２０１１年第８期（总第２６２期） 混 凝 土 理论研究 Ｎｕｍｂｅｒ ８ ｉｎ ２０１ １（Ｔｏｔａｌ Ｎｏ．２６２） Ｃｏｎｃｒｅｔｅ ＴＨＥｏＲＥＴＩＣＡＬ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ｄｏｉ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１００２—３５５０．２０１１．０８．００３ 颗粒级配对水泥浆体强度和自收缩的影响 程宝军，邓敏，奠立武 （南京工业大学材料科学与工程学院材料化学工程国家重点实验室，江苏南京２１０００９） 摘要： 通过实验室球磨机制备出比表面积分别为２８０、３７０和６７０ ｍ￣／ｋｇ三种不同细度的水泥，与不同掺量矿粉配制成不同颗粒级配的 复合水泥，并进行了复合水泥干粉压实体孔隙率、复合水泥浆体的抗压强度、孔隙率、自收缩和ＢＳＥＭ测试。结果表明：随着水泥细度的增 加，压实体的孔隙率逐渐增大。细水泥对复合水泥浆体早期孔隙的细化效果显著，提高了大掺量矿渣复合水泥浆体早期强度。矿粉的掺人 减小了复合水泥体系的自收缩，矿粉掺量越大，水泥浆体自收缩越小。 关键词：抗压强度；自收缩；矿渣复合水泥；颗粒级配 中图分类号：ＴＵ５２８．０１ 文献标志码：Ａ 文章编号： １００２—３５５０（２０１１）０８—０００７—０３ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｎ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ａｕｔｏｇｅｎｏｕｓ ｓｈｒｉｎｋａｇｅ ｏｆ ｃｅｍｅｎｔ ｐａｓｔｅｓ ＣＨＥＮＧＢａｏ－ｊａｎ，ＤＥＮＧＭｉｎ，ＭＯＬｉ一删 （ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｗｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓ—ＯｒｉｅｎｔｅｄＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭａｅｆｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１０００９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｅｅ ｃｅｍｅｎｔｓ ｗｉｔｈ ｓｐｅｃｉｉｆｃ ｓｕｒｆａｃｅ ａｒｅａｓ ｏｆ２８０，３７０ ａｎｄ ６７０ ｍ２／ ｗｅｒｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｉｎ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ．￥９５ ｓｌａｇ ｐｏｗｄｅｒｓ ｗｅｒｅ ｍｉｘｅｄ ｗｉｔｈ ｃｅｍｅｎｔｔｏｐｒｅｐａｒｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｃｅｍｅｎｔｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅｄｉｓｔｒｂｕｔｉｏｎ．Ｐｏｒｏｓｉｙｔｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｃｅｍｅｎｔ ｃｏｍｐａｃｔｓ，ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｐｏｒｏｓｉ・ ｔｙ，ａｕｔｏｇｅｎｏｕｓ ｓｈｒｉｎｋａｇｅ ａｎｄ ＢＳＥＭ ｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｈａｒｄｅｎｅｄ ｃｅｍｅｎｔ ｐａｓｔｅｓ ｗｅｒｅ ｔａｓｔｅｄ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ ｔｈａｔ ｐｏｒｏｓｉｙｔ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｃｅｍｅｎｔ ｃｏｍｐａｃｔｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｉｆｎｅｎｅｓｓ ｏｆ ｃｅｍｅｎｔｓ．Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｃｅｍｅｎｔ ｐａｔｈｓ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｆｉｎｅｒ ｃｅｍｅｎｔｓ ｐｏｗｄｅｒｓ ｈａｖｅ ａ ｉｆｎｅｒ ｅａｒｌｙ ｐｏｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｗｉｌｌ ｈｉｇｈｅｒ ｅａｒｌｙ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ．Ａｕｔｏｇｅｎｏｕｓ ｓｈｒｉｎｋａｇｅ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｃｅｍｅｎｔ ｐａｓｔｅｓ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｉｎ— ｃｒｅａｓｅｄ ｄｏｓａｇｅ ｏｆ ｓｌａｇ ｐｏｗｄｅｒｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ；ａｕｔｏｇｅｎｏｕｓ ｓｈｒｉｎｋａｇｅ；ｓｌａｇ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｃｅｍｅｎｔ；ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ０ 引言 水化层的速率，服从渗透定律ｈ＝２ｔｏ ｓ，当包裹层厚度达到２５ ｍ 时，扩散非常缓慢，水化反应趋于停止，＞３２ ｍ的水泥颗粒最 优化水泥及其与填充材料之间的粒度分布，可充分发挥体 终仍有未水化的内核阍。＞３２ ｐ，ｒｎ的颗粒含量高的水泥不仅早期 系中各组分的作用，并增加体系的堆积密度，提高水泥基胶凝 强度低而且造成了水泥熟料的极大浪费。 材料的整体性能。