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适于配制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

类别:技术|水泥与混凝土   日期:2011-11-3        点击率:122028        

 

赵东镐
(吉纤水泥有限公司,吉林 吉林 132002)

摘要:根据国内外学者关于硅酸盐水泥及其胶凝材料最佳颗粒级配的论述,进一步探讨其颗粒分布,理顺和阐明硅酸盐水泥最佳颗粒级配与胶凝材料最佳颗粒级配之间的关系和不同点,从而为配制高性能混凝土提供在硅酸盐水泥及其胶凝材料颗粒级配方面的一些理论根据。
关键词:高性能混凝土;硅酸盐水泥;胶凝材料;最佳颗粒级配
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

中图分类号:TQ172.1  文献标识码:A  文章编号:1002-9877(2007)03-0001-05

0 引言
  众多国内外水泥工作者对水泥及胶凝材料的颗粒级配,以及颗粒级配对水泥及其混凝土性能的影响进行了研究,在此基础上提出了其最佳颗粒级配的理论,最有代表性的有:①由S.Tsivilis等一些学者提出的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;②水泥最佳堆积密度的理想筛析曲线。
用这2种理论计算的水泥和胶凝材料的颗粒分布是截然不同的。如何理解这个问题?如何正确运用这些理论制备水泥和配制混凝土?这是我们需要回答的问题。
  本文根据这2种理论,进一步探讨具有最佳颗粒级配的硅酸盐水泥和具有最佳颗粒级配的胶凝材料的颗粒分布情况,找出它们之间的关系和不同点,从而为制备适于高性能混凝土的硅酸盐水泥和胶凝材料提供理论根据。
1 适于配制高性能混凝土的硅酸盐水泥最佳颗粒级配
1.1 水泥颗粒分布计算
  水泥颗粒分布可以用RRSB方程表述[1,2]。即:
  y(x)=100-R(x)=100-100exp[-(x/X)n](1) 
  式中:
  y(x)——粒径x的筛析通过量,%;
  R(x)——粒径x的筛余量,%;
  x——粒径,μm;
  X——特征粒径(R(x)=100e-1=36.79%时的粒径),
              μm;
  n——均匀性系数。
  式(1)对用球磨机粉磨的水泥而言计算的精确度是相当高的,因此可以用它计算水泥的颗粒分布。从该式可以看出,水泥颗粒分布y(x)或R(x)完全由X和n所决定。一般情况下,对球磨机粉磨的硅酸盐水泥而言:
  0.80≤n≤1.20(2)
1.2 适于配制高性能混凝土的硅酸盐水泥最佳颗粒级配(S.T级配)
  众多国内外水泥工作者对硅酸盐水泥(P·Ⅰ水泥)的最佳颗粒级配进行了研究。其中最有代表性的是20世纪80年代中后期S.Tsivilis等学者提出来的观点:硅酸盐水泥中3~30μm的颗粒对强度起主要作用,其质量比例应占65%以上;≤ 3μm颗粒应在10%以下。也就是说,
  y(30)-y(3)≥65(3)
  y(3)≤10(4)
  解由式(2)、(3)和(4)组成的不等式组,得:
  19.6μm≤X≤24.0μm(5)
  n最大值为1.2;n的最小值与X有关,可根据式(3)、(4)求出。
  其计算结果见表1。

