膠凝材料級配效應對水泥基膠凝體系性能的影響

艾洪祥，劉洋，李紹純，臘潤濤，鄭海康，陳旭，韓世界

（1.中建西部建設新疆有限公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.青島理工大學 土木工程學院，山東 青島 266033；3.新疆生產建設兵團勘測規劃設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

水泥是混凝土的核心原料之一，在水泥基膠凝體系硬化過程中，由于其自身收縮及環境外力的影響，導致體系中出現孔洞、裂縫等結構缺陷，造成混凝土力學及耐久性能的下降。長期以來，研究學者們通過調整粗細骨料的顆粒級配來降低混凝土內部的空隙率，而忽略了一些細微粉體顆粒的影響，即膠凝材料顆粒級配分布問題[1-2]。20世紀90年代初，Fuller和Thompson提出了集料理想篩析曲線——Fuller曲線，形成了最早的最佳堆積密度顆粒分布理論[3]。

21世紀以來，眾多研究人員意識到微細顆粒礦物摻合料對填充水泥凝膠體系內部微細孔隙的重要性，越來越注重將粉料顆粒磨得越來越細。但是，從粉體材料緊密堆積理論出發，在亞微觀范圍內，使膠凝材料顆粒形成良好的級配，對凝膠體結構及強度影響的研究還很欠缺。從理論上分析，如果使膠材料顆粒形成良好的級配，必將有效地降低水泥凝膠體的孔隙率，改善孔結構，對混凝土的性能具有改善作用[4-5]。

本文參照目前中建西部建設有限公司生產水泥各物料間的配比，采用激光粒度分析儀對水泥熟料、礦粉、粉煤灰的顆粒級配分布進行分析，通過膠砂、混凝土力學性能測試對比，優化水泥熟料和礦粉、粉煤灰混合材之間的混合比例，篩選出最佳顆粒級配分布方案，確定膠材混合比例，從而準確地指導生產和應用，實現混凝土生產降本增效。

1 試驗

1.1 試驗原料及儀器設備

P·O42.5水泥、水泥熟料：來源于中建西部建設吉木薩爾水泥廠，水泥熟料的比表面積為330～360 m2/kg，主要化學成分和礦物組成見表1；粉煤灰（F）：烏魯木齊紅雁二電廠，F類Ⅱ級，主要技術性能見表2；礦粉（K）：新疆（烏魯木齊）寶新盛源建材有限公司，S75級，主要技術性能見表3；河砂：新疆和砼源，細度模數2.9，Ⅱ區中砂，MB值1.20，含泥量0.8%。

表1 水泥熟料的主要化學成分和礦物組成 %

表2 粉煤灰的主要技術性能

表3 礦粉的主要技術性能

SM-500型試驗磨：無錫建筑材料儀器機械廠；YXQM型行星球磨機：長沙米淇儀器設備有限公司；HELOS-RODOS型氣流干法激光粒度分析儀：德國新帕泰克（SYMPATEC）公司；JJ-5型水泥膠砂攪拌機：無錫建儀儀器機械有限公司；YAW-300型微機控制自動壓力試驗機：上海申克試驗機有限公司；YDW-20型微電腦水泥抗折試驗機：北京三宇偉業試驗機有限公司。

1.2 測試方法

通過試驗磨將水泥熟料顆粒球磨為粉體，采用李氏瓶、激光粒度儀測試水泥熟料粉體的密度、比表面積，并得到水泥熟料顆粒級配曲線。通過行星式球磨機將粉煤灰、礦粉按不同比例混合，測試其比表面積以及顆粒級配曲線。按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》測試水泥膠砂強度，水灰比為0.50。采用AutoPoreⅣ高性能全自動壓汞儀測試膠砂試塊的孔結構。采用蔡司SIGMA 300型場發射掃描電鏡觀察膠砂試塊的表觀形貌。

2 試驗結果與分析

2.1 膠凝材料顆粒級配分析

粉煤灰、礦粉和水泥熟料的顆粒級配曲線見圖1。

由圖1可見，礦粉和水泥熟料的顆粒粒徑均在120μm以下，粉煤灰的顆粒粒徑在435μm以下；礦粉的中位粒徑最小，為7.9μm，且顆粒級配分布范圍較窄，小顆粒較多；粉煤灰的中位粒徑最大，為24.3μm，顆粒粒徑分布較寬。一般而言，較寬的顆粒分布有利于提高水泥漿體的堆積密度，而顆粒均勻分布有利于加快水泥的水化速度和提高水化程度。因此，優化膠材顆粒粒徑間的比例，對于改善水泥漿體工作性能、力學性能具有重要意義。

