水泥顆粒分布對混凝土耐久性的影響及改善途徑

高曙光 北京中水科海利工程技術有限公司

鄧正剛 李曙光 北京中水科海利工程技術有限公司 中國水利水電科學研究院材料研究所

混凝土在環境溫度、濕度、酸度、堿度及荷載等綜合因素作用下耐久性會逐漸降低，表現為內部結構不透水性逐漸減小，滲透性增大，并可逐漸發生膨脹開裂和剝落。水泥是混凝土的重要原材料之一，其性能是決定混凝土耐久性的關鍵因素。對于水泥來講，為提高混凝土耐久性，比較可行和有效的方法是在水泥生產粉磨環節，調整水泥熟料及混合材的顆粒分布，以提高混凝土中水泥石結構的致密度。這樣一方面可以減少混凝土內的孔隙，進而提高混凝土的抗滲性，另一方面可以提高混凝土強度，提升抵御內部缺陷擴展的能力。

由于水泥中含有粒徑大小不同的熟料顆粒，它們對混凝土性能的影響是不同的，所以合理調整熟料顆粒的數量分布，可以提高混凝土強度。摻用不同的混合材也可以調整水泥顆粒分布，有效降低混凝土內的孔隙率，提高耐久性，可以擴大低品位水泥的使用范圍。

1.顆粒分布對混凝土孔結構的影響

水泥石的孔結構在很大程度上決定了混凝土耐久性，而水泥顆粒的原始堆積孔隙和水泥水化產物對原始孔隙的填充程度決定了水泥石的孔結構。因此，水泥顆粒的分布狀態從根本上影響著水泥石的結構。

水泥石中的孔分為凝膠孔和毛細孔兩大類。凝膠孔是水泥凝膠中的細孔，約占凝膠總體積的28%；毛細孔源于新拌水泥漿體中被水所填充的空間，它是在水泥漿體硬化、自由水蒸發后所殘留的孔。理論上水泥完全水化所需要的結合水僅為水泥重量的25%，但為了保證和易性滿足施工的要求，需要在混凝土中加入更多的水。

原蘇聯的研究表明，水泥中小于5μm的顆粒含量相對較多時，可使混凝土中半徑小于0.1μm的微毛細孔數量增加，半徑大于0.1μm的大毛細孔數量減少。由于滲透速率與毛細管壓力成正比，而毛細管壓力與毛細孔半徑成反比，因此在毛細孔范圍內，隨著毛細孔半徑減小，混凝土表層結構滲透性將由小變大，導致滲透速率加快，降低了混凝土的耐久性。

水泥細顆粒含量增加到一定程度時，還可導致水泥漿體系中水化物生成量不足以填充體系的孔隙，造成水泥石孔隙率增加、強度降低，同時，細熟料顆粒含量增加，還會增加水泥用水量，加大了混凝土收縮，而后引發更多早期裂縫，進一步降低耐久性。

2.顆粒分布對性能的影響

混凝土強度主要取決于水泥熟料顆粒的大小分布狀況，熟料粒徑的大小不同，對水泥硬化性能的影響是不同的。水泥顆粒分布對水泥性能影響的研究已有80多年的歷史，大多數學者認為，粒徑在3～30μm范圍的中粒度熟料顆粒對水泥強度起主要作用。本文作者曾收集不同粒徑水泥的試驗數據，表1中“寧1”“江1”“中1”分別是安徽寧國水泥廠、南京江南水泥廠、柳州中國水泥廠的原狀水泥，其它為用原狀水泥制備的窄粒徑水泥。