表1 S.Tsivilis水泥最佳颗粒级配计算结果

注:表中S为水泥勃氏比表面积(m2/kg),按下式计算:
          S=4 104.8/(X0.394·n0.195·3.11.078),式中,3.1为硅酸盐水泥密度,g/cm3。
  从表1可以看出,该种水泥颗粒分布参数的取值范围并不太大,特征粒径X在19.6~24.0μm,而均匀性系数n在1.12~1.20范围内。为了简化计算,任取其一中间值作硅酸盐水泥最佳级配的代表:
  X=21.4μm, n=1.17(6)
  为叙述的方便,把符合式(6)的颗粒级配、颗粒分布曲线简称为S.T级配、S.T曲线。
1.3 S.T级配硅酸盐水泥主要特点
  1)组分:硅酸盐水泥熟料和石膏。
  2) 粉磨细度:80μm筛余较小,R(80)=0.9%;但其比表面积却不大,S=352m2/kg。
  3)颗粒分布:3μm以下颗粒较少,y(3)=9.5%;而3~30μm颗粒较多,y(30)-y(3)=67.9%;均匀性系数较大,n=1.17,颗粒分布较窄、较集中。
  4)性能特点:因3μm以下颗粒较少,3d强度不是很大,水化热也不会很高,但保水性能较差,胶体的孔隙率不会很小;但因3~30μm颗粒较多,故该水泥28d特别是后期强度较高,虽然均匀性系数n较大,但其比表面积S不大,故其标准稠度用水量不会很大。
1.4 对硅酸盐水泥最佳颗粒级配的几点说明
  S.T级配,是根据20世纪80年代西方发达国家的水泥及其混凝土技术水平,以提高水泥混凝土28d及后期强度为主要目的,提出来的一种很有代表性的观点。这些学者主要考虑了硅酸盐水泥颗粒的水化速度和深度。因为水泥中过小的超细颗粒(如< 3μm的颗粒)很快(甚至在混凝土浇注之前)水化,所以对提高混凝土28d及长期强度不利;而过大的粗颗粒(如30~60μm以上的水泥颗粒)即使到28d以后也不能完全水化,同样对提高混凝土28d及长期强度不利。
  当时西方发达国家已开始大量使用高性能混凝土,普遍采用硅酸盐水泥以及硅灰、粉煤灰等超细矿物掺合料和减水剂等化学外加剂。因此可以说,在这种环境中建立的S.T级配适用于配制高性能混凝土的硅酸盐水泥。
S.T级配是很有代表性的硅酸盐水泥最佳颗粒级配,但它绝不是放之四海皆准的、永恒的定律。其实,由于混凝土用途不同,并且其施工条件、技术和方法也不尽相同,甚至连所采用的水泥矿物组成和性质、水泥颗粒形貌也有差别,因此每一混凝土对所采用的硅酸盐水泥及其颗粒级配提出不同的要求,至今已经出现了关于水泥最佳颗粒级配的不同说法[4~6],这都很正常。但这些观点同样仅适用于特定性能的混凝土及其施工条件和方法,以及特定的水泥。
  总之,S.T级配适用于采用矿物掺合料配制高性能混凝土时的硅酸盐水泥,而不适用于掺有大量混合材的、直接作混凝土的胶凝材料的混合水泥和掺有矿物掺合料的混凝土胶凝材料(即硅酸盐水泥和矿物掺合料的混合物)。这种混合水泥和胶凝材料(以下统称为胶凝材料),不仅要考虑水泥本身在固定水灰比、固定灰砂比下的ISO强度,还需注重考虑包括混凝土强度在内的混凝土综合性能,包括其工作性能、力学性能和耐久性能等。
  为了解决这个问题,水泥混凝土工作者提出了混凝土及其胶凝材料最佳堆积密度的理论——Fuller曲线。
2 适于配制高性能混凝土的胶凝材料最佳颗粒级配
2.1 Fuller曲线
Fuller曲线原本是用来计算混凝土集料“理想”颗粒级配的[3,7]。也就是说,混凝土的集料最佳颗粒级配可用下式表示:
  y0(x)=100(x/xmax)0.4(7)
式中:
  y0(x)——筛析通过量(按其体积计算),%;
  x——筛孔尺寸或粒径,mm;
  xmax——集料的最大颗粒直径,mm。
2.2 适于配制高性能混凝土的胶凝材料最佳颗粒级配(Fuller级配)
  根据文献[3],胶凝材料的最佳颗粒级配仍可用式(7)计算,这时:
x——各分级筛孔尺寸或分级粒径,μm;
xmax——胶凝材料最大粒径,μm,因100μm以上的颗粒由混凝土集料所决定(设100μm以上的集料颗粒分布满足Fuller曲线),故对胶凝材料可取xmax=100μm。
因此,胶凝材料的最佳颗粒级配(以下简称Fuller级配)可按下式计算:
  y0(x)=100(x/100)0.4(8)
3 S.T级配与Fuller级配的比较
3.1 S.T级配和Fuller级配颗粒分布的计算结果
  S.T级配的颗粒分布y(x)可用式(1)和(6)计算,而Fuller级配的颗粒分布y0(x)可用式(8)计算。S.T级配与Fuller级配的颗粒分布是不同的,其不同点可以用Δy(x)=y(x)-y0(x)描述。y(x)、y0(x)、Δy(x)的计算结果见表2和图1。

表2

图1  S.T级配和Fuller级配的颗粒分布y(x)和y0(x)及其差值Δy(x)

