關(guān)于水泥熟料與輔助性膠凝材料的優(yōu)化匹配的探析

黃玉亮

摘 要：低熟料用量、高性能復(fù)合水泥具有良好的體積穩(wěn)定性和耐久性，其主要原因是：復(fù)合水泥的水化產(chǎn)物多為外部水化產(chǎn)物，引起的化學(xué)收縮較小，K+、Na+進(jìn)入 C-A-S-H凝膠層間，水化產(chǎn)物層間結(jié)合力增強(qiáng)，從而提高了水化產(chǎn)物抵抗體積變形的能力；水化早期少量水泥熟料水化，使?jié){體逐漸硬化（漿體結(jié)構(gòu)形成），后期水化持續(xù)進(jìn)行且速率較大（礦渣開始水化），大量水化產(chǎn)物填充于漿體孔隙中，使?jié){體結(jié)構(gòu)較為均勻、密實(shí)，漿體內(nèi)部應(yīng)力較小且分布均勻，從而改善了復(fù)合水泥漿體體積穩(wěn)定性和耐久性。

關(guān)鍵詞：水泥熟料；輔助性膠凝材料；優(yōu)化匹配

目前，我國(guó)已將“節(jié)能減排”、“發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)”和“可持續(xù)發(fā)展”定為現(xiàn)階段的基本國(guó)策。水泥混凝土用量大、用途廣，是我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的基本建筑材料，短時(shí)期水泥混凝土無法替代。如何在降低水泥工業(yè)資源和能源消耗、減少碳排放量的同時(shí)，生產(chǎn)大量高性能水泥，已成為我國(guó)亟待解決的問題。利用冶金工業(yè)廢渣、燃煤灰渣等工業(yè)廢渣生產(chǎn)復(fù)合水泥，受到世界各國(guó)高度關(guān)注和大力支持，是水泥工業(yè)發(fā)展的方向。

1 水泥熟料與輔助性膠凝材料的優(yōu)化匹配原則

1.1 眾所周知，膠凝材料的水化活性由其固有活性和粒度決定

雖然膠凝材料的固有活性無法改變（與其礦物組成、冷卻方法等因素有關(guān)），但可通過調(diào)控膠凝材料粒徑的方法調(diào)整膠凝材料的水化活性。當(dāng)膠凝材料水化活性過高時(shí)，膠凝材料與水拌合后快速水化，使水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量增加、漿體結(jié)構(gòu)不密實(shí)，甚至導(dǎo)致水泥漿體過快凝結(jié)、流變性能及體積穩(wěn)定性變差。當(dāng)膠凝材料水化活性過低時(shí)，雖然其需水量較低、漿體堆積密度較高，但顆粒水化較慢，漿體中水化產(chǎn)物數(shù)量較少，顆粒間粘接較差，導(dǎo)致水泥的凝結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)、各齡期強(qiáng)度較低。若根據(jù)膠凝材料的固有活性，通過調(diào)控膠凝材料的粒度范圍，將其水化活性控制在某一范圍內(nèi)，使膠凝材料在水化初期不至于過快水化，又能夠在一定時(shí)間內(nèi)高效水化，可達(dá)到降低復(fù)合水泥需水量、提高硬化漿體性能的目的。目前，普遍認(rèn)為中粒度區(qū)間硅酸鹽水泥顆粒的膠凝性較好，但具體粒徑范圍尚不明確，而對(duì)輔助性膠凝材料的使用則更為盲目，已有研究尚未涉及輔助性膠凝材料高效利用的概念。

1.2 水泥熟料與輔助性膠凝材料的水化程度

為保證水泥漿體具有良好的工作性能和較高的堆積密度，膠凝材料 60min（水泥混凝土拌合、成型期）水化程度不宜過高。為使膠凝材料具有正常的凝結(jié)時(shí)間，其 60min水化程度也不能過低。因此，膠凝材料拌合期的水化程度應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。為充分發(fā)揮膠凝材料的膠凝性能，膠凝材料的后期水化程度越高越好。因此，理想的膠凝材料應(yīng)具有較低的 60min 水化程度、較高的 3d 水化程度和非常高的 28d 水化程度。

1.3 水泥熟料與輔助性膠凝材料的膠凝能力

膠凝材料漿體主要是由固體顆粒和拌合水組成，膠凝材料的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量越高，則膠凝材料漿體的堆積密度越低，各齡期的孔隙率越高。因此，膠凝材料的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量可認(rèn)為是其引入孔隙能力的一個(gè)指標(biāo)。眾所周知，膠凝材料的水化過程是固相體積膨脹，水化產(chǎn)物逐漸填充漿體中孔隙的過程。所以，膠凝材料的水化程度可視為其填充孔隙能力的一個(gè)指標(biāo)，即：水化程度越高，對(duì)孔隙的填充能力越強(qiáng)。因此，膠凝材料的膠凝能力取決于其引入孔隙和填充孔隙的能力，可量化表征為其水化程度與標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量之比。

