高曙光 北京中水科海利工程技術(shù)有限公司

鄧正剛 李曙光 北京中水科海利工程技術(shù)有限公司 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院材料研究所

混凝土在環(huán)境溫度、濕度、酸度、堿度及荷載等綜合因素作用下耐久性會(huì)逐漸降低，表現(xiàn)為內(nèi)部結(jié)構(gòu)不透水性逐漸減小，滲透性增大，并可逐漸發(fā)生膨脹開(kāi)裂和剝落。水泥是混凝土的重要原材料之一，其性能是決定混凝土耐久性的關(guān)鍵因素。對(duì)于水泥來(lái)講，為提高混凝土耐久性，比較可行和有效的方法是在水泥生產(chǎn)粉磨環(huán)節(jié)，調(diào)整水泥熟料及混合材的顆粒分布，以提高混凝土中水泥石結(jié)構(gòu)的致密度。這樣一方面可以減少混凝土內(nèi)的孔隙，進(jìn)而提高混凝土的抗?jié)B性，另一方面可以提高混凝土強(qiáng)度，提升抵御內(nèi)部缺陷擴(kuò)展的能力。

由于水泥中含有粒徑大小不同的熟料顆粒，它們對(duì)混凝土性能的影響是不同的，所以合理調(diào)整熟料顆粒的數(shù)量分布，可以提高混凝土強(qiáng)度。摻用不同的混合材也可以調(diào)整水泥顆粒分布，有效降低混凝土內(nèi)的孔隙率，提高耐久性，可以擴(kuò)大低品位水泥的使用范圍。

1.顆粒分布對(duì)混凝土孔結(jié)構(gòu)的影響

水泥石的孔結(jié)構(gòu)在很大程度上決定了混凝土耐久性，而水泥顆粒的原始堆積孔隙和水泥水化產(chǎn)物對(duì)原始孔隙的填充程度決定了水泥石的孔結(jié)構(gòu)。因此，水泥顆粒的分布狀態(tài)從根本上影響著水泥石的結(jié)構(gòu)。

水泥石中的孔分為凝膠孔和毛細(xì)孔兩大類。凝膠孔是水泥凝膠中的細(xì)孔，約占凝膠總體積的28%；毛細(xì)孔源于新拌水泥漿體中被水所填充的空間，它是在水泥漿體硬化、自由水蒸發(fā)后所殘留的孔。理論上水泥完全水化所需要的結(jié)合水僅為水泥重量的25%，但為了保證和易性滿足施工的要求，需要在混凝土中加入更多的水。

原蘇聯(lián)的研究表明，水泥中小于5μm的顆粒含量相對(duì)較多時(shí)，可使混凝土中半徑小于0.1μm的微毛細(xì)孔數(shù)量增加，半徑大于0.1μm的大毛細(xì)孔數(shù)量減少。由于滲透速率與毛細(xì)管壓力成正比，而毛細(xì)管壓力與毛細(xì)孔半徑成反比，因此在毛細(xì)孔范圍內(nèi)，隨著毛細(xì)孔半徑減小，混凝土表層結(jié)構(gòu)滲透性將由小變大，導(dǎo)致滲透速率加快，降低了混凝土的耐久性。

水泥細(xì)顆粒含量增加到一定程度時(shí)，還可導(dǎo)致水泥漿體系中水化物生成量不足以填充體系的孔隙，造成水泥石孔隙率增加、強(qiáng)度降低，同時(shí)，細(xì)熟料顆粒含量增加，還會(huì)增加水泥用水量，加大了混凝土收縮，而后引發(fā)更多早期裂縫，進(jìn)一步降低耐久性。

2.顆粒分布對(duì)性能的影響

混凝土強(qiáng)度主要取決于水泥熟料顆粒的大小分布狀況，熟料粒徑的大小不同，對(duì)水泥硬化性能的影響是不同的。水泥顆粒分布對(duì)水泥性能影響的研究已有80多年的歷史，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，粒徑在3～30μm范圍的中粒度熟料顆粒對(duì)水泥強(qiáng)度起主要作用。本文作者曾收集不同粒徑水泥的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，表1中“寧1”“江1”“中1”分別是安徽寧國(guó)水泥廠、南京江南水泥廠、柳州中國(guó)水泥廠的原狀水泥，其它為用原狀水泥制備的窄粒徑水泥。