3.2 S.T级配与Fuller级配在颗粒分布方面的不同
  从表2和图1可以看出,S.T级配与Fuller级配的颗粒分布很不相同。 Fuller曲线与S.T曲线在x=0.0μm、x=14.0μm和x=99.4μm三个点相交(其相交点由方程Δy(x)=0求得),在此三个点以外均不重合。在0~14.0μm粒径范围内S.T曲线在Fuller曲线的下边,而在14.0~99.4μm粒径范围内S.T曲线却在Fuller曲线的上边。这样看来似乎是:  < 14.0μm的颗粒S.T级配比Fuller级配少,而 >14.0μm的颗粒S.T级配却比Fuller级配要多。
  果真如此吗?现在进一步研究Δy(x)函数。
  从图1可以看出,Δy(x)函数有两个极值:一个极大值和一个极小值。用微分学计算可求出其极值,其计算结果为:
  (1)当x=2.7μm时,Δy(x)函数有极小值,其值为 -15.09%;
  (2)当x=42.2μm时,Δy(x)函数有极大值,其值为18.25%。
  2.7μm和42.2μm为该函数具有极小值和极大值时的粒径,即:
  xmin=2.7μm, xmax=42.2μm(9)
  此xmin和xmax仅对具有S.T级配的水泥适用。
  现根据以上论述,把粒径分为:0~2.7μm,2.7~14.0μm,14.0~42.2μm,42.2~99.4μm和>99.4μm五个区间,并计算各区间内的S.T级配和Fuller级配的颗粒百分数以及其差值Δy(x),结果见表3。
  从表3可以看出,S.T级配与Fuller级配相比较,≤2.7μm(不是14.0μm)的超细颗粒和42.2~100μm粗颗粒相对较少,而在2.7~42.2μm区间内的中颗粒相对较多。

表3 各区间内S.T级配与Fuller级配的颗粒百分数及其差值

  这是很重要的结论,它告诉我们:当采用S.T级配硅酸水泥配制高性能混凝土时,需掺入粒径       ≤2.7μm超细矿物掺合料和粒径42.2~100μm较粗矿物掺合料,使胶凝材料颗粒级配接近Fuller级配。
  上述结论适合于硅酸盐水泥的特征粒径X=21.4μm、均匀性系数n=1.17时的情况(即S.T级配)。
  从表1可知,可选用的硅酸盐水泥最佳颗粒级配方案较多,根据需要和具体情况可选用表中的其它方案。这时,按上述方法可计算出其函数Δy(x)的极小值和极大值及其粒径xmin和xmax,见表4。