2 水泥熟料與輔助性膠凝材料初始漿體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化匹配

2.1 水泥基材料（粉體）常用顆粒級(jí)配模型

關(guān)于水泥顆粒分布與性能的關(guān)系，中外學(xué)者和專家做了許多研究工作，在理論和實(shí)際應(yīng)用中取得了許多成果，提出一些堆積模型。1968 年 Taplm提出顆粒分布在水泥水化模型中的重要作用，指出水泥顆粒分布對(duì)水泥和混凝土性能有很大影響。在現(xiàn)有理論模型中，假定粉體顆粒為剛性球體，且無論顆粒大小，只考慮重力對(duì)顆粒堆積的影響。但在實(shí)際情況下，水泥粉體的堆積狀態(tài)往往還受顆粒分布、形狀等參數(shù)的影響。

2.2 “區(qū)間窄分布，整體寬分布”顆粒級(jí)配模型

（1）按照 Horsfield 模型（間斷級(jí)配緊密堆積模型）的要求，若膠凝材料顆粒的最大粒徑為 80?m，各級(jí)填充粒徑應(yīng)分別為 33.12?m、18.00?m、14.16?m、9.28?m、5.80?m和 2.40?m。為便于操作，各級(jí)填充粒徑簡(jiǎn)化為 63?m、32?m、16?m、6?m、3?m。

（2）按照各級(jí)填充粒徑，將膠凝材料劃分為 5 個(gè)區(qū)間，分別為 0～4?m、4～8?m、8～24?m、24～45?m、45～80?m。各區(qū)間顆粒分布應(yīng)較窄，且集中于相應(yīng)填充粒徑的周圍，以消除小顆粒填充過程中引起的“松動(dòng)效應(yīng)”及大顆粒填充過程中造成的“擠開效應(yīng)”，從而獲得較高的堆積密度。

（3）為在不增加顆粒整體細(xì)度的前提下實(shí)現(xiàn)漿體的密堆積，復(fù)合水泥的顆粒分布應(yīng)接近 Fuller 分布?！皡^(qū)間窄分布，整體寬分布”模型的顆粒分布參數(shù)及各區(qū)間顆粒含量（由Fuller 分布計(jì)算）。Powers、Frigione、許仲梓、Sprung 和 Locher 等人研究了顆粒均勻性對(duì)膠凝材料水化性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果一致表明：顆粒分布越窄，水化愈快，強(qiáng)度愈高。因此，“區(qū)間窄分布”不僅有利于提高漿體的堆積密度，更有利于各粒度區(qū)間膠凝材料水化性能的發(fā)揮。

3 水泥熟料與輔助性膠凝材料粒度區(qū)間與組成、性能的關(guān)系

眾所周知，膠凝材料的水化活性不僅在很大程度上取決于其固有活性，還與其粒度、比表面積和表面性狀等有關(guān)。眾多學(xué)者對(duì)硅酸鹽水泥粒度區(qū)間與組成、水化性能的關(guān)系進(jìn)行了較多研究，但不同研究者得出的結(jié)論有所差異。Taylor 認(rèn)為隨水泥粒徑的減小，C2S 與 C3S 含量之比逐漸增加，C3A、C4AF 含量變化較小。FM Lea 則指出在中粒度區(qū)間 C2S 與 C3S 含量之比最大。Tsivilis 指出，增加<3?m 水泥顆粒含量可提高水泥的早期強(qiáng)度，但會(huì)導(dǎo)致需水量增加、漿體流變性能及體積穩(wěn)定性變差等問題，因此，<3?m水泥顆粒含量應(yīng)控制在 10%以內(nèi)3～30?m 水泥顆粒對(duì)水泥強(qiáng)度起主要貢獻(xiàn)，水化 28d 后顆粒僅發(fā)生表面水化，該部分顆粒水化程度非常低，對(duì)水泥早期和后期強(qiáng)度的貢獻(xiàn)很小。此外，硅酸鹽水泥的粒度還對(duì)硬化漿體的微觀結(jié)構(gòu)、水化放熱、孔隙率、滲透系數(shù)、體積穩(wěn)定性等性能影響顯著。

參考文獻(xiàn)

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