表1 國(guó)內(nèi)部分成品水泥及其分級(jí)制備的窄粒徑水泥的顆粒組成及強(qiáng)度

2.1 細(xì)顆粒影響

粒徑3μm以下的熟料細(xì)顆粒，由于顆粒間靜電力等相互作用力的影響較大，容易結(jié)團(tuán)，而粒徑小于1μm的熟料顆粒在攪拌過(guò)程中就已水化。S.Tsivilis 等認(rèn)為硅酸鹽水泥中＜3μm顆粒的含量應(yīng)控制在10%以下，因?yàn)椋?μm的細(xì)顆粒水化過(guò)快，甚至在混凝土澆筑成型之前就有一部分顆粒已經(jīng)完全水化了，不利于混凝土強(qiáng)度的提高。同時(shí)，3μm以下熟料顆粒越多，混凝土中生成的水化凝膠也就越多，會(huì)增大混凝土的吸濕性，提高混凝土內(nèi)的濕度，對(duì)混凝土耐久性產(chǎn)生不利影響。羅伊·卡爾森通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不含未水化顆粒的純水化硅酸鈣凝膠，干燥時(shí)凝膠會(huì)分解，據(jù)此可以認(rèn)為，混凝土成型前已經(jīng)完全水化的熟料顆粒，在環(huán)境濕度發(fā)生變化時(shí)，會(huì)影響混凝土的體積穩(wěn)定性，降低混凝土的大氣穩(wěn)定性，加速混凝土內(nèi)部裂縫的擴(kuò)展，從而導(dǎo)致鋼筋銹蝕、增大堿集料反應(yīng)及其他化學(xué)腐蝕對(duì)混凝土的破壞程度，最終導(dǎo)致混凝土耐久性的下降。由此在混凝土澆筑成型前已接近完全水化、特別是已經(jīng)完全水化了的粒徑小于1μm的熟料顆粒，可以歸結(jié)為有害顆粒。

表1中編號(hào)為“寧3”的窄粒徑水泥，2μm以下的熟料顆粒含量為7.8%，“寧1”為9.3%，但“寧1”水泥的3d強(qiáng)度為28.8MPa，比“寧3”的42.9MPa低32.8%，這說(shuō)明細(xì)顆粒熟料含量越大，對(duì)水泥強(qiáng)度的發(fā)展越不利。

2.2 中粒度顆粒影響

硅酸鹽水泥中3～30μm的中粒度顆粒對(duì)水泥強(qiáng)度起主要作用，其含量應(yīng)占65%以上，其中，3～10μm范圍的熟料顆粒主要影響3d早期強(qiáng)度，10～30μm的熟料顆粒影響28d后期強(qiáng)度。趙飛等曾對(duì)同一熟料采用旋風(fēng)分離法分別制備了粒徑大小在0～5 μm、0～10μm和0～30μm范圍的熟料顆粒，然后將制備的熟料與5%二水石膏混合，并檢測(cè)了1～28 d抗壓強(qiáng)度。從試驗(yàn)結(jié)果看，熟料顆粒范圍越細(xì)，1d、3d的強(qiáng)度越高，粒徑在0～10μm范圍熟料的28d強(qiáng)度沒(méi)有增長(zhǎng)，0～5μm熟料的28d強(qiáng)度甚至產(chǎn)生了倒縮；而0～30μm熟料顆粒中，由于10～30μm范圍顆粒含量為46.8%，其28d抗壓強(qiáng)度比0～5μm、0～10μm范圍熟料顆粒的提高了1倍多。

