關于水泥熟料與輔助性膠凝材料的優化匹配的探析

黃玉亮

摘 要：低熟料用量、高性能復合水泥具有良好的體積穩定性和耐久性，其主要原因是：復合水泥的水化產物多為外部水化產物，引起的化學收縮較小，K+、Na+進入 C-A-S-H凝膠層間，水化產物層間結合力增強，從而提高了水化產物抵抗體積變形的能力；水化早期少量水泥熟料水化，使漿體逐漸硬化（漿體結構形成），后期水化持續進行且速率較大（礦渣開始水化），大量水化產物填充于漿體孔隙中，使漿體結構較為均勻、密實，漿體內部應力較小且分布均勻，從而改善了復合水泥漿體體積穩定性和耐久性。

關鍵詞：水泥熟料；輔助性膠凝材料；優化匹配

目前，我國已將“節能減排”、“發展低碳經濟”和“可持續發展”定為現階段的基本國策。水泥混凝土用量大、用途廣，是我國基礎建設的基本建筑材料，短時期水泥混凝土無法替代。如何在降低水泥工業資源和能源消耗、減少碳排放量的同時，生產大量高性能水泥，已成為我國亟待解決的問題。利用冶金工業廢渣、燃煤灰渣等工業廢渣生產復合水泥，受到世界各國高度關注和大力支持，是水泥工業發展的方向。

1 水泥熟料與輔助性膠凝材料的優化匹配原則

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），但可通過調控膠凝材料粒徑的方法調整膠凝材料的水化活性。當膠凝材料水化活性過高時，膠凝材料與水拌合后快速水化，使水泥的標準稠度需水量增加、漿體結構不密實，甚至導致水泥漿體過快凝結、流變性能及體積穩定性變差。當膠凝材料水化活性過低時，雖然其需水量較低、漿體堆積密度較高，但顆粒水化較慢，漿體中水化產物數量較少，顆粒間粘接較差，導致水泥的凝結時間較長、各齡期強度較低。若根據膠凝材料的固有活性，通過調控膠凝材料的粒度范圍，將其水化活性控制在某一范圍內，使膠凝材料在水化初期不至于過快水化，又能夠在一定時間內高效水化，可達到降低復合水泥需水量、提高硬化漿體性能的目的。目前，普遍認為中粒度區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時間，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控制在一定范圍內。為充分發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，膠凝材料的標準稠度需水量越高，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，膠凝材料的標準稠度需水量可認為是其引入孔隙能力的一個指標。眾所周知，膠凝材料的水化過程是固相體積膨脹，水化產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指標，即：水化程度越高，對孔隙的填充能力越強。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準稠度需水量之比。

2 水泥熟料與輔助性膠凝材料初始漿體結構的優化匹配

2.1 水泥基材料（粉體）常用顆粒級配模型

關于水泥顆粒分布與性能的關系，中外學者和專家做了許多研究工作，在理論和實際應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水泥和混凝土性能有很大影響。在現有理論模型中，假定粉體顆粒為剛性球體，且無論顆粒大小，只考慮重力對顆粒堆積的影響。但在實際情況下，水泥粉體的堆積狀態往往還受顆粒分布、形狀等參數的影響。

2.2 “區間窄分布，整體寬分布”顆粒級配模型

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

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

（3）為在不增加顆粒整體細度的前提下實現漿體的密堆積，復合水泥的顆粒分布應接近 Fuller 分布?！皡^間窄分布，整體寬分布”模型的顆粒分布參數及各區間顆粒含量（由Fuller 分布計算）。Powers、Frigione、許仲梓、Sprung 和 Locher 等人研究了顆粒均勻性對膠凝材料水化性能的影響。試驗結果一致表明：顆粒分布越窄，水化愈快，強度愈高。因此，“區間窄分布”不僅有利于提高漿體的堆積密度，更有利于各粒度區間膠凝材料水化性能的發揮。

3 水泥熟料與輔助性膠凝材料粒度區間與組成、性能的關系

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。眾多學者對硅酸鹽水泥粒度區間與組成、水化性能的關系進行了較多研究，但不同研究者得出的結論有所差異。Taylor 認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度，但會導致需水量增加、漿體流變性能及體積穩定性變差等問題，因此，<3?m水泥顆粒含量應控制在 10%以內3～30?m 水泥顆粒對水泥強度起主要貢獻，水化 28d 后顆粒僅發生表面水化，該部分顆粒水化程度非常低，對水泥早期和后期強度的貢獻很小。此外，硅酸鹽水泥的粒度還對硬化漿體的微觀結構、水化放熱、孔隙率、滲透系數、體積穩定性等性能影響顯著。

參考文獻

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