王爱琴等［１］指出粒度分布对水泥浆体孔结构 提高水泥熟料细度并掺加适量稍粗的矿物掺合料，调整水 的影响主要体现在粉体原始堆积密度和水化速度两个方面，在 泥粉体的颗粒级配，一方面，保证体系较高的堆积密度，另一方 一定范围内，较宽的颗粒分布有利于提高堆积密度，而颗粒均 面，使水泥熟料胶凝性能得到充分发挥，加快复合水泥早期强 匀分布有利于加大水化速度和提高水化程度。牛全林等 ］用 度的发展，且辅助材料颗粒在浆体中能起到限制收缩和降低水 Ｈｏｒｓｉｆｅｌｄ模型和Ａｎｄｒｅａｓｅｎ方程计算了水泥紧密堆积中超细粉 化热作用，有效减少复合浆体的收缩。本研究制备了复合水泥干 的数量，指出在普通细度的水泥中掺加比表面积为８００ ｍ ｇ的 粉压实体，通过测试压实体孑Ｌ隙率来反映初始颗粒的堆积情况； 超细矿粉，其粒径分布状况与最紧密堆积仍有较大差距，建议 研究了硅酸盐水泥细度对矿渣复合水泥浆体抗压强度和自收 适宜掺量的硅灰与矿物质超细粉配合使用。Ｐｅｎｇ等嗍用水泥最 缩的影响，以期阐明颗粒级配对矿渣硅酸盐复合水泥性能的影 小需水量法研究了超细粉煤灰、钢渣和硅灰对水泥基材料二元 响规律。 体系、三元体系、四元体系堆积密度的影响，指出双掺或多掺粒 径分布相差较大的矿物掺合料可减少水泥最小需水量，降低孔 １原料和试验方法 隙率。 １．１原材料和配合比 水泥熟料与水作用生成水化产物是水泥产生胶凝性的根本 试验所用熟料为中国水泥厂生产的硅酸盐水泥熟料，用 原因，水泥熟料颗粒的水化程度决定了水泥胶凝性的发挥０，５］。 ９５％的水泥熟料和５％的石膏磨制成勃式比表面积分别为２８０、 随着水化的进行，水泥颗粒逐渐地被Ｃ—Ｓ－Ｈ凝胶覆盖，反应速 ３７０、６７０ ｍ２／ｋｇ的硅酸盐水泥，水泥的密度为３．１２ ｇ／ｃｍ３，采用 度逐渐转变为扩散过程控制，水化速率取决于水分子扩散通过 ＭＳ２０００激光粒度分析仪测试的体积平均粒径为别为３１、２２、 收稿日期：２０１１＿ＪＤ２＿Ｊ０６ 基金项目：国家重点基础研究发展计划（２ｏＯ９ＣＢ６２３１Ｏ５） ・ ７ ・ ｌ０／ｘｍ，三种水泥的编号分别为Ｃ Ｃ 和ｃ 矿粉为梅山钢铁公 司生产的Ｓ９５矿粉，密度２．９５ ｇ／ｃｍ ，勃式比表面积为３９０ ｍ ／ｋｇ， 体积平均粒径为２４ ｍ，矿粉的编号为ｓ。水泥熟料与矿粉的化 学分析结果见表１：水泥和矿粉粒度分布曲线见图１。 表１ 水泥熟料和矿粉的化学组成 原料熟料矿粉１００ 能克服表面力并在颗粒允许的范围内尽可能地紧密堆积 】。 称量４０．ｏ０ ｇ水泥，填入定制的内腔长×宽Ｘ高为３５ ｍｍｘ ２５ｍｍｘｌ００ｍｍ的模具中，在模具下压盖两边设置有垫片，能上下 同时加压，均匀压实粉体。首先以４ｍｍ／ｍｉｎ的速度压至１００Ｎ，冉 以１２ ｍｍ／ｍｉｎ速度压至１６ ｋＮ，保压５ ｍｉｎ。取下两边垫片，重复 加压一次。然后取下下压盖把模具反向放置于压力机上将压实 体挤出，称量压实体的质量，测量压实体的高度。 ％ ｓｏ３ ｓｉｏ２ ＦｅｚＯ３ Ａ１２０３ ＣａＯ ＭｇＯ Ｋ２０ Ｎａ２０ Ｌｏｓｓ ２．１６ ２１．１８ ３．７６ ５．３６ ６３．４７ １．１３ １．０５ ０．１３ １．６１ Ｏ．０６ ３３．０６ ０．７７ １６．３２ ３８ ３５ ９．２３ ０．４３ ０．４９ ０．