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胶凝材料级配效应综述
admin在2020-10-15发布 频道:行业资讯 标签:
     
摘要:混凝土是一种高度无序、多相、多孔的非均质材料。在水泥凝胶体凝结硬化过程中,由于收缩、泌水等原因,胶凝体内部不可避免会形成一些空隙、微裂缝等结构缺陷,使混凝土的强度、耐久性等性能降低。为了提高水泥基材料的结构密实性,长期以来研究人员十分注意粗细骨料的颗粒级配,使骨料的粗细颗粒合理搭配,互相填充,达到孔隙率最小的目的。但是人们往往忽视围观范围的粉体,即胶凝材料颗粒的级配问题[1]。本文通过向通用硅酸盐水泥中掺入不同种类的掺合料取代部分水泥及不同种类掺合料按不同比例混合后取代部分水泥为依据,进一步探讨矿物掺合料颗粒分布,理顺和阐明胶凝材料最佳颗粒级配对强度的影响,从而为配制高性能混凝土、优化混凝土配合比提供一些理论根据。该研究成果将指导混凝土和易性改善,节约单方水泥用量和掺合料利用方面具有指导意义。

引言
  早在20世纪40年代末,就有学者提出水泥颗粒在0~30um之间颗粒对强度其主要作用,其中0~10um部分提供早期强度,10~30um部分提供后期强度。80年代末,由 S.Tsivilis 等一些学者就提出了水泥颗粒级配对其强度的影响及水泥最佳颗粒级配的理论,即为颗粒分布越窄水泥强度越高,对混凝土影响也相似。到了90年代初,由Fuller和Thompson提出的理想筛析曲线,简称Fuller曲线,它提出了最早的最佳堆积密度的颗粒分布。后来Fuller曲线又由A.Hummel和K.Wesche等科学这优化,原因是早期Fuller曲线没有考虑颗粒形状和表面特性。而进入新世纪以来,随着对混凝土耐久性的高度重视和高性能混凝土的迅猛发展,这一理论更加深入和系统的被学者研究,并延伸到混凝土密实性和耐久性,等问题。
  而在近几年,国内外大量学者都明确提出,混凝土强度和耐久性主要取决于基体特性与基体和集料间的胶结特性。而基体和集料间的胶结特性又取决于基体特性,即有效的水灰比、水泥及掺合料的反应活性、颗粒形状和颗粒分布。所以本文通过对比不同细度的粉煤灰、矿渣粉矿物掺合料,以不同比例掺配后形成的粉体颗粒级配及水泥胶砂试件的强度,探讨在胶凝材料颗粒级配逐渐趋向于紧密堆积时,对水泥凝胶体的微观结构以及胶砂试件强度的影响,从而来推述其对混凝土强度的影响,拓宽配合比设计思路,优化混凝土配合比。

胶凝材料紧密堆积理论
  粉料的颗粒分布是不均匀的,不同粉料的颗粒分布曲线也是不同的,水泥颗粒集中分布在3~32um之间,粉煤灰颗粒集中分布在5~20之间,矿粉集中分布在1~10um之间。
  根据Andreasen方程:
 U(D)=100(D/DL)n
  式中:U(D):与粒径D对应的颗粒的筛下量;
    DL:体系中最大颗粒的粒径;
    D:与DL对应的颗粒尺寸;
    n:分布模数。
 可以计算出最大粒径为150um的粉体达到最紧密堆积时,各级粒径颗粒的百分比,见表1[2]
表1  水泥紧密堆积时颗粒分布状态
粒径um <1 <2 <4 <8 <10 <20 <64 <100 <150
紧密堆积水泥 18.82 23.71 29.88 37.64 40.55 51.09 75.28 87.36 100
  根据水泥紧密堆积颗粒分布状态,单一水泥是不满足紧密堆积要求的。根据现有材料颗粒粒级分布,见表2,向水泥中掺入一定量的矿物掺合料进行复配并验收其复配后胶砂强度值。分析当胶凝材料趋于紧密堆积状态时,是否出现附加效应,即颗粒达到紧密堆积时可改善胶凝材料间的填充性,提高龄期强度。
表2  粉料颗粒粒级分布
粒径um <1 <2 <4 <8 <10 <20 <64 <100 <150
水泥 0.82 5.30 16.21 28.75 34.46 51.20 91.35 100 100
粉煤灰 0.01 1.01 4.36 33.95 36.78 74.56 82.34 99.67 100
矿粉1 10.60 27.64 43.23 63.56 67.70 73.44 94.51 100 -
矿粉2 10.54 26.87 40.64 61.87 65.40 73.56 93.63 100 -

原材料及试验方法
2.1试验采用原材料
2.1.1水泥