表1中編號(hào)為“寧3”的窄粒徑水泥，2～10μm的熟料顆粒含量比“寧1”“寧2”平均多47%，3d強(qiáng)度比“寧1”“寧2”平均高47%；編號(hào)為“江3”的窄粒徑水泥，10～2μm的熟料顆粒含量比“江1”“江2”平均多26%，3d強(qiáng)度比“江1”“江2”平均高25%；編號(hào)為“中2”的窄粒徑水泥，10～2μm的熟料顆粒含量比“中1”多60%，3d強(qiáng)度比“中1”高70%。以上說(shuō)明，粒徑小于10μm的熟料顆粒主要影響早期強(qiáng)度。

而表1中編號(hào)為“寧3”的窄粒徑水泥，10～30μ m的熟料顆粒含量比“寧1”多43%，28d強(qiáng)度比“寧1”高9%；編號(hào)為“江3”的窄粒徑水泥，10～30μm的熟料顆粒含量比“江1”多21%，28d強(qiáng)度比“江1”高15%；編號(hào)為“中2”的窄粒徑水泥，10～30μm的熟料顆粒含量比“中1”多34%，28d強(qiáng)度比“中1”高15%。

當(dāng)然，早期強(qiáng)度是后期強(qiáng)度的基礎(chǔ)，如果早期強(qiáng)度偏低，即使水泥中10～30μm的熟料顆粒含量有所增加，28d強(qiáng)度也不一定會(huì)高。編號(hào)為“寧2”的窄粒徑水泥，10～30μm的熟料顆粒含量雖然比“寧3”多8%，但由于“寧2”的3d強(qiáng)度比“寧3”低31%，因此“寧2”28d的強(qiáng)度并不比“寧3”的高。

從提高3 d 早期強(qiáng)度的角度出發(fā)，應(yīng)該增加水泥中3～10μm熟料顆粒的數(shù)量，為保證28d后期強(qiáng)度，10～30μm范圍熟料顆粒的數(shù)量也不能少，兩者的比例，應(yīng)該根據(jù)水泥對(duì)強(qiáng)度的要求通過(guò)試驗(yàn)確定，并且要保證28d后期強(qiáng)度不會(huì)產(chǎn)生倒縮。

2.3 粗熟料顆粒的影響

粒徑大于30μm的熟料粗顆粒的水化程度較低，不利于混凝土后期強(qiáng)度的提高，但該部分顆粒的存在，對(duì)混凝土的耐久性還是有益的。

混凝土中未完全水化的熟料顆粒對(duì)抑制裂縫的發(fā)展可以起到體積穩(wěn)定性的作用，同時(shí)，在水分存在的條件下，水泥基體中未水化的水泥熟料顆粒能夠繼續(xù)重啟水化過(guò)程，這種水化過(guò)程的重啟，有利于混凝土微裂縫的自我修復(fù)，提高混凝土的耐久性。

但是，粒徑大于30μm的熟料顆粒，水化進(jìn)程慢，熟料利用率低，不利于水泥生產(chǎn)的節(jié)能減排。

3.窄粒徑水泥存在的問(wèn)題

為滿足“節(jié)能減排、節(jié)約資源與保護(hù)環(huán)境”的目標(biāo)和提高混凝土耐久性，應(yīng)生產(chǎn)以3～30μm熟料顆粒含量為主的窄粒徑水泥，減少粒徑大于30μm熟料顆粒的含量，粒徑大于65μm的熟料顆粒最好沒(méi)有；而粒徑小于3μm的熟料顆粒的含量應(yīng)控制在10%以下，粒徑小于1μm的熟料顆粒也最好沒(méi)有。

但是，減少3μ m以下細(xì)熟料顆粒的含量，會(huì)增加熟料顆粒間的空隙率，降低水泥顆粒的堆積密度，進(jìn)而增加水泥需水量。水泥需水量的增加反過(guò)來(lái)又會(huì)降低混凝土的耐久性。

以3～30μm熟料顆粒含量為主的窄粒徑水泥，其顆粒級(jí)配卻不符合緊密堆積的Fuller曲線的要求，緊密堆積的Fuller曲線要求1～3μm的顆粒含量為10%，小于1μm的顆粒含量為19%，大于30μm的顆粒含量為25%。以3～30μm熟料顆粒含量為主的窄粒徑水泥的顆粒級(jí)配雖然不符合緊密堆積Fuller曲線的水泥顆粒級(jí)配，但可以通過(guò)摻加混合材、改進(jìn)粉磨工藝加以解決。