表1 國內部分成品水泥及其分級制備的窄粒徑水泥的顆粒組成及強度

2.1 細顆粒影響

粒徑3μm以下的熟料細顆粒，由于顆粒間靜電力等相互作用力的影響較大，容易結團，而粒徑小于1μm的熟料顆粒在攪拌過程中就已水化。S.Tsivilis 等認為硅酸鹽水泥中＜3μm顆粒的含量應控制在10%以下，因為＜3μm的細顆粒水化過快，甚至在混凝土澆筑成型之前就有一部分顆粒已經完全水化了，不利于混凝土強度的提高。同時，3μm以下熟料顆粒越多，混凝土中生成的水化凝膠也就越多，會增大混凝土的吸濕性，提高混凝土內的濕度，對混凝土耐久性產生不利影響。羅伊·卡爾森通過試驗發現，不含未水化顆粒的純水化硅酸鈣凝膠，干燥時凝膠會分解，據此可以認為，混凝土成型前已經完全水化的熟料顆粒，在環境濕度發生變化時，會影響混凝土的體積穩定性，降低混凝土的大氣穩定性，加速混凝土內部裂縫的擴展，從而導致鋼筋銹蝕、增大堿集料反應及其他化學腐蝕對混凝土的破壞程度，最終導致混凝土耐久性的下降。由此在混凝土澆筑成型前已接近完全水化、特別是已經完全水化了的粒徑小于1μm的熟料顆粒，可以歸結為有害顆粒。

表1中編號為“寧3”的窄粒徑水泥，2μm以下的熟料顆粒含量為7.8%，“寧1”為9.3%，但“寧1”水泥的3d強度為28.8MPa，比“寧3”的42.9MPa低32.8%，這說明細顆粒熟料含量越大，對水泥強度的發展越不利。

2.2 中粒度顆粒影響

硅酸鹽水泥中3～30μm的中粒度顆粒對水泥強度起主要作用，其含量應占65%以上，其中，3～10μm范圍的熟料顆粒主要影響3d早期強度，10～30μm的熟料顆粒影響28d后期強度。趙飛等曾對同一熟料采用旋風分離法分別制備了粒徑大小在0～5 μm、0～10μm和0～30μm范圍的熟料顆粒，然后將制備的熟料與5%二水石膏混合，并檢測了1～28 d抗壓強度。從試驗結果看，熟料顆粒范圍越細，1d、3d的強度越高，粒徑在0～10μm范圍熟料的28d強度沒有增長，0～5μm熟料的28d強度甚至產生了倒縮；而0～30μm熟料顆粒中，由于10～30μm范圍顆粒含量為46.8%，其28d抗壓強度比0～5μm、0～10μm范圍熟料顆粒的提高了1倍多。

表1中編號為“寧3”的窄粒徑水泥，2～10μm的熟料顆粒含量比“寧1”“寧2”平均多47%，3d強度比“寧1”“寧2”平均高47%；編號為“江3”的窄粒徑水泥，10～2μm的熟料顆粒含量比“江1”“江2”平均多26%，3d強度比“江1”“江2”平均高25%；編號為“中2”的窄粒徑水泥，10～2μm的熟料顆粒含量比“中1”多60%，3d強度比“中1”高70%。以上說明，粒徑小于10μm的熟料顆粒主要影響早期強度。

而表1中編號為“寧3”的窄粒徑水泥，10～30μ m的熟料顆粒含量比“寧1”多43%，28d強度比“寧1”高9%；編號為“江3”的窄粒徑水泥，10～30μm的熟料顆粒含量比“江1”多21%，28d強度比“江1”高15%；編號為“中2”的窄粒徑水泥，10～30μm的熟料顆粒含量比“中1”多34%，28d強度比“中1”高15%。

當然，早期強度是后期強度的基礎，如果早期強度偏低，即使水泥中10～30μm的熟料顆粒含量有所增加，28d強度也不一定會高。編號為“寧2”的窄粒徑水泥，10～30μm的熟料顆粒含量雖然比“寧3”多8%，但由于“寧2”的3d強度比“寧3”低31%，因此“寧2”28d的強度并不比“寧3”的高。

從提高3 d 早期強度的角度出發，應該增加水泥中3～10μm熟料顆粒的數量，為保證28d后期強度，10～30μm范圍熟料顆粒的數量也不能少，兩者的比例，應該根據水泥對強度的要求通過試驗確定，并且要保證28d后期強度不會產生倒縮。

2.3 粗熟料顆粒的影響

粒徑大于30μm的熟料粗顆粒的水化程度較低，不利于混凝土后期強度的提高，但該部分顆粒的存在，對混凝土的耐久性還是有益的。

混凝土中未完全水化的熟料顆粒對抑制裂縫的發展可以起到體積穩定性的作用，同時，在水分存在的條件下，水泥基體中未水化的水泥熟料顆粒能夠繼續重啟水化過程，這種水化過程的重啟，有利于混凝土微裂縫的自我修復，提高混凝土的耐久性。