  所用水泥为亚泰集团辽宁交通水泥有限公司生产的P.O42.5级普通硅酸盐水泥,其0.080mm筛余为1.1%,比表面积为336m2/kg。
2.1.2砂
  所用砂为厦门艾思欧标准砂有限公司生产的中国ISO标准砂。
2.1.3粉煤灰
  所用粉煤灰为沈阳热电厂生产的II级F类粉煤灰,其0.045mm筛余为16.8%,比表面积为440m2/kg,密度为2.52g/cm3
2.1.4矿粉
  所用矿粉1是本溪永星生产的S95级矿粉,其比表面积为596m2/kg,密度为2.87g/cm3
  所用矿粉2是沈阳金石盾生产的S95级矿粉,其比表面积为543m2/kg,密度为2.92g/cm3
2.2试验方法
  依照现行GB/T17671水泥胶砂强度检验方法(ISO法)规定试验。

试验结果及分析
3.1胶砂强度对比试验
  试验一次性选取材料样品,依照现行GB/T17671水泥胶砂强度检验方法(ISO法)规定,对同一材料进行平行试验,终取其均值为代表值,观察数据规律进行总结。
  试验思路:根据掺入矿物掺合料不同取代量及粉煤灰、矿粉按不同比例复合取代部分水泥进行胶砂强度对比分析。
  试验选用的胶砂配比,如表3所示。根据所选粉体材料颗粒粒级分布,胶凝材料复配后颗粒粒径分布值,如表4所示。
表3  胶砂配比
胶砂种类 对比水泥(g) 粉煤灰(g) 矿粉1(g) 矿粉2(g) C/FA/SL
对比胶砂 450 / / / 10/0/0
试验胶砂1 405 45 / / 9/1/0
试验胶砂2 360 90 / / 8/2/0
试验胶砂3 315 135 / / 7/3/0
试验胶砂4 270 180 / / 6/4/0
试验胶砂5 405 / 45 / 9/0/1
试验胶砂6 360 / 90 / 8/0/2
试验胶砂7 315 / 135 / 7/0/3
试验胶砂8 270 / 180 / 6/0/4
试验胶砂9 225 / 225 / 5/0/5
试验胶砂10 180 / 270 / 4/0/6
试验胶砂11 405 / / 45 9/0/1
试验胶砂12 360 / / 90 8/0/2
试验胶砂13 315 / / 135 7/0/3
试验胶砂14 270 / / 180 6/0/4
试验胶砂15 225 / / 225 5/0/5
试验胶砂16 180 / / 270 4/0/6
试验胶砂17 225 180 45   5/4/1
试验胶砂18 225 135 90   5/3/2
试验胶砂19 225 90 135   5/2/3
试验胶砂20 225 45 180   5/1/4
试验胶砂21 225 180   45 5/4/1
试验胶砂22 225 135   90 5/3/2
试验胶砂23 225 90   135 5/2/3
试验胶砂24 225 45   180 5/1/4
试验胶砂25 315 108 27   7/2.4/0.6
试验胶砂26 315 81 54   7/1.8/1.2
试验胶砂27 315 54 81   7/1.2/1.8
试验胶砂28 315 27 108   7/0.6/2.4
试验胶砂29 315 108   27 7/2.4/0.6
试验胶砂30 315 81   54 7/1.8/1.2
试验胶砂31 315 54   81 7/1.2/1.8
试验胶砂32 315 27   108 7/0.6/2.4
表4  不同配比粉料颗粒粒径分布
粒级 <1 <2 <4 <8 <10 <20 <64 <100 <150
紧密堆积 18.82 23.71 29.88 37.64 40.55 51.09 75.28 87.36 100
试验1 0.74 4.87 15.03 29.27 34.69 53.54 90.45 99.97 100
试验2 0.66 4.44 13.84 29.79 34.92 55.87 89.55 99.93 100
试验3 0.58 4.01 12.66 30.31 35.16 58.21 88.65 99.90 100
试验4 0.50 3.58 11.47 30.83 35.39 60.54 87.75 99.87 100
试验5 1.80 7.53 18.91 32.23 37.78 53.42 91.67 100 100
试验6 2.78 9.77 21.61 35.71 41.11 55.65 91.98 100 100
试验7 3.75 12.00 24.32 39.19 44.43 57.87 92.30 100 100