５２ 计算水泥压实体的孑Ｌ隙率： ｌ￣ｈ 一 ８０ ｐ （１） 妊６Ｏ 式中：Ｐ——水泥压实体的孔隙率； ｍ——： ４Ｏ 称量水泥的质量； 娅ｊ｛； ２０ ｐ——密度； ｆ——压实体的长度； ０ ６０ １２０ ｌ８０ ０ １ １ＯＯ １ ０００ ——压实体的高度； 颗粒尺寸 ｍ （ａ）累计分布曲线 颗粒尺寸／Ｉｘｍ （ｂ）￣ｌＮ分布曲线 ｋ——压实体的宽度。 图１ 硅酸盐水泥和矿粉的粒度分布曲线 ２结果与分析 ２．１水泥压实体孔隙率 水泥压实体的孔隙率如图２所示，可以看出硅酸盐水泥Ｃ 。、 将不同细度的硅酸盐水泥与４０％和６０％矿粉混合制备矿 渣复合水泥，水胶比为Ｏ．２８时，矿渣硅酸盐复合水泥凝结时间 见表２。 表２原材料的配合比和凝结时间 Ｃ 和Ｃ。。压实体的孑Ｌ隙率随着其细度的增加逐渐增大。￥９５矿 粉的掺入增大了Ｃ， 和ｃ 水泥复合粉体的孔隙率，并且随着矿 粉掺量的增大，孑Ｌ隙率逐渐增大；ｓ９５矿粉的掺人减小了Ｃ 。水泥 复合粉体的孔隙率，并且随着矿粉掺量的增加，孔隙率逐渐减 小。图１结果表明，￥９５矿粉的粒径分布范围的比Ｃ；。和Ｃ 水 泥窄，掺加矿粉在一定程度上使Ｃ，．和Ｃ 水泥矿渣复合粉体粒 径分布变窄；Ｃ 。水泥＞３２／ｘｍ的颗粒含量偏少，矿粉的掺人增大 了Ｃ。。矿渣复合水泥粉体的粒径分布范围。可见提高硅酸盐水 泥细度并掺加适量较粗的矿粉，可以在一定程度上优化水泥的 粒径分布范围，增加颗粒的初始堆积密度，获得较低孔隙率的 水泥压实体。 １．２试验方法 １．２．１抗压强度和孑Ｌ结构测试 ３５・０ ３４．５ 测试抗压强度的水泥浆体试件尺寸为２０ ｍｍｘ２０ ｍｍｘ２０ ｉＴＵＴＩ， 在（２０＿＋０．５）℃、ＲＨ≥９５％的标准养护条件下养护（２４＋２）ｈ后脱 模，脱模后在２０℃水中养护３、７、２８、６０、９０、１８０ｄ测试其抗压强 ３４．Ｏ 星 墼３３．５ ３３ Ｏ ３２ ５ 度；采用Ｐｏｒｅｍａｓｔｅｒ ＧＴ一６０自动压汞仪测试矿渣硅酸盐复合水 泥浆体的孑Ｌ结构；采用ＪＳＭ ６４９０ＬＶ对矿渣硅酸盐复合水泥浆 体进行了ＢＳＥＭ测试。 １．２．２水泥浆体自收缩测试 水泥浆体自收缩测试装置是由６根水平放置镀锘不锈钢 组成的钢结构支架，一端固定３个千分表（量程０－５ ｍｌｎ，精度 ３２．０ ０ 矿渣掺量，％ 图２矿粉掺量与水泥压实体孔隙率的关系 ０．００１ ｉＴｌｍ）；另一端是３个可滑动的调节螺栓。利用千分表测试 ２．２硅酸盐水泥细度对矿渣复合水泥浆体抗压强度 硬化水泥浆体试样的初始长度及长度变化。模具为 ２５ ｍｍ￣ ３００ ａｒｉｎ的塑料波纹管，两端有硬塑料管塞，试件有效长度为 ２５０ ｍｍ，每组３根，放在固定千分表支架上，在恒温（２０：￣２）℃ 养护室养护。以初凝时试件的长度作为初长。 １．２．３水泥压实体孔隙率测试 水泥、矿物掺合料粉体颗粒的堆积受颗粒的形状、取向、电 性、颗粒间吸引力或斥力等诸多因素的影响，即使搅拌或振实， 也无法完全消除颗粒间力的影响，只有使用较高的机械压力才 ・ 和自收缩的影响 ２．２．１抗压强度 硅酸盐水泥细度对矿渣复合水泥浆体抗压强度的影响如 图３所示。随着硅酸盐水泥细度的增加，水泥硬化浆体抗压强度 逐渐的增大；１８０ ｄ龄期时，Ｃ， 和ｃ 硅酸盐水泥强度逐渐接近 Ｃ．。硅酸盐水泥。Ｃ。。硅酸盐水泥颗粒尺寸主要集中在０～３２ ｍ 之间，颗粒细小，水化活性高，能在早中期快速水化；随着水化 龄期的延长，Ｃ 。