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適于配制高性能混凝土的硅酸鹽水泥及其膠凝材料的最佳顆粒級配

類別:技術|水泥與混凝土   日期:2011-11-3        點擊率:134124        

 

趙東鎬
(吉纖水泥有限公司,吉林 吉林 132002)

摘要:根據國內外學者關于硅酸鹽水泥及其膠凝材料最佳顆粒級配的論述,進一步探討其顆粒分布,理順和闡明硅酸鹽水泥最佳顆粒級配與膠凝材料最佳顆粒級配之間的關系和不同點,從而為配制高性能混凝土提供在硅酸鹽水泥及其膠凝材料顆粒級配方面的一些理論根據。
關鍵詞:高性能混凝土;硅酸鹽水泥;膠凝材料;最佳顆粒級配
Abstract: According to the discussion on the best particle size gradation of Portland cement and its cementitious materials presented by the scholar at home and abroad, the particle size distribution was studied further. The difference and relation of the best particle size gradation of Portland cement and its added cementitious were clarified to provide the theory foundation for preparation of high performance concrete in particle size gradation of Portland cement and its added cementitious materials.
Key words: high performance concrete; Portland cement; cementitious materials; best particle size gradation
First author''s address: Jixian cement Co. Ltd., Jilin 132002,  Jilin,  China

中圖分類號:TQ172.1  文獻標識碼:A  文章編號:1002-9877(2007)03-0001-05

0 引言
  眾多國內外水泥工作者對水泥及膠凝材料的顆粒級配,以及顆粒級配對水泥及其混凝土性能的影響進行了研究,在此基礎上提出了其最佳顆粒級配的理論,最有代表性的有:①由S.Tsivilis等一些學者提出的水泥顆粒級配對其強度的影響及水泥最佳顆粒級配的理論;②水泥最佳堆積密度的理想篩析曲線。
用這2種理論計算的水泥和膠凝材料的顆粒分布是截然不同的。如何理解這個問題?如何正確運用這些理論制備水泥和配制混凝土?這是我們需要回答的問題。
  本文根據這2種理論,進一步探討具有最佳顆粒級配的硅酸鹽水泥和具有最佳顆粒級配的膠凝材料的顆粒分布情況,找出它們之間的關系和不同點,從而為制備適于高性能混凝土的硅酸鹽水泥和膠凝材料提供理論根據。
1 適于配制高性能混凝土的硅酸鹽水泥最佳顆粒級配
1.1 水泥顆粒分布計算
  水泥顆粒分布可以用RRSB方程表述[1,2]。即:
  y(x)=100-R(x)=100-100exp[-(x/X)n](1) 
  式中:
  y(x)——粒徑x的篩析通過量,%;
  R(x)——粒徑x的篩余量,%;
  x——粒徑,μm;
  X——特征粒徑(R(x)=100e-1=36.79%時的粒徑),
              μm;
  n——均勻性系數。
  式(1)對用球磨機粉磨的水泥而言計算的精確度是相當高的,因此可以用它計算水泥的顆粒分布。從該式可以看出,水泥顆粒分布y(x)或R(x)完全由X和n所決定。一般情況下,對球磨機粉磨的硅酸鹽水泥而言:
  0.80≤n≤1.20(2)
1.2 適于配制高性能混凝土的硅酸鹽水泥最佳顆粒級配(S.T級配)
  眾多國內外水泥工作者對硅酸鹽水泥(P·Ⅰ水泥)的最佳顆粒級配進行了研究。其中最有代表性的是20世紀80年代中后期S.Tsivilis等學者提出來的觀點:硅酸鹽水泥中3~30μm的顆粒對強度起主要作用,其質量比例應占65%以上;≤ 3μm顆粒應在10%以下。也就是說,
  y(30)-y(3)≥65(3)
  y(3)≤10(4)
  解由式(2)、(3)和(4)組成的不等式組,得:
  19.6μm≤X≤24.0μm(5)
  n最大值為1.2;n的最小值與X有關,可根據式(3)、(4)求出。
  其計算結果見表1。