试验8 4.73 14.24 27.02 42.67 47.76 60.10 92.61 100 100
试验9 5.71 16.47 29.72 46.16 51.08 62.32 92.93 100 100
试验10 6.69 18.70 32.42 49.64 54.40 64.54 93.25 100 100
试验11 1.79 7.46 18.65 32.06 37.55 53.44 91.58 100 100
试验12 2.76 9.61 21.10 35.37 40.65 55.67 91.81 100 100
试验13 3.74 11.77 23.54 38.69 43.74 57.91 92.03 100 100
试验14 4.71 13.93 25.98 42.00 46.84 60.14 92.26 100 100
试验15 5.68 16.09 28.43 45.31 49.93 73.56 92.49 100 100
试验16 6.65 18.24 30.87 48.62 53.02 64.62 92.72 100 100
试验17 1.47 5.82 14.17 34.31 38.71 62.77 88.06 99.87 100
试验18 2.53 8.48 18.06 37.27 41.80 62.66 91.13 99.90 100
试验19 3.59 11.14 21.95 40.23 44.90 62.54 90.50 99.93 100
试验20 4.65 13.81 25.83 43.19 47.99 62.43 91.71 99.97 100
试验21 1.47 5.74 13.91 34.14 38.48 62.78 87.97 99.87 100
试验22 2.52 8.33 17.54 36.93 41.34 62.68 43.43 99.90 100
试验23 3.57 10.91 21.17 39.73 44.21 62.58 90.23 99.93 100
试验24 4.63 13.50 24.80 42.52 47.07 62.48 91.36 99.97 100
试验25 1.21 5.61 14.99 32.09 37.01 58.14 89.38 99.92 100
试验26 1.85 7.21 17.32 33.86 38.87 58.07 90.11 99.94 100
试验27 2.48 8.81 19.65 35.64 40.72 58.01 90.84 99.96 100
试验28 3.12 7.40 21.98 37.42 42.58 57.94 91.57 99.98 100
试验29 1.21 5.56 14.83 31.99 36.87 58.15 89.32 99.92 100
试验30 1.84 7.12 17.01 33.66 38.59 58.09 90.00 99.94 100
试验31 2.47 8.67 19.19 35.34 40.31 58.03 90.68 99.96 100
试验32 3.10 10.22 21.36 37.01 42.02 57.97 91.36 99.98 100
  实验均按照现行GB/T17671水泥胶砂强度检验方法(ISO法)中规定试验,水灰比采用0.5,胶砂比为1:3,通过标养7d、28d后测定其强度,并观察硬化后胶凝体内部结构。
  试验数据采用DKZ - 5000型电动抗折试验机与JYW - 300型全自动恒应力试验机提取抗折和抗压数据。
3.2试验过程数据
3.2.1单掺粉煤灰试验
  单掺粉煤灰,即矿物掺合料为粉煤灰,其按一定比例取代部分水泥。本文选取粉煤灰取代率分别为10%、20%、30%、40%四组配比与水泥胶砂空白试验对比,进行多次平行胶砂试验,并检验其强度值,各组配比终取其均值作为代表值,见表5。
表5  掺入粉煤灰胶砂强度值
试验编号 7d强度(MPa) 28d强度(MPa)
抗折 抗压 抗折 抗压
对比胶砂 6.8 39.9 8.6 56.7
试验胶砂1 5.9 27.8 7.8 45.7
试验胶砂2 5.8 29.6 8.0 48.6
试验胶砂3 5.3 25.5 6.8 43.9
试验胶砂4 4.8 23.6 6.2 34.3
  通过试验代表值推出以下规律,见图1,掺入不同比例粉煤灰对抗折强度的影响;图2,掺入不同比例粉煤灰对抗压强度的影响。