和Ｃ 硅酸盐水泥中未完全水化的大颗粒进一 Ｒ ・ 日 山 ＼ 憩 龄期，ｄ （ｂ）掺４０％矿粉 图３硅酸盐水泥细度对水泥浆体抗压强度的影响 步水化，不断生成新的水化产物填充浆体内部孔隙、密实浆体 表３水泥浆体孔隙率￣ＩＩＴ：Ｌ径分布 结构，对水泥浆体后期强度发展有利。随着硅酸盐水泥细度的增 加，矿渣复合水泥浆体强度逐渐增加，３、７ ｄ强度的增加尤为明 显；２８ ｄ龄期时Ｃ。。Ｓ 和Ｃ。。Ｓ 浆体的强度超过Ｃ 硅酸盐水泥 浆体强度。硅酸盐水泥越细，散布在矿粉颗粒周围的硅酸盐水泥 颗粒越多，细硅酸盐水泥颗粒能在早期水化并生成水化产物将 矿粉颗粒包裹胶结，形成紧密的浆体结构；同时水化生成足量 的Ｃａ（ＯＨ） ，进一步促进了矿粉早期的火山灰反应，火山灰反 应生成的Ｃ．Ｓ．Ｈ凝胶进一步填充复合体系结构孔隙，密实复合 浆体结构。 ２．２．２自收缩 由图３还可以看出，Ｃ Ｓ 的３ ｄ强度比Ｃ，。Ｓ 高２４．４％；ｃ 。Ｓ 硅酸盐水泥细度对水泥浆体自收缩的影响如图４所示，随 的３ｄ强度比Ｃ Ｓ 高４０．５％。随着矿粉掺量的增加，细水泥对矿 着硅酸盐水泥细度的增加，水泥浆体的自收缩逐渐增大，在初凝 渣复合水泥早期强度的提高幅度明显增大。 后的３ ｄ内自收缩变化尤为明显，１４ ｄ后水泥的自收缩逐渐趋于 表３显示的是水泥浆体的孔隙率和孔径分布。ＭｅｈｔａＥ９］等认 平缓。硅酸盐水泥细度越大，反应速率越快，生成收缩相Ｃ—Ｓ—Ｈ 为：大孑Ｌ（孑Ｌ径＞５０ｎｍ）主要危害水泥浆体强度和渗透性；小孔 凝胶的数量越多，同时硅酸盐水泥越细细化矿渣复合水泥浆体 （＜５０ ｎｍ）主要影响水泥浆体的干燥收缩和徐变 可以看出随着 孑Ｌ隙的能力越强，使浆体中原本较大的孔转化为了较小的毛细 硅酸盐水泥细度的增加，硅酸盐水泥浆体与矿渣硅酸盐复合水 孔，小孔径孔的增多增强了材料的毛细孔表面效应，使自收缩 泥浆体３ ｄ孔隙率均逐渐的减小，０～５０ｎｌＴ１孔逐渐增加而＞５０ｎｌＴｌ 增加。初凝后的３ ｄ内，水泥不断的水化生成收缩相Ｃ—Ｓ—Ｈ凝胶， 孔逐渐减少。增加硅酸盐水泥的细度显著细化了矿渣复合水泥 起限制收缩作用的未水化的水泥颗粒不断被消耗，随着水化龄 浆体３ ｄ的孔结构，减少了有害孔数量，增加了矿渣复合水泥浆 期的延长，水化速度逐渐变慢，并且水泥浆体逐渐具备一定抵 体早期致密度，进而提高了矿渣复合水泥浆体的抗压强度。 抗收缩变形的能力。 芝 龄期，ｄ ｆａ１不掺矿粉 图４硅酸盐水泥细度对水泥浆体自收缩的影响 同时可看出，矿粉掺入可以减小矿渣复合水泥体系的自收 期的延长，矿粉不断发生二次火山灰反应，提高水泥内部白干 缩，尤其对细硅酸盐复合水泥浆体自收缩的减小尤为明显。矿粉 燥程度，但此时水泥浆体已有较高的弹性模量和很低的徐变系 在水泥浆体中的水化比水泥慢，矿粉的掺人使胶凝材料早期的 数，因此在相同白干燥程度下的自收缩同早期相ＬＬｓＪ，得多。 水化程度降低，生成水化产物量少对浆体内部结构的填充作用 ２．２．３ ＢＳＥＭ 减弱，使浆体中粗毛细孑Ｌ含量增加，细毛细孔含量降低，毛细孔 图５显示的是矿渣硅酸盐复合水泥３、９０ ｄ的背散射图像， 内自由水含量增多，临界半径增大，毛细管负压降低，矿粉在一 ３ ｄ龄期时ｃ。。ｓ 浆体中原子序数较高，呈亮白色的未水化的水 定程度上降低了复合体系内部的早期自干燥速率。随着水化龄 ・下转第１４页 ・ ９ ・