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水泥的最佳颗粒分布及其评价方法

类别:技术|水泥技术   日期:2011-11-3        点击率:118008        

 

乔龄山

  

    摘要:水泥的颗粒分布对水泥和混凝土性能都有很大影响,关于它们之间的相互关系,近来国外一些学者提出许多新的看法和观点,并从提高混凝土耐久性方面作了大量试验研究工作,提出固体粒料最佳堆积密度理想曲线即Fuller曲线今天仍然适用,可用来评价从胶凝材料、细砂到粗集料的全部固体材料的颗粒分布。用Fuller曲线评价我国水泥的颗粒分布,细粉含量明显偏低,偏离Fuller曲线较远。
    关键词:水泥颗粒分布;颗粒堆积密度;Fuller曲线;评价方法
    Abstract:The performance of cement and concrete can be remarkably affected by the particle size distribution of cement.Many new views concerning their relationship had been put forward recently by some researchers from aboard,and the ideal curve namely Fuller curve for the optimum packing density of solid particles was raised on the basis of mass experimental research in terms of improving the durability of concrete.The fuller curve,which has been proved so far to be applicable,can be used to determine the particle size distribution of all the solid materials such as cementitious materials,fine sand and coarse sand.It is shown in evaluating the particle size distribution of Chinese cement based on the Fuller curve that the quantity of the fine particles of the Chinese cement is markedly low and that the particle size distribution curve deviates largely from the Fuller curve.
    Key words:particle size distribution of cement;packing density of particle;Fuller curve;evaluating method


  中图分类号:TQ172.1+3 文献标识码:B 文章编号:1002-9877(2001)08-0001-05
  
  近年来,水泥细度和颗粒分布日益受到重视,许多试验和生产实践都已证实,通过调整水泥颗粒分布确能提高水泥砂浆和混凝土强度及密实性。然而什么是水泥的最佳颗粒分布,调整的依据或方向是什么,目前在我国还没有明确答案,这也是国际水泥工业尚未解决的难题之一。不过近20年来,国外学者在这一领域作了不少研究工作,有许多卓有成效的实践,提出一些新的见解和调控与评价方法。本文想就其中主要的与过去有所不同的认识观点和计算评价方法作一简要的整理,并与我国现有水泥作些对比,希望能对提高我国水泥和混凝土质量有些启迪和帮助。

1 对水泥最佳颗粒分布的一般认识

  
1.1 早期的观点
  关于水泥颗粒分布对水泥性能影响的研究至少已有70余年的历史,长期以来人们比较重视的只是不同粒径对水泥强度的影响。20世纪40年代末就有人提出,水泥中0~30μm的颗粒对强度起主要作用,其中0~10μm部分早期强度高,10~30μm部分后期强度高。后来对影响早期强度的细粉界限又有0~3μm、0~7μm和1~10μm等几种提法。对28d强度的影响大多数学者都认为是10~30μm的中级颗粒,也有将下限降到1μm,将上限升到40~63μm的。到80年代中后期,S.Tsivilis等一些学者又进一步明确提出,水泥中3~30μm(或32μm)的颗粒对强度起主要作用,其重量比例应占65%以上,尤其16~24μm的颗粒更应多些,<3μm的应在10%以下。颗粒分布越窄水泥强度越高,对混凝土的影响也与此相似。
  关于水泥颗粒分布对水泥砂浆标准稠度用水量的影响看法不太一致。有人提出,增加<20μm的细粉含量会加大用水量,也有人得出了相反的结论,认为提高<20μm的细粉含量会降低用水量,因为细粉不仅能填充粗颗粒间的空隙,还能起一些“润滑”作用,有助于提高砂浆的流动性。还有人得出用水量随10~30μm颗粒含量的增加而加大,比较一致的看法是水泥颗粒分布越窄用水量越大。
1.2 近期的部分看法
  近10多年来,随着对混凝土耐久性的重视和高性能混凝土的迅速发展,对这一课题的研究也更加深入和系统,并由水泥和混凝土强度延伸到混凝土的密实性和耐久性,提出一些相互关系、控制途径和数学模型。
1.2.1 细粉颗粒最佳堆积密度
  水泥砂浆和混凝土强度及耐久性都与其结构密实性和均匀性有很大关系,影响结构密实性的主要因素是砂浆的用水量和流动性,现在的努力方向是尽可能提高流动性,降低用水量。
  水泥与水拌和后,水首先要充满粉体颗粒之间的空隙,并将颗粒润湿包围在其表面形成一层水膜,使颗粒之间容易产生相对滑动,使砂浆有足够的流动性。图1是用两维方式展示的充填于颗粒之间三角空隙区内的水及包围于水泥颗粒表面的水膜。1985年德国水泥工业研究所发表的一个试验报告中得出,水泥粉体振实后空隙体积约占整个体积40%,占固体体积70%。若假设水泥颗粒为圆球形,不考虑表面不光滑特性和早期反应活性,根据标准稠度用水量和勃氏比表面积计算颗粒表面的水膜厚度平均为0.22μm。试验还得出,一般颗粒越大为获得足够流动性所需的水膜厚度也越大,颗粒分布越窄,在RRSB坐标曲线上的均匀性系数n值越大所需水膜厚度越大,试验水泥n值由0.7增大到1.20,水膜厚度由0.11μm增大到0.36μm,用水量相应增大。因此,调整水泥颗粒分布,增加细粉含量,实现最佳堆积密度的观点便日益受到重视,这样便可最大限度地减少颗粒之间的三角空隙区,降低所需水膜厚度,达到降低用水量,提高砂浆流动性,提高混凝土强度和密实性的目的。

