胶凝材料级配效应对水泥基胶凝体系性能的影响

艾洪祥，刘洋，李绍纯，腊润涛，郑海康，陈旭，韩世界

（1.中建西部建设新疆有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000；2.青岛理工大学 土木工程学院，山东 青岛 266033；3.新疆生产建设兵团勘测规划设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引言

水泥是混凝土的核心原料之一，在水泥基胶凝体系硬化过程中，由于其自身收缩及环境外力的影响，导致体系中出现孔洞、裂缝等结构缺陷，造成混凝土力学及耐久性能的下降。长期以来，研究学者们通过调整粗细骨料的颗粒级配来降低混凝土内部的空隙率，而忽略了一些细微粉体颗粒的影响，即胶凝材料颗粒级配分布问题[1-2]。20世纪90年代初，Fuller和Thompson提出了集料理想筛析曲线——Fuller曲线，形成了最早的最佳堆积密度颗粒分布理论[3]。

21世纪以来，众多研究人员意识到微细颗粒矿物掺合料对填充水泥凝胶体系内部微细孔隙的重要性，越来越注重将粉料颗粒磨得越来越细。但是，从粉体材料紧密堆积理论出发，在亚微观范围内，使胶凝材料颗粒形成良好的级配，对凝胶体结构及强度影响的研究还很欠缺。从理论上分析，如果使胶材料颗粒形成良好的级配，必将有效地降低水泥凝胶体的孔隙率，改善孔结构，对混凝土的性能具有改善作用[4-5]。

本文参照目前中建西部建设有限公司生产水泥各物料间的配比，采用激光粒度分析仪对水泥熟料、矿粉、粉煤灰的颗粒级配分布进行分析，通过胶砂、混凝土力学性能测试对比，优化水泥熟料和矿粉、粉煤灰混合材之间的混合比例，筛选出最佳颗粒级配分布方案，确定胶材混合比例，从而准确地指导生产和应用，实现混凝土生产降本增效。

1 试验

1.1 试验原料及仪器设备

P·O42.5水泥、水泥熟料：来源于中建西部建设吉木萨尔水泥厂，水泥熟料的比表面积为330～360 m2/kg，主要化学成分和矿物组成见表1；粉煤灰（F）：乌鲁木齐红雁二电厂，F类Ⅱ级，主要技术性能见表2；矿粉（K）：新疆（乌鲁木齐）宝新盛源建材有限公司，S75级，主要技术性能见表3；河砂：新疆和砼源，细度模数2.9，Ⅱ区中砂，MB值1.20，含泥量0.8%。

表1 水泥熟料的主要化学成分和矿物组成 %

表2 粉煤灰的主要技术性能

表3 矿粉的主要技术性能

SM-500型试验磨：无锡建筑材料仪器机械厂；YXQM型行星球磨机：长沙米淇仪器设备有限公司；HELOS-RODOS型气流干法激光粒度分析仪：德国新帕泰克（SYMPATEC）公司；JJ-5型水泥胶砂搅拌机：无锡建仪仪器机械有限公司；YAW-300型微机控制自动压力试验机：上海申克试验机有限公司；YDW-20型微电脑水泥抗折试验机：北京三宇伟业试验机有限公司。

1.2 测试方法

通过试验磨将水泥熟料颗粒球磨为粉体，采用李氏瓶、激光粒度仪测试水泥熟料粉体的密度、比表面积，并得到水泥熟料颗粒级配曲线。通过行星式球磨机将粉煤灰、矿粉按不同比例混合，测试其比表面积以及颗粒级配曲线。按照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》测试水泥胶砂强度，水灰比为0.50。采用AutoPoreⅣ高性能全自动压汞仪测试胶砂试块的孔结构。采用蔡司SIGMA 300型场发射扫描电镜观察胶砂试块的表观形貌。

2 试验结果与分析

2.1 胶凝材料颗粒级配分析

粉煤灰、矿粉和水泥熟料的颗粒级配曲线见图1。

由图1可见，矿粉和水泥熟料的颗粒粒径均在120μm以下，粉煤灰的颗粒粒径在435μm以下；矿粉的中位粒径最小，为7.9μm，且颗粒级配分布范围较窄，小颗粒较多；粉煤灰的中位粒径最大，为24.3μm，颗粒粒径分布较宽。一般而言，较宽的颗粒分布有利于提高水泥浆体的堆积密度，而颗粒均匀分布有利于加快水泥的水化速度和提高水化程度。因此，优化胶材颗粒粒径间的比例，对于改善水泥浆体工作性能、力学性能具有重要意义。