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图1  掺入不同比例粉煤灰对抗折强度的影响
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图2  掺入不同比例粉煤灰对抗压强度的影响
3.2.2单掺矿粉试验
  单掺矿粉,即矿物掺合料为矿粉,用其按一定比例取代部分水泥。本文选取矿粉两种,取代率分别为10%、20%、30%、40%、50%、60%共12组配比与水泥胶砂空白试验对比,进行多次平行胶砂试验,并检验其强度值,各组配比终取其均值作为代表值,见表6。
表6  掺入矿粉胶砂强度值
试验编号 7d强度(MPa) 28d强度(MPa)
抗折 抗压 抗折 抗压
对比胶砂 6.8 39.9 8.6 56.7
试验胶砂5 6.8 37.6 8.7 57.8
试验胶砂6 6.8 36.1 9.0 58.2
试验胶砂7 7.0 34.6 9.3 56.3
试验胶砂8 7.1 30.5 9.6 55.4
试验胶砂9 7.1 28.5 9.7 54.2
试验胶砂10 6.8 24.7 9.2 50.8
试验胶砂11 6.3 36.9 8.7 56.9
试验胶砂12 6.2 35.3 8.8 57.1
试验胶砂13 6.0 33.2 9.3 57.9
试验胶砂14 6.0 30.6 9.6 55.7
试验胶砂15 6.1 28.2 9.6 54.8
试验胶砂16 5.8 23.1 9.0 49.6
  通过试验代表值推出以下规律,见图3,掺入不同比例矿粉对抗折强度的影响;图4,掺入不同比例矿粉对抗压强度的影响。
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图3  掺入不同比例矿粉对抗折强度的影响
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图4  掺入不同比例矿粉对抗压强度的影响
3.2.3复合掺合料50%试验
  复合掺合料,即粉煤灰、矿粉复合,其总量为总胶凝材的50%。其中粉煤灰与矿粉比例分别为、8:2、6:4、4:6、2:8、0:10共10配比,进行多次平行胶砂试验,并检验其强度值,各组配比终其均值作为代表值,见表7。
表7  掺入复合混合材1胶砂强度值
试验编号 7d强度(MPa) 28d强度(MPa)
抗折 抗压 抗折 抗压
对比胶砂 6.8 39.9 8.6 56.7
试验胶砂17 4.2 18.2 6.8 36.9
试验胶砂18 4.6 21.4 7.4 42.5
试验胶砂19 5.4 25.2 8.1 48.2
试验胶砂20 6.2 28.7 9.3 53.9
试验胶砂9 7.0 28.5 9.7 54.2
试验胶砂21 4.1 17.6 6.7 35.9
试验胶砂22 4.6 22.0 7.6 43.6
试验胶砂23 5.5 24.8 8.2 46.8
试验胶砂24 6.0 28.9 9.4 52.9
试验胶砂15 6.1 28.2 9.6 54.8
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图5  掺入以不同比例复合总量为50%的复合掺合料对抗折强度影响
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图6  掺入以不同比例复合总量为50%的复合掺合料对抗压强度影响
3.2.4复合掺合料30%试验
  复合掺合料,即粉煤灰、矿粉复合,其总量为比例30%。其中粉煤灰与矿粉比例分别为10:0、8:2、6:4、4:6、2:8、0:10共12组配比,进行多次平行胶砂试验,并检验其强度值,各组配比终其均值作为代表值,见表8。
表8  掺入复合混合材2胶砂强度值
试验编号 7d强度(MPa) 28d强度(MPa)
抗折 抗压 抗折 抗压
对比胶砂 6.8 39.9 8.6 56.7
试验胶砂3 5.3 25.5 6.8 43.9
试验胶砂25 6.5 33.2 8.0 56.8
试验胶砂26 6.1 30.9 7.6 51.2
试验胶砂27 5.9 29.5 7.9 53.8
试验胶砂28 5.5 27.4 8.6 56.2
试验胶砂7 7.0 34.6 9.3 56.3
试验胶砂3 5.3 25.5 6.8 43.9