表1 S.Tsivilis水泥最佳顆粒級配計算結果

注:表中S為水泥勃氏比表面積(m2/kg),按下式計算:
          S=4 104.8/(X0.394·n0.195·3.11.078),式中,3.1為硅酸鹽水泥密度,g/cm3。
  從表1可以看出,該種水泥顆粒分布參數的取值范圍并不太大,特征粒徑X在19.6~24.0μm,而均勻性系數n在1.12~1.20范圍內。為了簡化計算,任取其一中間值作硅酸鹽水泥最佳級配的代表:
  X=21.4μm, n=1.17(6)
  為敘述的方便,把符合式(6)的顆粒級配、顆粒分布曲線簡稱為S.T級配、S.T曲線。
1.3 S.T級配硅酸鹽水泥主要特點
  1)組分:硅酸鹽水泥熟料和石膏。
  2) 粉磨細度:80μm篩余較小,R(80)=0.9%;但其比表面積卻不大,S=352m2/kg。
  3)顆粒分布:3μm以下顆粒較少,y(3)=9.5%;而3~30μm顆粒較多,y(30)-y(3)=67.9%;均勻性系數較大,n=1.17,顆粒分布較窄、較集中。
  4)性能特點:因3μm以下顆粒較少,3d強度不是很大,水化熱也不會很高,但保水性能較差,膠體的孔隙率不會很小;但因3~30μm顆粒較多,故該水泥28d特別是后期強度較高,雖然均勻性系數n較大,但其比表面積S不大,故其標準稠度用水量不會很大。
1.4 對硅酸鹽水泥最佳顆粒級配的幾點說明
  S.T級配,是根據20世紀80年代西方發達國家的水泥及其混凝土技術水平,以提高水泥混凝土28d及后期強度為主要目的,提出來的一種很有代表性的觀點。這些學者主要考慮了硅酸鹽水泥顆粒的水化速度和深度。因為水泥中過小的超細顆粒(如< 3μm的顆粒)很快(甚至在混凝土澆注之前)水化,所以對提高混凝土28d及長期強度不利;而過大的粗顆粒(如30~60μm以上的水泥顆粒)即使到28d以后也不能完全水化,同樣對提高混凝土28d及長期強度不利。
  當時西方發達國家已開始大量使用高性能混凝土,普遍采用硅酸鹽水泥以及硅灰、粉煤灰等超細礦物摻合料和減水劑等化學外加劑。因此可以說,在這種環境中建立的S.T級配適用于配制高性能混凝土的硅酸鹽水泥。
S.T級配是很有代表性的硅酸鹽水泥最佳顆粒級配,但它絕不是放之四海皆準的、永恒的定律。其實,由于混凝土用途不同,并且其施工條件、技術和方法也不盡相同,甚至連所采用的水泥礦物組成和性質、水泥顆粒形貌也有差別,因此每一混凝土對所采用的硅酸鹽水泥及其顆粒級配提出不同的要求,至今已經出現了關于水泥最佳顆粒級配的不同說法[4~6],這都很正常。但這些觀點同樣僅適用于特定性能的混凝土及其施工條件和方法,以及特定的水泥。
  總之,S.T級配適用于采用礦物摻合料配制高性能混凝土時的硅酸鹽水泥,而不適用于摻有大量混合材的、直接作混凝土的膠凝材料的混合水泥和摻有礦物摻合料的混凝土膠凝材料(即硅酸鹽水泥和礦物摻合料的混合物)。這種混合水泥和膠凝材料(以下統稱為膠凝材料),不僅要考慮水泥本身在固定水灰比、固定灰砂比下的ISO強度,還需注重考慮包括混凝土強度在內的混凝土綜合性能,包括其工作性能、力學性能和耐久性能等。
  為了解決這個問題,水泥混凝土工作者提出了混凝土及其膠凝材料最佳堆積密度的理論——Fuller曲線。
2 適于配制高性能混凝土的膠凝材料最佳顆粒級配
2.1 Fuller曲線
Fuller曲線原本是用來計算混凝土集料“理想”顆粒級配的[3,7]。也就是說,混凝土的集料最佳顆粒級配可用下式表示:
  y0(x)=100(x/xmax)0.4(7)
式中:
  y0(x)——篩析通過量(按其體積計算),%;
  x——篩孔尺寸或粒徑,mm;
  xmax——集料的最大顆粒直徑,mm。
2.2 適于配制高性能混凝土的膠凝材料最佳顆粒級配(Fuller級配)
  根據文獻[3],膠凝材料的最佳顆粒級配仍可用式(7)計算,這時:
x——各分級篩孔尺寸或分級粒徑,μm;
xmax——膠凝材料最大粒徑,μm,因100μm以上的顆粒由混凝土集料所決定(設100μm以上的集料顆粒分布滿足Fuller曲線),故對膠凝材料可取xmax=100μm。
因此,膠凝材料的最佳顆粒級配(以下簡稱Fuller級配)可按下式計算:
  y0(x)=100(x/100)0.4(8)
3 S.T級配與Fuller級配的比較
3.1 S.T級配和Fuller級配顆粒分布的計算結果
  S.T級配的顆粒分布y(x)可用式(1)和(6)計算,而Fuller級配的顆粒分布y0(x)可用式(8)計算。S.T級配與Fuller級配的顆粒分布是不同的,其不同點可以用Δy(x)=y(x)-y0(x)描述。y(x)、y0(x)、Δy(x)的計算結果見表2和圖1。