但是，粒徑大于30μm的熟料顆粒，水化進程慢，熟料利用率低，不利于水泥生產的節能減排。

3.窄粒徑水泥存在的問題

為滿足“節能減排、節約資源與保護環境”的目標和提高混凝土耐久性，應生產以3～30μm熟料顆粒含量為主的窄粒徑水泥，減少粒徑大于30μm熟料顆粒的含量，粒徑大于65μm的熟料顆粒最好沒有；而粒徑小于3μm的熟料顆粒的含量應控制在10%以下，粒徑小于1μm的熟料顆粒也最好沒有。

但是，減少3μ m以下細熟料顆粒的含量，會增加熟料顆粒間的空隙率，降低水泥顆粒的堆積密度，進而增加水泥需水量。水泥需水量的增加反過來又會降低混凝土的耐久性。

以3～30μm熟料顆粒含量為主的窄粒徑水泥，其顆粒級配卻不符合緊密堆積的Fuller曲線的要求，緊密堆積的Fuller曲線要求1～3μm的顆粒含量為10%，小于1μm的顆粒含量為19%，大于30μm的顆粒含量為25%。以3～30μm熟料顆粒含量為主的窄粒徑水泥的顆粒級配雖然不符合緊密堆積Fuller曲線的水泥顆粒級配，但可以通過摻加混合材、改進粉磨工藝加以解決。

4.改善水泥顆粒分布的技術途徑

水泥中熟料細顆粒的含量對混凝土耐久性的影響既有正面效應，也有負面效應。在一定范圍內，隨熟料細顆粒含量的增加，水泥顆粒的堆積密度增大，對耐久性有利，但同時混凝土的需水量也在增加，不利于耐久性的提高，兩者互相矛盾。通過將活性較低、甚至惰性的易磨混合材如石灰石等粉磨到直徑為3μm以下的細顆粒摻入代替粒徑小于3μm的熟料顆粒，可以在提高水泥顆粒堆積密度的同時，降低混凝土的用水量，提高混凝土的耐久性。

針對混凝土耐久性的要求，在水泥生產中可以采用分別粉磨配制水泥的工藝生產復合水泥，該工藝一方面可以解決以3～30μm熟料顆粒含量為主的窄粒徑水泥的顆粒級配與符合緊密堆積的Fuller曲線的水泥的顆粒級配存在的矛盾，另一方面，可以最大限度地發揮熟料和混合材的利用率，節約資源，提高生產效率，降低水泥粉磨的能耗。

為調整并控制水泥粒徑的分布范圍，粉磨時應選擇配置O-Sepa高效選粉機的閉路粉磨系統，該系統通過調整選粉機的風量和撒料盤的轉速等，可以將顆粒粒徑分布控制在所需范圍內。生產時，易磨性好的混合材如石灰石、粉煤灰、電廠爐渣等，用于制備粒徑小于3μm特別是1μm以下的顆粒，粉磨、選粉時盡可能將顆粒的最大粒徑控制在3μm以下；易磨性差的礦渣等混合材，用于制備粒徑范圍在30～65μm的顆粒；而熟料的粒徑范圍控制在以3～30μm為主，在設備能力可以達到、能耗合理的情況下，應盡可能提高熟料中3～30μm顆粒的含量，能超過80%、達到90%最好。

將按粒徑分布范圍要求分別粉磨好的熟料和混合材，按比例混合后可生產符合Fuller曲線要求的復合水泥，這種水泥中的微細集料能充分填充水泥顆粒間的空隙，降低孔隙率，得到致密的水化體系，從而改善水泥與混凝土的耐久性和長期性能，同時，可最大限度地將熟料的強度發揮出來。

水泥生產實踐表明，優化和控制水泥的顆粒級配可以降低水泥的需水量，繼而提高混凝土的強度、耐久性等。

5.結語

本文分析了不同粒徑分布的水泥性能，提出通過摻加混合材改善水泥顆粒分布，提高混凝土耐久性的技術途徑：在水泥生產粉磨環節，可采用摻加性能各異特別是耐磨性能不同的混合材的方式，改進優化粉磨工藝，增加中粒度區間水泥熟料數量，以提高水泥熟料利用率；增加易磨混合材的細粒數量，增加難磨混合材的粗粒數量，以優化水泥熟料和混合材的顆粒分布，就可提高水泥顆粒堆積密度，減少混凝土用水量，改善新拌混凝土工作性能，降低混凝土內部孔隙率，最終提高耐久性。