膠材中礦粉比例的增加可增大30μm以下細微顆粒的含量，有助于填充混凝土中細小的空隙，且能提高混凝土的后期強度；而有著較寬顆粒級配分布的粉煤灰，有利于提高顆粒間的堆積密度，且有利于加快水泥的水化速度和水化程度。綜上考慮，優化粉煤灰與礦粉以及水泥熟料間的摻入比例，既能保證混凝土良好的工作性、和易性，也能滿足設計強度要求。

圖1 粉煤灰、礦粉和水泥熟料的顆粒級配曲線

2.2 粉煤灰和礦粉比例的優化

如圖2所示，將粉煤灰與礦粉按不同質量比混合，通過激光粒度儀測試混合材的顆粒級配分布，按照Andreason方程計算混合材的最緊密堆積顆粒級配。

Andreason方程混合材最緊密堆積方程為：

式中：UD——與粒徑對應的顆粒篩下量，%；

DL——體系中最大顆粒的粒徑，mm；

D——與UD對應的顆粒尺寸，mm；

n——分布模數。

圖2 不同質量比混合材的顆粒級配分布

由圖2可見，在顆粒粒徑7.5～255μm區間內，所設計的不同質量比混合材的顆粒累計級配分布百分比均在計算最緊密堆積顆粒級配之上，即所有比例混合材小顆粒分布均滿足計算要求，且隨著礦粉比例的增大，小顆粒增多。在顆粒粒徑為4.5～6.0μm，m（F）∶m（K）=3∶1、2∶1時，混合材顆粒級配分布百分比均低于最緊密堆積級配曲線，說明混合材在該粒徑區間，小顆粒含量較低，不利于水泥漿體早期強度的形成；而當m（F）∶m（K）=1∶2、1∶3時，在4.5～7.5μm范圍區間，混合材顆粒級配分布百分比均高于最緊密堆積級配曲線，但礦粉占比較多會增加混凝土生產成本（礦粉、粉煤灰單價分別為163、62元/t）。因此，綜合考慮小顆粒的分布情況以及生產成本，選用m（F）∶m（K）=1∶1，此時混合材顆粒級配相對最優。

2.3 粉煤灰、礦粉混合材對膠砂強度的影響（見表4）

表4 粉煤灰、礦粉混合材對膠砂強度的影響

由表4可見，當使用單一膠凝材料水泥成型膠砂時，無論是早期抗壓、抗折強度還是28 d標準齡期的抗折、抗壓強度均優于其它試驗組。通過控制膠凝材料總量不變，改變粉煤灰與礦粉的質量比，在一定范圍區間內，適當增加礦粉比例有助于提高膠砂的抗折、抗壓強度，但過多的礦粉使得粉煤灰的比例減小，導致膠砂的工作性能下降，強度也隨之降低。當m（C）∶m（F）∶m（K）=315∶67.5∶67.5，即m（F）∶m（K）=1∶1時，除空白組外，膠砂的抗折、抗壓強度表現最優，28 d抗折、抗壓強度分別為8.0、46.1 MPa，此時混合材的比例最合理。

2.4 水泥熟料與混合材比例對膠砂強度的影響

采用研磨的水泥熟料替代水泥，優化水泥熟料和混合材的混合比例，固定混合材中m（F）∶m（K）=1∶1，通過激光粒度儀測試顆粒級配分布，并與Andreason方程計算出的最合理級配分布對比分析，篩選最優水泥熟料與混合材的比例；成型相應的膠砂進行抗折、抗壓強度測試。在滿足膠材強度和工作性的同時，達到降本增效的目的。

參考吉木薩爾水泥廠生產水泥常采用的幾種配比m（水泥熟料）∶m（粉煤灰+礦粉）=85∶10、83∶12、81∶14、79∶16、77∶18、75∶20，水泥熟料與混合材混合后的顆粒級配如圖3所示，膠砂力學性能如表5所示。

圖3 不同水泥熟料與混合材質量比的顆粒級配分布

由圖3可見，通過調整粉煤灰、礦粉混合材與水泥熟料的比例，各比例下的顆粒級配分布都接近水泥最合理級配分布。由圖3（a）還可以看出，當m（粉煤灰+礦粉）∶m（水泥熟料）=16∶79時，最接近水泥最合理級配分布曲線。由圖3（b）可見，當顆粒粒徑為4.50～5.25μm，m（粉煤灰+礦粉）∶m（水泥熟料）=20∶75或18∶77時，微顆粒級配累計分布百分比均低于水泥最合理顆粒級配分布；當m（粉煤灰+礦粉）∶m（水泥熟料）=14∶81時，細小顆粒累計分布百分比較多，均高于水泥最合理級配分布。