表2

圖1  S.T級配和Fuller級配的顆粒分布y(x)和y0(x)及其差值Δy(x)

3.2 S.T級配與Fuller級配在顆粒分布方面的不同
  從表2和圖1可以看出,S.T級配與Fuller級配的顆粒分布很不相同。 Fuller曲線與S.T曲線在x=0.0μm、x=14.0μm和x=99.4μm三個點相交(其相交點由方程Δy(x)=0求得),在此三個點以外均不重合。在0~14.0μm粒徑范圍內S.T曲線在Fuller曲線的下邊,而在14.0~99.4μm粒徑范圍內S.T曲線卻在Fuller曲線的上邊。這樣看來似乎是:  < 14.0μm的顆粒S.T級配比Fuller級配少,而 >14.0μm的顆粒S.T級配卻比Fuller級配要多。
  果真如此嗎?現在進一步研究Δy(x)函數。
  從圖1可以看出,Δy(x)函數有兩個極值:一個極大值和一個極小值。用微分學計算可求出其極值,其計算結果為:
  (1)當x=2.7μm時,Δy(x)函數有極小值,其值為 -15.09%;
  (2)當x=42.2μm時,Δy(x)函數有極大值,其值為18.25%。
  2.7μm和42.2μm為該函數具有極小值和極大值時的粒徑,即:
  xmin=2.7μm, xmax=42.2μm(9)
  此xmin和xmax僅對具有S.T級配的水泥適用。
  現根據以上論述,把粒徑分為:0~2.7μm,2.7~14.0μm,14.0~42.2μm,42.2~99.4μm和>99.4μm五個區間,并計算各區間內的S.T級配和Fuller級配的顆粒百分數以及其差值Δy(x),結果見表3。
  從表3可以看出,S.T級配與Fuller級配相比較,≤2.7μm(不是14.0μm)的超細顆粒和42.2~100μm粗顆粒相對較少,而在2.7~42.2μm區間內的中顆粒相對較多。

表3 各區間內S.T級配與Fuller級配的顆粒百分數及其差值

  這是很重要的結論,它告訴我們:當采用S.T級配硅酸水泥配制高性能混凝土時,需摻入粒徑       ≤2.7μm超細礦物摻合料和粒徑42.2~100μm較粗礦物摻合料,使膠凝材料顆粒級配接近Fuller級配。
  上述結論適合于硅酸鹽水泥的特征粒徑X=21.4μm、均勻性系數n=1.17時的情況(即S.T級配)。
  從表1可知,可選用的硅酸鹽水泥最佳顆粒級配方案較多,根據需要和具體情況可選用表中的其它方案。這時,按上述方法可計算出其函數Δy(x)的極小值和極大值及其粒徑xmin和xmax,見表4。