试验胶砂29 6.3 32.6 7.2 55.7
试验胶砂30 6.0 30.3 7.5 52.1
试验胶砂31 5.6 28.6 8.1 53.6
试验胶砂32 5.4 27.9 8.8 55.8
试验胶砂13 6.0 33.2 9.3 57.9
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图7  掺入以不同比例复合总量为30%的复合掺合料对抗折强度影响
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图8  掺入以不同比例复合总量为30%的复合掺合料对抗压强度影响
3.3试验结果分析
  通过交叉对比分析,当粉料颗粒趋于紧密堆积状态时,其性能能够得到提高,如单掺矿粉试验5~16的数据统计,就满足这一理论。
  并且通过微观结构发现,单掺粉煤灰矿物掺合料试验2,28d水化后的SEM照片成絮状,如图9,图中能够观察到空隙的存在。与其同粉煤灰掺量试验19的SEM照片,如图10,对比,其微观结构不够密实,28d水化活性相对较低,同时试验19相对试验2更趋向与紧密堆积状态。而当胶凝体系趋向最紧密堆积状态靠近时,如图11试验6胶砂水化28d SEM照片,图12试验32胶砂水化28d SEM照片,图中可以观察到其水化后结构已经相当密实,并且强度代表值在全部数据中也是较为突出的。
但并不是无限趋向于最紧密堆积,便产生更多的颗粒级配效应,如掺入复合掺合料50%试验17~24的数据统计,恰恰相反当颗粒级配趋于紧密堆积状态时,强度反而偏低。而掺入复合掺合料30%试验25~32的数据统计就趋向于颗粒级配效应理论。说明不一定是极限颗粒级配就一定出现高的水化活性,其根据复合胶凝材料的种类不同会对颗粒紧密堆积效应产生影响,使其不满足期望值。
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图9 试验2水化28d SEM照片     图10 试验19胶砂水化28d SEM照片
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图11  试验6胶砂水化28d SEM照片 图12  试验32胶砂水化28d SEM照片
  显然在整个胶凝体系性能分析上,当胶凝体系颗粒级配趋向于最紧密堆积状态时,有利于胶凝体系性能提高,但单一考虑胶凝体系中粉体颗粒最佳紧密堆积状态并不完善。胶凝体系材料各体系间在水化过程伴随着体积的膨胀和收缩,粉煤灰、矿粉28d火山灰反应程度等其他因素,都将对胶凝体系产生影响。所以本文提出在胶凝材料应用、研发过程中应当建立不同材料的最佳颗粒级配体系,而不是一味趋向建立最紧密堆积体系。

展望
  目前我国在水泥等混凝土用粉体材料生产工艺上仍存在欠缺,各大生产、加工企业盲目追求利润,通过颗粒细化增加水化活性降低成本。但并没有深入研究水泥颗粒与矿物掺合料间的相互填充机理,本文以为,应进一步对复合水泥拌制浆体结构、水化产物结构,生产混凝土辅助胶凝材料与浆体界面结构等方面进行研究,建立水泥基材与矿物掺合料最佳堆积公式及评价体系。通过胶凝材料体系最佳颗粒级配,指导混凝土配合比优化设计,打造混凝土市场的双赢局面。
  而针对不可再生资源的逐渐减少,国家已经出台多部相关政策,以减少不可再生资源的使用,增加废物利用。如尾矿石、炉渣替代碎石,石屑、机制砂(人工砂)替代河砂,工业废水循环利用等等,特别实在高性能、高强度混凝土的中的应用是未来工作的重中之重。
参考文献:
[1] 蒲心诚,王勇威。高效活性矿物掺料与混凝土的高性能化。混凝土,2002(2),3-6;
[2]李滢,杨静。胶凝材料颗粒级配对水泥凝胶体结构及强度影响。CNKI,2004(03)-0001-04;
[3]程宝军,亓维利,张新胜。颗粒级配对水泥基材料性能达的影响综述,商品混凝土,2012-06;
[4]王湛,李庚英。双掺活性掺合料对高强混凝土性能的影响,混凝土,2001(6):15-18;
[5]赵东镐。适于配置高性能混凝土的硅酸盐水泥及其胶凝材料的最佳颗粒级配,水泥,2007(3): 1-5;
[6]乔龄山。水泥的最佳颗粒分布及其评价方法,水泥,2001(8):1-5。
作者:周溪泉 修晓明 殷艳春 何畔 韩宇
信息来源:混凝土视频网   
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