表5 不同水泥熟料、混合材質量比對膠砂強度影響

由表5可見，隨著混合材比例的增加，膠砂強度呈先提高后降低的趨勢，當m（粉煤灰+礦粉）∶m（水泥熟料）=14∶81時，3 d強度和28 d標準齡期強度達到最高，這可能是因為膠材顆粒5.5μm以下粒徑分布較多，為膠砂提供了較高的早期強度，而后期強度的提高主要依靠礦粉延緩膠凝材料的水化速度所致。此外，當m（粉煤灰+礦粉）∶m（水泥熟料）=14∶81、16∶79時，28 d標準齡期抗壓強度接近于表4中純水泥膠砂抗壓強度，但礦粉、粉煤灰的單價明顯低于水泥，達到了降本增效的目的。通過表5還可以看出，采用的6種比例混合材膠砂的力學性能均滿足純水泥膠砂設計強度要求，說明摻入適量的粉煤灰、礦粉，既能滿足強度要求，又能實現降本增效。

2.5 水泥熟料與混合材膠砂的微觀分析

根據以上試驗結果，當混合材中m（粉煤灰）∶m（礦粉）=1∶1，m（粉煤灰+礦粉）∶m（水泥熟料）=14∶81或16∶79時（分別命名為A組、B組），膠砂抗壓強度最優。因此選取這2組膠砂與純水泥基準組在達到28 d齡期時進行壓汞測試及SEM分析，更深層次地測試分析摻入粉煤灰、礦粉混合材后膠砂的孔徑分布及微觀結構，孔徑分布曲線見圖4，孔結構參數見表6，SEM照片見圖5。

圖4 水泥熟料與混合材膠砂試塊孔徑分布微分曲線

由圖4中峰值處所對應的最可幾孔徑可知，摻入適量粉煤灰和礦粉混合材，膠砂內部的微毛細孔（10 nm＜r＜100 nm）、大毛細孔（100 nm＜r＜1000 nm）較純水泥基準組均有明顯的減少，說明粉煤灰、礦粉的摻入有助于水泥膠砂更密實。

表6 水泥熟料與混合材膠砂的平均孔徑和孔隙率

由表6可見，當m（粉煤灰+礦粉）∶m（水泥熟料）=14∶81或16∶79時，膠砂試塊的孔隙率較純水泥基準組分別降低了45.9%、49.0%。摻入適量粉煤灰與礦粉可有效降低膠砂試塊的孔隙率，填充效應明顯，通過壓汞試驗也闡釋了粉煤灰、礦粉混合材對水泥基材料內部密實度的貢獻。

圖5 摻粉煤灰、礦粉混合材膠砂試塊的表面形貌（×10 000）

由圖5可見，摻入粉煤灰、礦粉混合材的膠砂試塊表面較為平整，不存在明顯的微裂縫及孔隙，表面較純水泥膠砂更致密。盡管純水泥膠砂的力學性能更優一些，但是用一定量的粉煤灰、礦粉混合材取代部分水泥熟料，在滿足基本力學性能的同時可降本增效。從微觀角度符合最緊密堆積理論，所以強度方面相比于純水泥沒有降低太多。

3 結論

（1）礦粉的顆粒粒徑在120μm以下，中位粒徑最小，為7.9 μm；水泥熟料顆粒粒徑在120μm以下，中位粒徑為9.6μm；粉煤灰的顆粒粒徑在435μm以下，中位粒徑最大，為24.3μm。

（2）采用Andreason方程計算混合材最緊密堆積顆粒級配作為參考，最終確定選用m（粉煤灰）∶m（礦粉）=1∶1時，該混合材顆粒級配相對最優且成本較低。通過膠砂強度測試，驗證了當m（粉煤灰）∶m（礦粉）=1∶1時，混合材的比例最合理。

（3）當m（粉煤灰+礦粉）∶m（水泥熟料）=16∶79時，最接近水泥最合理級配分布曲線；當m（粉煤灰+礦粉）∶m（水泥熟料）=14∶81、16∶79時，膠砂強度較高，孔隙率明顯降低，且優于純水泥基準組，證明了優化礦物摻合料顆粒級配的可行性。