表4 硅酸鹽水泥不同最佳級配方案的函數Δy(x)的極值及其粒徑

  從表4可以看出,硅酸鹽水泥的不同最佳顆粒級配方案具有不同大小的xmax和xmin值,但其取值范圍不大(xmin在2.4~3.3μm之間,xmax在39.4~46.2μm之間),而且其顆粒粒級分布與S.T級配很相似。本文仍用S.T級配描述硅酸鹽水泥最佳顆粒級配及其分布。
3.3 Fuller級配膠凝材料的主要特點
  1)組分:S.T級配硅酸鹽水泥和符合要求的適量礦物摻合料。
  2)顆粒分布及組成:與S.T級配相比較,< 2.7μm的超細顆粒較多,y0(2.7)=23.58%,其中大多數應為礦物摻合料;而2.7~42.2μm之間的細顆粒較少,y0(42.2)-y0(2.7)=47.24%,其中大多數應為硅酸鹽水泥;   >42.2μm的粗顆粒也較多,100-y0(42.2)=29.18%,其中大多數應為礦物摻合料。
  3)性能特點:因含有大量礦物摻合料,故硅酸鹽礦物相對較少,從而造成凝結時間較長,水化熱較低,膠凝材料本身在固定水灰比和固定灰砂比下的ISO標準強度較低。但是,因其顆粒級配基本符合Fuller級配,故在減水劑等的配合下膠體孔隙率很小,膠體很密實,用該膠凝材料配制的混凝土具有良好的綜合性能。
4)其它要求:在該膠凝材料中超細顆粒很多,需水量較大,且顆粒極易結團。為此,用它配制混凝土時須摻入分散劑、減水劑等外加劑。
3.4 正確理解兩種最佳顆粒級配
  S.T級配的研究對象是硅酸鹽水泥,是高性能混凝土膠凝材料中的一個組分;而Fuller級配的研究對象是混凝土膠凝材料,主要用來配制高性能混凝土。配制具有Fuller級配的膠凝材料,不僅要采用具有  S.T級配的硅酸鹽水泥,還須摻入適當的礦物摻合料,從而使混凝土的綜合性能最佳。從中可以看出,制備S.T級配的硅酸鹽水泥,是以配制Fuller級配膠凝材料為其直接目的;而配制Fuller級配膠凝材料,是以得到綜合性能最佳的混凝土為目的。因為S.T級配與Fuller級配的研究對象和直接目的不同,所以其顆粒分布當然不可能一樣,這很正常。
  我們往往把混合水泥與硅酸鹽水泥、水泥與混凝土膠凝材料混同起來,忽視了他們之間的區別,從而對兩種級配產生誤解。我國國情與美國、德國等西方發達國家不同,西方發達國家以生產硅酸鹽水泥為主,并在配制混凝土時普遍采用硅酸鹽水泥和礦物摻合料。而我國以生產混合水泥為主,且往往直接把它作混凝土膠凝材料使用;這時,水泥就是膠凝材料,膠凝材料就是水泥,兩者是完全相同的,因此極易把水泥和混凝土膠凝材料這兩個概念混同起來。這是導致誤解的一個重要原因。
4 配制Fuller級配膠凝材料的基本方法
4.1 礦物摻合料品種及其選擇原則
  從表2和表3可知,Fuller級配膠凝材料比S.T級配硅酸鹽水泥,0~0.1μm特細顆粒、0.1~2.7μm超細顆粒和42.2~100μm的粗顆粒較多,而2.7~42.2μm細顆粒較少。因此,當用S.T級配硅酸鹽水泥配制Fuller級配膠凝材料時,需要摻入含有大量0~0.1μm、0.1~2.7μm和42.2~100μm顆粒的礦物摻合料。
  根據目前的情況:①0~0.1μm顆粒含量較多的只有硅灰一種[2,7];②0.1~2.7μm顆粒含量較多的礦物摻合料品種很多,如:風選粉煤灰、磨細粉煤灰、磨細礦渣、磨細石灰石和磨細火山灰質材料(包括:沸石、頁巖渣、沸騰爐渣、燒煤矸石和燒黏土等);③42.2~100μm顆粒較多的礦物摻合料有風選后的粗粉煤灰和粗磨鋼渣等(包括:粗磨礦渣、增鈣渣及鉻渣等)。