  图1 水泥颗粒间的三角空隙水及颗粒外围的水膜厚度示意图

  最近国外许多文献更明确提出,混凝土强度和耐久性主要取决于水泥石基体特性、集料特性和基体与集料间的胶结特性。基体特性和基体与集料间的胶结则取决于有效的水灰比、水泥及填料的反应活性、颗粒形状和颗粒分布。基体是由水泥、拌和水、填料和外加剂所组成,因此可以通过调整颗粒分布使水泥和填充料在水化之前的干粉状态就能达到最大密度的堆积,水化产物填充了空隙后便能产生结构更加密实的水泥石基体,从而提高水泥砂浆和混凝土强度、密实性和耐久性。当然这里除调整颗粒分布外还要考虑颗粒形状、表面特性、反应活性和相互间的匹配。
  关于细粉范围有几种划分方法,一般将粒径<63μm(或62.5μm)的颗粒划入胶凝材料部分,从混凝土角度则将<125μm的颗粒包括水泥在内都作为细粉,从水泥标准试体和混凝土细集料考虑又以2.0mm作为一个分界线,>2.0mm为粗集料。堆积密度最佳化的进程首先要实现胶凝材料的最佳化,同时考虑到混凝土集料可能带入的细粉量,这一步可在水泥生产过程中实现,因为这时所有材料的特性都是已知的,也便于采用现代化手段调控。在混凝土制备过程中再进一步根据集料筛析曲线实现细粉部分堆积密度最佳化或<2.0mm以下细集料部分最佳化和粗集料最佳化,最终实现全部固体粒料的最佳堆积密度。
1.2.2 微细粉的作用
  为了实现最佳堆积密度就要将水泥磨细和加入一些细粉或微细粉填料或称为混合材,目前它已成为水泥石基体不可缺少的主要组分之一。填料加得适当可起到以下作用:
  1)充填作用
  填料分活性和惰性两种,它们都应有足够的细度,用来填充大颗粒之间的空隙。达到最佳堆积密度的理想筛析曲线应该是连续的或小级差的,按目前的粉料制备工艺所获的细粉筛析曲线一般是连续的,但也会出现不连续的分布,即使这样将两种颗粒分布不同的细粉相互混合也会改善筛析曲线,降低混合料的空隙率。所以细粉填料应有助于改善混合料的颗粒分布,提高堆积密度。
  2)水化晶核作用
  若惰性填料磨得很细,便能起一定的反应晶核作用,加速水泥初期水化过程。
  3)减少集料边缘区的空隙含量
  加入高度磨细的填料首先便能提高集料周围的粉体含量、降低空隙率。在水泥水化过程中容易在集料表面富集多余的水、钙矾石和Ca(OH)2。早期硅酸钙的水化产物很小,约为水泥平均粒径的1/1000,在纳米范畴。而Ca(OH)2和钙矾石的晶体要大数倍或十几倍,它们不仅加大了晶体之间的空隙,在受力时还成了容易相互错位的滑面,降低强度。若加入的活性填料有足够的细度,便能很快与多余的水和Ca(OH)2反应生成水化硅酸钙,降低了集料周围的空隙率,增强了集料与基体的胶结。