4.改善水泥顆粒分布的技術(shù)途徑

水泥中熟料細(xì)顆粒的含量對(duì)混凝土耐久性的影響既有正面效應(yīng)，也有負(fù)面效應(yīng)。在一定范圍內(nèi)，隨熟料細(xì)顆粒含量的增加，水泥顆粒的堆積密度增大，對(duì)耐久性有利，但同時(shí)混凝土的需水量也在增加，不利于耐久性的提高，兩者互相矛盾。通過(guò)將活性較低、甚至惰性的易磨混合材如石灰石等粉磨到直徑為3μm以下的細(xì)顆粒摻入代替粒徑小于3μm的熟料顆粒，可以在提高水泥顆粒堆積密度的同時(shí)，降低混凝土的用水量，提高混凝土的耐久性。

針對(duì)混凝土耐久性的要求，在水泥生產(chǎn)中可以采用分別粉磨配制水泥的工藝生產(chǎn)復(fù)合水泥，該工藝一方面可以解決以3～30μm熟料顆粒含量為主的窄粒徑水泥的顆粒級(jí)配與符合緊密堆積的Fuller曲線的水泥的顆粒級(jí)配存在的矛盾，另一方面，可以最大限度地發(fā)揮熟料和混合材的利用率，節(jié)約資源，提高生產(chǎn)效率，降低水泥粉磨的能耗。

為調(diào)整并控制水泥粒徑的分布范圍，粉磨時(shí)應(yīng)選擇配置O-Sepa高效選粉機(jī)的閉路粉磨系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)調(diào)整選粉機(jī)的風(fēng)量和撒料盤(pán)的轉(zhuǎn)速等，可以將顆粒粒徑分布控制在所需范圍內(nèi)。生產(chǎn)時(shí)，易磨性好的混合材如石灰石、粉煤灰、電廠爐渣等，用于制備粒徑小于3μm特別是1μm以下的顆粒，粉磨、選粉時(shí)盡可能將顆粒的最大粒徑控制在3μm以下；易磨性差的礦渣等混合材，用于制備粒徑范圍在30～65μm的顆粒；而熟料的粒徑范圍控制在以3～30μm為主，在設(shè)備能力可以達(dá)到、能耗合理的情況下，應(yīng)盡可能提高熟料中3～30μm顆粒的含量，能超過(guò)80%、達(dá)到90%最好。

將按粒徑分布范圍要求分別粉磨好的熟料和混合材，按比例混合后可生產(chǎn)符合Fuller曲線要求的復(fù)合水泥，這種水泥中的微細(xì)集料能充分填充水泥顆粒間的空隙，降低孔隙率，得到致密的水化體系，從而改善水泥與混凝土的耐久性和長(zhǎng)期性能，同時(shí)，可最大限度地將熟料的強(qiáng)度發(fā)揮出來(lái)。

水泥生產(chǎn)實(shí)踐表明，優(yōu)化和控制水泥的顆粒級(jí)配可以降低水泥的需水量，繼而提高混凝土的強(qiáng)度、耐久性等。

5.結(jié)語(yǔ)

本文分析了不同粒徑分布的水泥性能，提出通過(guò)摻加混合材改善水泥顆粒分布，提高混凝土耐久性的技術(shù)途徑：在水泥生產(chǎn)粉磨環(huán)節(jié)，可采用摻加性能各異特別是耐磨性能不同的混合材的方式，改進(jìn)優(yōu)化粉磨工藝，增加中粒度區(qū)間水泥熟料數(shù)量，以提高水泥熟料利用率；增加易磨混合材的細(xì)粒數(shù)量，增加難磨混合材的粗粒數(shù)量，以優(yōu)化水泥熟料和混合材的顆粒分布，就可提高水泥顆粒堆積密度，減少混凝土用水量，改善新拌混凝土工作性能，降低混凝土內(nèi)部孔隙率，最終提高耐久性。