膠凝材料級配效應對混凝土強度的影響

周溪泉，姜興彥，王雪東

（亞泰（大連）預制建筑制品有限公司，遼寧 大連 116000）

0 引言

上個世紀 40 年代末，就有學者指出，水泥水化強度主要由其粒徑在 0～30μm 之間的顆粒提供，其中0～10μm 顆粒提供早期強度，10～30μm 顆粒提供后期強度。后來，在上世紀 80 年代末，由 S.Tsivilis 等學者提出了水泥顆粒級配影響其水化強度及水泥的最佳顆粒級配理論，即水泥顆粒級配分布越狹窄其強度越高，其對混凝土的影響相似。到了 90 年代初，Fuller和 Thompson 提出了集料理想篩析曲線，簡稱富勒曲線（Fuller 曲線），形成了最早的最佳堆積密度顆粒分布理論。后來富勒曲線又被 A.Hummel 和 K.Wesche 等學者優化，因為早期富勒曲線并沒有把顆粒形狀和表面特性考慮進來。而進入新世紀，隨著高性能混凝土的迅猛發展和對混凝土耐久性的高度重視，這一理論被國內外學者更加深入和系統地研究，并延伸到混凝土結構密實性和混凝土耐久性等方面。

近十年，有專家、學者明確指出，混凝土強度和耐久性主要取決于膠凝體系基體特性和膠凝體系基體與集料的粘接特性。而膠凝體系基體與集料的粘接特性又取決于膠凝體系的基體特性。所以本文通過膠凝體系中各材料達到最佳堆積狀態時對其性能的影響，驗證其是否對混凝土對結構形成起著有利的作用，最終到達拓寬配合比設計思路，提高混凝土生產企業經濟效益的目的。

1 試驗

1.1 原材料

1.1.1 水泥與礦物摻合料

試驗所用的水泥（C）為亞泰富山等級 P·O42.5級，粉煤灰（FA）為大連熱電廠等級Ⅰ級 F 類，礦粉（SL）為本溪永星等級 S95 級（SL），膠凝材料的化學組成及物理性能見表 1～4。

表1 水泥和礦物摻合料化學成分分析 wt%

表2 水泥物理性能

表3 粉煤灰物理性能

表4 礦粉物理性能

1.1.2 砂

采用廈門艾思歐 ISO 標準砂；區域河砂，屬于中砂，其物理性能見表 5。

表5 河砂物理性能

1.1.3 石

區域花崗巖碎石，5～20mm 連續級配，物理性能見表 6。

表6 碎石物理性能

1.1.4 水

區域地下水。

1.1.5 外加劑

聚羧酸高性能減水劑，物理性能見表 7。

表7 外加劑物理性能

1.2 膠凝體系緊密堆積顆粒分布

在膠凝體系中顆粒粒徑分布并不均勻，不同種類的材料顆粒粒徑分布曲線也不盡相同，水泥顆粒粒徑集中分布在 3～32μm 之間，粉煤灰顆粒粒徑集中分布在5～20μm 之間，礦粉顆粒粒徑集中分布在 1～10μm 之間。

根據 Andreasen 方程，可以計算出最大粒徑為150μm 的集料，達到最緊密堆積時各級粒徑顆粒的百分占比，由此得出水泥緊密堆積時顆粒分布狀態，見表8。

本文使用膠凝體系中各粉體材料的顆粒粒級分布情況，見表 9。

表8 水泥緊密堆積顆粒分布狀態 %

表9 粉料顆粒粒級分布

根據計算出的水泥緊密堆積顆粒分布，可以看出本文使用水泥并不能滿足緊密堆積要求。本文采用向水泥中按比例摻入礦物摻合料進行復配，驗收其復配后膠砂強度值。分析當膠凝體系中各材料的堆積狀態趨于理想緊密堆積狀態時，是否會出現有利的附加效應，即復合材料達到理想緊密堆積狀態時，可改善膠凝體系漿體的填充性和水化結構的密實性，從而提高齡期強度和耐久性。

1.3 試驗方法

1.3.1 膠凝體系級配效應結論驗證

依照現行 GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO 法）》，采用正交試驗方法進行試驗。以粉煤灰、礦粉摻合料 10% 取代量為試驗單位，分別采取單摻和雙摻兩種試驗方式驗證。最終從得出數據中挑選出適量的、具有代表性的試驗數據進行對比分析，得出膠凝體系級配效應結論。

1.3.2 混凝土試配驗證

依照現行 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》進行 C60 混凝土基準配合比設計，見表 10。將基準配合試配強度比與復合膠凝體系配合比試配強度進行對比分析，得出結論。

表10 C60 混凝土基準配合比

1.4 數據收集與處理

膠砂強度，依照現行 GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行數據處理，試驗數據收集采用 HYZ-300.10 型恒加載水泥抗折抗壓試驗機。混凝土強度，依照現行 GB/T 50107—2010《混凝土強度檢驗評定標準》進行數據處理，試驗數據收集采用TSY-3000 型恒加載壓力試驗機。

