特別強(qiáng)調(diào)，砂的實際顆粒級配除 4.75mm 和 600μm 篩檔外，可以略有超出，但各級累計篩余超出總和，應(yīng)不大于 5%。

表3 建設(shè)用砂顆粒級配

表4 建設(shè)用砂級配類別

該標(biāo)準(zhǔn)用砂的細(xì)度模數(shù) Mx，將砂分為粗砂、中砂、細(xì)砂、特細(xì)砂，從而規(guī)定其使用范圍。

Mx=[(A2+A3+A4+A5+A6)-5A1]/(100-A1)（2）GB/T 14685—2011《建設(shè)用卵石、碎石》，該標(biāo)準(zhǔn)對顆粒級配的要求見表 5，表 6，還對物料的形狀針片狀的含量提出了限制指標(biāo)。

表5 建設(shè)用卵石、碎石顆粒級配

表6 建設(shè)用卵石、碎石針、片狀顆粒含量

（3）GB/T 14684—2011 和 GB/T 14685—2011 兩標(biāo)準(zhǔn)還對物料的空隙率、堆積密度提出了要求，見表 7。

表7 標(biāo)準(zhǔn)對集料空隙率和堆積密度的要求

空隙率和堆積密度與顆粒級配的關(guān)系密切，即顆粒級配越合理，兩個指標(biāo)越理想。

（4）JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》對摻合料的要求。

該規(guī)程規(guī)定了粉煤灰、粒化高爐礦渣粉等礦物摻合料，在各種混凝土中的最大摻量就是說這些礦物摻合料屬于膠凝材料，可部分替代水泥。規(guī)程特別明確地給出了這些礦物摻合料在各種摻量時的影響系數(shù)，見表 8。

表8 粉煤灰影響系數(shù)（γf）和粒化高爐礦渣灰影響系數(shù)（γs）

該規(guī)程的初衷是在保證混凝土配制強(qiáng)度及其力學(xué)性能、拌合物性能、長期性和耐久性的條件下，用礦物摻合料取代部分水泥，是為了減少混凝土的水化熱、降低混凝土的成本。如果換個角度，從混凝土整體來看，這是不自覺地對膠凝材料進(jìn)行顆粒級配。三種材料的細(xì)度指標(biāo)見表 9。

不難看出，其顆粒粒徑 ①＞②＞③，其用量占膠凝材料的重量比 ①＞②＞③。在高強(qiáng)、高性能混凝土中，還要摻入 10% 以內(nèi)的硅灰，硅灰的比表面積在 15000m2/kg 以上，這確實是在做膠凝材料的顆粒級配。

表9 標(biāo)準(zhǔn)對水泥、礦粉、粉煤灰的細(xì)度要求

3 設(shè)立水泥的顆粒級配指標(biāo)

眾所周知，水泥的顆粒粒徑與其水化速度、水化程度密切相關(guān)。水泥的顆粒粒徑越小，其水化速度就越快，早期強(qiáng)度就越高。一般認(rèn)為，水泥顆粒粒徑不大于 45μm（有人說 40μm）時，其活性較高；大于 60μm時，水化緩慢；大于 90μm（有人說 100μm）時，只能進(jìn)行表面水化，對強(qiáng)度沒有什么貢獻(xiàn)，水泥成了微集料；小于 3μm 時，則水化速度很快，若過多，帶來的害處大于益處，應(yīng)控制 3μm 以下的顆粒在水泥中的比例。

為此，我們能否借鑒混凝土集料的評判標(biāo)準(zhǔn)，來建立水泥顆粒級配的評判方法？表 10 是筆者假想的數(shù)據(jù)，沒有驗證依據(jù)。現(xiàn)在拿出來拋磚引玉。

表10 筆者假想的水泥顆粒級配

水泥顆粒粒徑都集中在 3～45μm 之間，對膠砂強(qiáng)度和混凝土強(qiáng)度會造成什么影響，對混凝土的諸多性能是否有影響，目前尚無研究。但需要看清目前的現(xiàn)實，水泥只是膠凝材料的一個組份，即使是核心，其品質(zhì)的優(yōu)劣最終還是由混凝土的評定標(biāo)準(zhǔn)來決定的。

如果引入一個類似于細(xì)度模數(shù)的公式參與評定，會更直觀些。

關(guān)于水泥顆粒的形狀，理想的狀態(tài)是球形，球形最適合混凝土。

4 暢想

據(jù)國家統(tǒng)計局統(tǒng)計，2018 年全國累計生產(chǎn)水泥熟料 14.22 億噸，累計生產(chǎn)水泥 21.77 億噸。據(jù)此推出混合料摻量 [(21.77-14.22)/21.77]，約為 35%，若扣除 5%左右的石膏，則實際混合料的摻量約為 30%，P·O 系列水泥混合料摻量不大于 20%，是否可以推定 P·O 系列的水泥市場占有率很高？假若是真的，那么，專門粉磨熟料（或是熟料+石膏）的生產(chǎn)方式或?qū)⒘餍小Ｈ羲囝w粒級配能形成共識，且能從混凝土的角度組織生產(chǎn)，顆粒粒徑為 3～45μm（或 40μm）的熟料生產(chǎn)或?qū)⒂锌赡苷Q生。為了減少水泥熟料成為 0～3μm 的顆粒，可加入 5% 以下的易磨性優(yōu)于熟料的材料，比如 5～10mm的石灰石，一起粉磨。這樣一可以節(jié)約熟料，二可以提高產(chǎn)量，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益均會滿意；若 60～90μm的顆粒也不再是水泥熟料，而是由礦物摻合料來代替，那么水泥熟料的節(jié)約空間會更大。

讓我們再往前暢想一下，若將商品混凝土攪拌站的礦物摻合料都納入到水泥的生產(chǎn)系統(tǒng)中來，水泥企業(yè)直接提供工程中所需的 C30、C35、C40、C45、C50 等普通混凝土的膠凝材料，水泥行業(yè)的市場將擴(kuò)大 30% 以上。這在技術(shù)上明顯優(yōu)于現(xiàn)在的商品混凝土攪拌站，裝備上更先進(jìn)，質(zhì)量也會更穩(wěn)定，環(huán)保更放心，市場應(yīng)該更認(rèn)可。這就看水泥行業(yè)能否跳出水泥圈圈，能否從混凝土的角度來思考了。筆者一直認(rèn)為當(dāng)年粉煤灰替代部分水泥摻入混凝土，是水泥行業(yè)錯失的一次重大機(jī)遇。

姑妄言之，姑妄聽之。