胶材中矿粉比例的增加可增大30μm以下细微颗粒的含量，有助于填充混凝土中细小的空隙，且能提高混凝土的后期强度；而有着较宽颗粒级配分布的粉煤灰，有利于提高颗粒间的堆积密度，且有利于加快水泥的水化速度和水化程度。综上考虑，优化粉煤灰与矿粉以及水泥熟料间的掺入比例，既能保证混凝土良好的工作性、和易性，也能满足设计强度要求。

图1 粉煤灰、矿粉和水泥熟料的颗粒级配曲线

2.2 粉煤灰和矿粉比例的优化

如图2所示，将粉煤灰与矿粉按不同质量比混合，通过激光粒度仪测试混合材的颗粒级配分布，按照Andreason方程计算混合材的最紧密堆积颗粒级配。

Andreason方程混合材最紧密堆积方程为：

式中：UD——与粒径对应的颗粒筛下量，%；

DL——体系中最大颗粒的粒径，mm；

D——与UD对应的颗粒尺寸，mm；

n——分布模数。

图2 不同质量比混合材的颗粒级配分布

由图2可见，在颗粒粒径7.5～255μm区间内，所设计的不同质量比混合材的颗粒累计级配分布百分比均在计算最紧密堆积颗粒级配之上，即所有比例混合材小颗粒分布均满足计算要求，且随着矿粉比例的增大，小颗粒增多。在颗粒粒径为4.5～6.0μm，m（F）∶m（K）=3∶1、2∶1时，混合材颗粒级配分布百分比均低于最紧密堆积级配曲线，说明混合材在该粒径区间，小颗粒含量较低，不利于水泥浆体早期强度的形成；而当m（F）∶m（K）=1∶2、1∶3时，在4.5～7.5μm范围区间，混合材颗粒级配分布百分比均高于最紧密堆积级配曲线，但矿粉占比较多会增加混凝土生产成本（矿粉、粉煤灰单价分别为163、62元/t）。因此，综合考虑小颗粒的分布情况以及生产成本，选用m（F）∶m（K）=1∶1，此时混合材颗粒级配相对最优。

2.3 粉煤灰、矿粉混合材对胶砂强度的影响（见表4）

表4 粉煤灰、矿粉混合材对胶砂强度的影响

由表4可见，当使用单一胶凝材料水泥成型胶砂时，无论是早期抗压、抗折强度还是28 d标准龄期的抗折、抗压强度均优于其它试验组。通过控制胶凝材料总量不变，改变粉煤灰与矿粉的质量比，在一定范围区间内，适当增加矿粉比例有助于提高胶砂的抗折、抗压强度，但过多的矿粉使得粉煤灰的比例减小，导致胶砂的工作性能下降，强度也随之降低。当m（C）∶m（F）∶m（K）=315∶67.5∶67.5，即m（F）∶m（K）=1∶1时，除空白组外，胶砂的抗折、抗压强度表现最优，28 d抗折、抗压强度分别为8.0、46.1 MPa，此时混合材的比例最合理。

2.4 水泥熟料与混合材比例对胶砂强度的影响

采用研磨的水泥熟料替代水泥，优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，通过激光粒度仪测试颗粒级配分布，并与Andreason方程计算出的最合理级配分布对比分析，筛选最优水泥熟料与混合材的比例；成型相应的胶砂进行抗折、抗压强度测试。在满足胶材强度和工作性的同时，达到降本增效的目的。

参考吉木萨尔水泥厂生产水泥常采用的几种配比m（水泥熟料）∶m（粉煤灰+矿粉）=85∶10、83∶12、81∶14、79∶16、77∶18、75∶20，水泥熟料与混合材混合后的颗粒级配如图3所示，胶砂力学性能如表5所示。

图3 不同水泥熟料与混合材质量比的颗粒级配分布

由图3可见，通过调整粉煤灰、矿粉混合材与水泥熟料的比例，各比例下的颗粒级配分布都接近水泥最合理级配分布。由图3（a）还可以看出，当m（粉煤灰+矿粉）∶m（水泥熟料）=16∶79时，最接近水泥最合理级配分布曲线。由图3（b）可见，当颗粒粒径为4.50～5.25μm，m（粉煤灰+矿粉）∶m（水泥熟料）=20∶75或18∶77时，微颗粒级配累计分布百分比均低于水泥最合理颗粒级配分布；当m（粉煤灰+矿粉）∶m（水泥熟料）=14∶81时，细小颗粒累计分布百分比较多，均高于水泥最合理级配分布。