2 試驗結果與分析

2.1 膠凝體系驗證

復合膠凝體系級配效應驗證結果，如表 11～14。

表11 膠凝材料中摻入粉煤灰對強度的影響

膠凝體系中摻入粉煤灰后，膠砂強度明顯有下降趨勢。但從數據中可以看出當粉煤灰摻入 20% 時，下降趨勢明顯縮水，同時其對應數據也是全部對比數據中的最佳值。

表12 膠凝材料中摻入礦粉對強度的影響

膠凝體系中摻入礦粉后，膠砂抗壓強度變化趨勢并不明顯，且其抗折強度明顯提高，直至礦粉摻量大于50% 后其抗折、抗壓強度出現明顯下滑。從數據中可以看出當礦粉摻入 30% 時，出現本組試驗數據的最佳值。

表13 摻入 50% 復合混合料對強度的影響

將粉煤灰與礦粉進行復配替代 50% 的水泥摻入膠凝體系，抗壓強度隨粉煤灰摻量越高而越低，且當粉煤灰摻量為復合混合料的 20% 時出現本組試驗最佳值。

表14 摻入 30% 復合混合料對強度的影響

將粉煤灰與礦粉進行復配替代 30% 的水泥摻入膠凝體系，抗折、抗壓強度并未隨復合材料比例變化而出現較大波動，且當粉煤灰摻量為復合混合料的 60% 時出現本組試驗最佳值。

2.2 SEM 照片

根據復合膠凝體系膠砂強度結果，分揀出具有代表性的 4 組試驗 SEM 照片，如圖 1～4。

圖1 粉煤灰取代 20% 的膠凝體系水化結構

圖2 20% 粉煤灰與 80% 礦渣粉復合，取代 50% 的膠凝體系水化結構

圖3 礦渣粉取代 30% 的膠凝體系水化結構

圖4 60% 粉煤灰與 40% 礦渣粉復合，取代 30% 的膠凝體系水化結構

2.3 試配驗證

使用復合膠凝體系進行混凝土試配驗證結果，如表15～18。

表15 膠凝材料中摻入粉煤灰對混凝土強度的影響

表16 膠凝材料中摻入礦粉對混凝土強度的影響

表17 摻入 50% 復合混合料對混凝土強度的影響

表18 摻入 30% 復合混合料對混凝土強度的影響

2.4 結果分析

通過膠凝體系膠砂強度試驗，以及膠凝體系水化結構 SEM 照片對比分析，得出當膠凝體系各材料顆粒趨于緊密堆積狀態時，其性能能夠得到一定提高。這說明當復合膠凝材料達到一定級配時，能夠在一定范圍內提高膠凝體系強度。但并不絕對，在復合摻合料取代 50%水泥試驗中，數據呈現的結果恰恰相反，當膠凝體系顆粒級配趨于理論緊密堆積狀態時，強度反而降低。這說明極致的膠凝體系顆粒級配并不一定帶來較高的堆積效應，根據復合材料的種類不同，反應程度不同都會對顆粒緊密堆積效應產生影響，使其達不到期望值。

通過混凝土試配試驗分析，當使用復合混合料拌制混凝土時，其性能變化規律與復合混合料膠砂性能變化規律相似。但混凝土性能受益程度低于復合混合料膠砂性能增益程度。這說明在混凝土結構中，受到骨料本身性質和界面粘接性能等其他因素復雜影響。

3 結論

（1）當膠凝體系中摻入單一摻合料，顆粒級配趨向于最緊密堆積狀態時，有利于膠凝材料體系性能提高，趨向于其級配效益理論，且對混凝土的影響也相似。

（2）當膠凝體系中摻入多種摻合料，由于各摻合料之間的作用關系，可能導致其優勢相互抵消或排斥，沒得到達預期值。這說明單一的考慮膠凝體系中集料顆粒最佳緊密堆積狀態并不完善。膠凝材料體系中各集料在水化過程中伴隨著結構的收縮和膨脹，以及粉煤灰、礦粉活性效應反應程度等其他因素，都將對膠凝體系結構產生影響。

（3）根據混凝土試配強度，以及膠凝體系 SEM 照片分析，膠凝體系基體結構能夠影響混凝土結構，且這個影響成正比。這說明完美的膠凝體系結構，有利于混凝土的強度發展，以及混凝土耐久性的保持。

（4）混凝土硬化成型是一個復雜的過程，其過程中受到膠凝體系結構、骨料本身性質和界面粘接性能等多種因素影響，而想通過單一一種因素判斷其性能過于武斷，也不利于混凝土的開發、創新。

（5）在膠凝材料應用、研發過程中，應當建立不同材料或混合材料的最佳顆粒級配體系，而不是一味趨向建立最緊密堆積體系。總結規律，開拓思路，以變應變，才是混凝土研究的長久思路。

4 展望

目前，我國水泥各大生產、加工企業盲目追求利潤，通過細化水泥顆粒增加水化活性來降低生產成本。而并沒有深切的研究水泥顆粒與礦物摻合料之間的填充效應，使得水泥等混凝土用膠凝體系材料在生產工藝上仍就存在不足。本文以為，應更進一步對復合膠凝體系漿體結構、水化結構，漿體界面粘接結構等方面進行研究，建立水泥基材與礦物摻合料混合的最佳堆積公式及評價方法。通過膠凝體系最佳顆粒級配，指導混凝土配合比優化設計，營造混凝土市場的雙贏局面。