  以上这3种作用都可以归结为填充作用,不过外加的微细粉常常不能像预想的那样提高堆积密度,因为细颗粒间的吸引力会相当大,超过重力作用,使它们紧靠在一起,阻碍更细的颗粒进入其间,不论是干粉状态还是加水后的悬浮状态都有这种现象,干粉中范德华力起重要作用,悬浮液中静电斥力起主要作用。填料在其它方面的作用这里就不多说了。
1.2.3 对窄颗粒分布的认识
  水泥颗粒分布是宽些好还是窄些好,n值大好还是小好,目前仍有争议,近期水泥专业文献中不断有些不同的看法,简单归纳有以下几方面。
  1)用激光颗粒分析仪检测的颗粒分布与用沉降天平法测出的不同,前者细粉偏多,在RRSB图上不是一条完全的直线。
  2)开路和一般闭路系统球磨机磨制的水泥颗粒分布在RRSB函数图上为一直线,n值一般为0.95~1.05。立磨和辊压机磨制的水泥不是一条完全的直线,与RRSB函数的对应关系不如球磨机准确,颗粒分布更窄,n值多在1.10以上。
  3)n值大,颗粒分布窄时的曲线不是一条直线,尤其用立磨和辊压机磨制的水泥,自4~8μm以上曲线上翘,需对n值加以修正,或用非线性近似法计算。
  4)n值小,颗粒分布宽时的曲线更接近最佳堆积密度理想筛析曲线。
  5)在比表面积相同的情况下,宽颗粒分布的水泥早期水化速度稍快一些,窄颗粒分布的水泥后期水化速度快些,28d龄期的水化程度也稍高一些。
  6)n值对水泥标准试体强度影响较大,n值越高强度越高,但与混凝土的相关性不好,n值高时混凝土强度提高很小,或没有提高甚至下降,尤其在高水灰比(如0.60)混凝土上更是如此。
  7)美国在高C3S含量窄颗粒分布的新型水泥上发现,用这种水泥配制的混凝土用水量大,耐久性差,混凝土自愈合能力和后期强度增进率低。
  8)窄颗粒分布的水泥还要用细粉填充料来调整堆积密度,以保证混凝土的密实性。然而填充料的加入是有限的,不论是惰性的还是活性的都会降低强度。有人还对如粉煤灰的掺量提出限定,认为不能低于15%,否则也有害处,填充料过多又会造成混凝土中的细粉含量超量,使干缩加大。
  9)在水泥生产的质量控制中完全可以通过水泥细度控制预测水泥和混凝土的主要性能,如标准稠度用水量、混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度。RRSB函数对水泥颗粒分布特征的显示是适用的,主要的控制参数不是单一的1~2个值,而是勃氏比表面积值、特征粒径d′和均匀性系数n值。另外4~32μm或8~16μm的颗粒部分也有一定影响,它们尤其对强度的影响较大,对这些参数应综合考虑。其它的颗粒分布参数则不太重要。