表4 硅酸盐水泥不同最佳级配方案的函数Δy(x)的极值及其粒径

  从表4可以看出,硅酸盐水泥的不同最佳颗粒级配方案具有不同大小的xmax和xmin值,但其取值范围不大(xmin在2.4~3.3μm之间,xmax在39.4~46.2μm之间),而且其颗粒粒级分布与S.T级配很相似。本文仍用S.T级配描述硅酸盐水泥最佳颗粒级配及其分布。
3.3 Fuller级配胶凝材料的主要特点
  1)组分:S.T级配硅酸盐水泥和符合要求的适量矿物掺合料。
  2)颗粒分布及组成:与S.T级配相比较,< 2.7μm的超细颗粒较多,y0(2.7)=23.58%,其中大多数应为矿物掺合料;而2.7~42.2μm之间的细颗粒较少,y0(42.2)-y0(2.7)=47.24%,其中大多数应为硅酸盐水泥;   >42.2μm的粗颗粒也较多,100-y0(42.2)=29.18%,其中大多数应为矿物掺合料。
  3)性能特点:因含有大量矿物掺合料,故硅酸盐矿物相对较少,从而造成凝结时间较长,水化热较低,胶凝材料本身在固定水灰比和固定灰砂比下的ISO标准强度较低。但是,因其颗粒级配基本符合Fuller级配,故在减水剂等的配合下胶体孔隙率很小,胶体很密实,用该胶凝材料配制的混凝土具有良好的综合性能。
4)其它要求:在该胶凝材料中超细颗粒很多,需水量较大,且颗粒极易结团。为此,用它配制混凝土时须掺入分散剂、减水剂等外加剂。
3.4 正确理解两种最佳颗粒级配
  S.T级配的研究对象是硅酸盐水泥,是高性能混凝土胶凝材料中的一个组分;而Fuller级配的研究对象是混凝土胶凝材料,主要用来配制高性能混凝土。配制具有Fuller级配的胶凝材料,不仅要采用具有  S.T级配的硅酸盐水泥,还须掺入适当的矿物掺合料,从而使混凝土的综合性能最佳。从中可以看出,制备S.T级配的硅酸盐水泥,是以配制Fuller级配胶凝材料为其直接目的;而配制Fuller级配胶凝材料,是以得到综合性能最佳的混凝土为目的。因为S.T级配与Fuller级配的研究对象和直接目的不同,所以其颗粒分布当然不可能一样,这很正常。
  我们往往把混合水泥与硅酸盐水泥、水泥与混凝土胶凝材料混同起来,忽视了他们之间的区别,从而对两种级配产生误解。我国国情与美国、德国等西方发达国家不同,西方发达国家以生产硅酸盐水泥为主,并在配制混凝土时普遍采用硅酸盐水泥和矿物掺合料。而我国以生产混合水泥为主,且往往直接把它作混凝土胶凝材料使用;这时,水泥就是胶凝材料,胶凝材料就是水泥,两者是完全相同的,因此极易把水泥和混凝土胶凝材料这两个概念混同起来。这是导致误解的一个重要原因。
4 配制Fuller级配胶凝材料的基本方法
4.1 矿物掺合料品种及其选择原则
  从表2和表3可知,Fuller级配胶凝材料比S.T级配硅酸盐水泥,0~0.1μm特细颗粒、0.1~2.7μm超细颗粒和42.2~100μm的粗颗粒较多,而2.7~42.2μm细颗粒较少。因此,当用S.T级配硅酸盐水泥配制Fuller级配胶凝材料时,需要掺入含有大量0~0.1μm、0.1~2.7μm和42.2~100μm颗粒的矿物掺合料。
  根据目前的情况:①0~0.1μm颗粒含量较多的只有硅灰一种[2,7];②0.1~2.7μm颗粒含量较多的矿物掺合料品种很多,如:风选粉煤灰、磨细粉煤灰、磨细矿渣、磨细石灰石和磨细火山灰质材料(包括:沸石、页岩渣、沸腾炉渣、烧煤矸石和烧黏土等);③42.2~100μm颗粒较多的矿物掺合料有风选后的粗粉煤灰和粗磨钢渣等(包括:粗磨矿渣、增钙渣及铬渣等)。
  根据市场情况和对混凝土的性能要求,尽量选择:①颗粒分布满足上述要求的矿物掺合料;②活性系数较大的矿物掺合料;③颗粒形貌接近球形、颗粒裂隙较少和内比表面积较小的矿物掺合料。
4.2 矿物掺合料的掺量计算
  设:1) 特细矿物掺合料:粒径小于0.1μm硅灰占其质量的A1%,密度为γ1 ,质量掺量为C1%,体积掺量为C1′%;
  2)超细矿物掺合料:特征粒径为X2,均匀性系数为n2 ,密度为γ2 ,质量掺量为C2%,体积掺量为 C2′%;
  3)粗颗粒矿物掺合料:特征粒径为X3, 均匀性系数为n3,密度为γ3 ,质量掺量为C3%,体积掺量为     C3′%;
  4)S.T级配硅酸盐水泥:特征粒径为X, 均匀性系数为n ,密度为γ 。则:可列出以C1′、C2′、 C3′为未知数的三元一次方程组。
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)
  解此方程组,可求出矿物掺合料的体积掺量C1′、C2′、 C3′。
  根据矿物掺合料和硅酸盐水泥的密度和体积掺量,可求出其质量掺量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
  这样,用S.T级配硅酸盐水泥和矿物掺合料配制的胶凝材料颗粒级配曲线,在粒径x=0μm、x=0.1μm、x=xmin、x=xmax和x≈100μm等处与Fuller曲线相交,配制的胶凝材料颗粒级配接近Fuller级配,从而为配制高性能混凝土创造条件。
  当然,只掺入一、二种矿物掺合料的情况也很普遍。这时,只取式(10)、(11)、(12)中的一、二个式,从而求出一、二种矿物掺合料掺量。
4.3 直接作混凝土胶凝材料的混合水泥颗粒级配
  因为在生产混合水泥时已经掺入了大量混合材(相当于矿物掺合料),所以在配制混凝土时一般不掺入矿物掺合料。这时,该水泥就是混凝土胶凝材料。
  为保证混凝土性能,不仅该种水泥的颗粒级配应接近于Fuller级配,而且该种水泥中的熟料和石膏(相当于硅酸盐水泥)的颗粒级配也应接近于S.T级配。该种水泥的混合材品种和掺量的选择原则,与矿物掺合料的选用原则基本相同。生产该种水泥,最好采用分别粉磨工艺,根据水泥的不同用途,搭配不同品种、不同颗粒级配、不同掺量的混合材料。
参考文献:
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(编辑 胡如进)



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