表5 不同水泥熟料、混合材质量比对胶砂强度影响

由表5可见，随着混合材比例的增加，胶砂强度呈先提高后降低的趋势，当m（粉煤灰+矿粉）∶m（水泥熟料）=14∶81时，3 d强度和28 d标准龄期强度达到最高，这可能是因为胶材颗粒5.5μm以下粒径分布较多，为胶砂提供了较高的早期强度，而后期强度的提高主要依靠矿粉延缓胶凝材料的水化速度所致。此外，当m（粉煤灰+矿粉）∶m（水泥熟料）=14∶81、16∶79时，28 d标准龄期抗压强度接近于表4中纯水泥胶砂抗压强度，但矿粉、粉煤灰的单价明显低于水泥，达到了降本增效的目的。通过表5还可以看出，采用的6种比例混合材胶砂的力学性能均满足纯水泥胶砂设计强度要求，说明掺入适量的粉煤灰、矿粉，既能满足强度要求，又能实现降本增效。

2.5 水泥熟料与混合材胶砂的微观分析

根据以上试验结果，当混合材中m（粉煤灰）∶m（矿粉）=1∶1，m（粉煤灰+矿粉）∶m（水泥熟料）=14∶81或16∶79时（分别命名为A组、B组），胶砂抗压强度最优。因此选取这2组胶砂与纯水泥基准组在达到28 d龄期时进行压汞测试及SEM分析，更深层次地测试分析掺入粉煤灰、矿粉混合材后胶砂的孔径分布及微观结构，孔径分布曲线见图4，孔结构参数见表6，SEM照片见图5。

图4 水泥熟料与混合材胶砂试块孔径分布微分曲线

由图4中峰值处所对应的最可几孔径可知，掺入适量粉煤灰和矿粉混合材，胶砂内部的微毛细孔（10 nm＜r＜100 nm）、大毛细孔（100 nm＜r＜1000 nm）较纯水泥基准组均有明显的减少，说明粉煤灰、矿粉的掺入有助于水泥胶砂更密实。

表6 水泥熟料与混合材胶砂的平均孔径和孔隙率

由表6可见，当m（粉煤灰+矿粉）∶m（水泥熟料）=14∶81或16∶79时，胶砂试块的孔隙率较纯水泥基准组分别降低了45.9%、49.0%。掺入适量粉煤灰与矿粉可有效降低胶砂试块的孔隙率，填充效应明显，通过压汞试验也阐释了粉煤灰、矿粉混合材对水泥基材料内部密实度的贡献。

图5 掺粉煤灰、矿粉混合材胶砂试块的表面形貌（×10 000）

由图5可见，掺入粉煤灰、矿粉混合材的胶砂试块表面较为平整，不存在明显的微裂缝及孔隙，表面较纯水泥胶砂更致密。尽管纯水泥胶砂的力学性能更优一些，但是用一定量的粉煤灰、矿粉混合材取代部分水泥熟料，在满足基本力学性能的同时可降本增效。从微观角度符合最紧密堆积理论，所以强度方面相比于纯水泥没有降低太多。

3 结论

（1）矿粉的颗粒粒径在120μm以下，中位粒径最小，为7.9 μm；水泥熟料颗粒粒径在120μm以下，中位粒径为9.6μm；粉煤灰的颗粒粒径在435μm以下，中位粒径最大，为24.3μm。

（2）采用Andreason方程计算混合材最紧密堆积颗粒级配作为参考，最终确定选用m（粉煤灰）∶m（矿粉）=1∶1时，该混合材颗粒级配相对最优且成本较低。通过胶砂强度测试，验证了当m（粉煤灰）∶m（矿粉）=1∶1时，混合材的比例最合理。

（3）当m（粉煤灰+矿粉）∶m（水泥熟料）=16∶79时，最接近水泥最合理级配分布曲线；当m（粉煤灰+矿粉）∶m（水泥熟料）=14∶81、16∶79时，胶砂强度较高，孔隙率明显降低，且优于纯水泥基准组，证明了优化矿物掺合料颗粒级配的可行性。