  根據市場情況和對混凝土的性能要求,盡量選擇:①顆粒分布滿足上述要求的礦物摻合料;②活性系數較大的礦物摻合料;③顆粒形貌接近球形、顆粒裂隙較少和內比表面積較小的礦物摻合料。
4.2 礦物摻合料的摻量計算
  設:1) 特細礦物摻合料:粒徑小于0.1μm硅灰占其質量的A1%,密度為γ1 ,質量摻量為C1%,體積摻量為C1′%;
  2)超細礦物摻合料:特征粒徑為X2,均勻性系數為n2 ,密度為γ2 ,質量摻量為C2%,體積摻量為 C2′%;
  3)粗顆粒礦物摻合料:特征粒徑為X3, 均勻性系數為n3,密度為γ3 ,質量摻量為C3%,體積摻量為     C3′%;
  4)S.T級配硅酸鹽水泥:特征粒徑為X, 均勻性系數為n ,密度為γ 。則:可列出以C1′、C2′、 C3′為未知數的三元一次方程組。
Δy(0.1)=0, Δy(xmin)=0, Δy(xmax)=0
  即:A1C1′/100+{1-exp[-(0.1/X2)■]} C2′+{1-
exp[-(0.1/X3)■] }C3′+{1-exp[-(0.1/X)■] }(100 -C1′-
C2′-C3′)-y0(0.1)=0(10)
           C1′+{1-exp[-(xmin/X2)■]} C2′+{1-exp[-(xmin /X3)■] }·
C3′+{1-exp[-(xmin/X)■] }(100 -C1′-C2′-C3′)-y0(xmin)=0                  (11)
            C1′+{1-exp[-(xmax/X2)■]} C2′+{1-exp[-(xmax/X3)■] }·
C3′+{1-exp[-(xmax/X)■] }(100 -C1′-C2′-C3′)-y0(xmax)=0                  (12)
  解此方程組,可求出礦物摻合料的體積摻量C1′、C2′、 C3′。
  根據礦物摻合料和硅酸鹽水泥的密度和體積摻量,可求出其質量摻量C1、C2、C3。
     C1=100C1′·γ1/Σ,C2=100C2′·γ2/Σ,C3=100C3′·γ3/Σ(13)
式中:
  Σ= C1′γ1 + C2′γ2 + C3′γ3+(100-C1′-C2′-C2′)γ
  這樣,用S.T級配硅酸鹽水泥和礦物摻合料配制的膠凝材料顆粒級配曲線,在粒徑x=0μm、x=0.1μm、x=xmin、x=xmax和x≈100μm等處與Fuller曲線相交,配制的膠凝材料顆粒級配接近Fuller級配,從而為配制高性能混凝土創造條件。
  當然,只摻入一、二種礦物摻合料的情況也很普遍。這時,只取式(10)、(11)、(12)中的一、二個式,從而求出一、二種礦物摻合料摻量。
4.3 直接作混凝土膠凝材料的混合水泥顆粒級配
  因為在生產混合水泥時已經摻入了大量混合材(相當于礦物摻合料),所以在配制混凝土時一般不摻入礦物摻合料。這時,該水泥就是混凝土膠凝材料。
  為保證混凝土性能,不僅該種水泥的顆粒級配應接近于Fuller級配,而且該種水泥中的熟料和石膏(相當于硅酸鹽水泥)的顆粒級配也應接近于S.T級配。該種水泥的混合材品種和摻量的選擇原則,與礦物摻合料的選用原則基本相同。生產該種水泥,最好采用分別粉磨工藝,根據水泥的不同用途,搭配不同品種、不同顆粒級配、不同摻量的混合材料。
參考文獻:
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(編輯 胡如進)



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