2 最佳堆积密度的理想筛析曲线——Fuller曲线

  关于最佳堆积密度的颗粒分布问题,欧美一些学者多数主张使用上世纪90年代初Fuller和Thompson提出的理想筛析曲线,简称Fuller曲线。Fuller曲线原本是计算粗集料的,其数学式为:
  
式中:
  A——筛析通过量,%;
  di——筛孔尺寸,mm;
  D——混合集料中最大颗粒的直径,mm。
  计算集料理想筛析曲线的数学式还有Empa公式和Rothfuchs公式等,然而如Ulrich Hinze等一些学者所指出的,Fuller和Thompson所提出的颗粒分布规律,可以用于细粉部分。早期的Fuller曲线没有考虑颗粒形状和表面特性,后来A.Hummel和K.Wesche等学者将此式改为:
  
式中:d——各分级筛孔尺寸或分级粒径,μm;
  m——指数,视集料颗粒形状特性而定。砾石类集料取0.4,即
  
  在德国水泥厂协会发表的专题研究报告中就将计算式(3)用作水泥颗粒分布的理想筛析曲线,并依此对水泥、砂浆及混凝土进行评价。
  在探讨水泥最佳堆积密度的颗粒分布时也可以按国外文献的方法划分,即0~63μm为胶凝材料,0~125μm为混凝土细粉,0~2000μm为水泥标准试体砂浆或混凝土细砂。现将按计算式(3)计算的各级颗粒累计含量列于表1,按此表即可绘出Fuller理想筛析曲线,如图2所示为0~2000μm粒径的Fuller曲线。图中横坐标为log d,纵坐标为A=100·(d/D)0.4。这个曲线适用于同一种容重的物料,若加入容重不同的物料应考虑不同容重对体积的影响,因为最佳堆积密度主要是由粉料体积所决定。2000年1月Roland Hüttlt Bernd Hillemeier公布一个体积含量的Fuller曲线,见图3。它包括集料部分,图中集料最大尺寸为16mm,以63μm为胶凝材料与集料的分界线,则胶凝材料所占的体积为12.9%,集料所占体积为87.1%。

表1 按A=100·(d/D)0.4计算的颗粒累计含量

  图2 0~2000μm粒径的Fuller曲线

  图3 用于胶凝材料和集料的理想Fuller&Thompson筛析曲线

  这是按Fuller的颗粒分布规律计算得出的使混凝土达到最佳堆积密度的固体物料理想筛析曲线。
  这个曲线与一般粉磨设备制备的水泥颗粒分布曲线在走向上有所不同。图4为用RRSB函数绘制的一组颗粒分布曲线,从中可以看出,现有粉磨设备制备出的水泥,其颗粒分布在RRSB图上基本上为一直线,这些水泥的共同特点是细粉含量不足,粗粉偏多。所以用目前的水泥粉磨系统很难一次达到理想曲线要求,还要依靠在水泥或混凝土中添加填充材料加以调整。

  图4 在RRSB坐标图中几个水泥的颗粒分布与Fuller理想曲线的对比

  1.Fuller曲线,A=100·(d/D)0.4
  2.德国水泥研究所试验室水泥;
  3.我国某水泥厂Φ3.5m×11m闭路磨回转窑水泥;
  4.我国某研究所的试验室水泥

3 我国水泥细粉含量明显偏少

  为了从水泥颗粒分布上找出我国水泥存在的问题和改进途径,不妨也从最佳堆积密度角度作些比较,图5给出了0~63μm胶凝材料的Fuller曲线,以及德国和我国部分水泥的颗粒分布范围。从中可以看出,德国不同标号水泥在细度上的差别十分明显,尤其52.5号水泥的细粉含量明显高于42.5号,32.5号与42.5号的颗粒分布范围重合,主要是32.5号矿渣水泥比较细,有些超过了42.5号波特兰水泥,而32.5号波特兰水泥则普遍较粗,但8~10μm以下的细粉含量与42.5号水泥相同,越是高标号水泥越靠近Fuller曲线。我国GB175-92中的525号水泥的颗粒分布则与Fuller曲线偏离较远,粗颗粒部分在德国32.5号水泥范围内,16~30μm以下的细颗粒则与德国32.5号水泥还有较大距离,更谈不上靠近Fuller曲线了,立窑水泥比回转窑水泥又差一些。图6为用ISO标准砂的颗粒分布和1∶3灰砂比计算出来的水泥胶砂标准试体的干粉颗粒分布曲线与Fuller曲线。中德两国水泥的曲线走势与图5相似,100μm以上的部分是由标准砂决定的,从中可以看出,ISO标准砂的颗粒分布接近Fuller曲线。图中我国部分立窑水泥明显偏粗,颗粒分布曲线还在标准砂的下面,更加远离Fuller曲线。在颗粒最佳堆积密度上的这个差距也许是我国水泥标准试体早期强度偏低的原因之一,可以作为提高我国水泥与混凝土质量的一条途径加以探讨。

  图5 不同水泥颗粒分布曲线与Fuller曲线的比较

  

  图6 不同水泥与ISO标准砂按1∶3灰砂比配制混合料的颗粒分布曲线

  调配水泥或细粉最佳堆积密度的理论和工艺在欧美一些工业发达国家日趋普及,在桥梁,隧道,高性能混凝土,耐磨、耐腐蚀混凝土等工程中都有应用,并取得很好效果。它的出现不仅改变了某些过去的认识,也出现了一系列新的问题,今天的混凝土不仅组分数量和性能要求与几十年前有所不同,就是水泥石基体的主要组分水泥、填充材料和外加剂也与以前不完全一样,对它们的性能和相互作用还要进一步地深入研究,才能使水泥混凝土真正发展成为能满足21世纪要求的建筑材料。

参考文献

  
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(编辑 顾志玲)



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