[摘要] 本文分别采用水泥胶砂耐磨性试验方法与混凝土及其制品耐磨性试验方法（滚珠轴承式）研究了不同颗粒分布的水泥胶砂及其混凝土的耐磨性能，并通过压汞法检测了不同颗粒分布的水泥配制的混凝土砂浆的孔隙率。实验结果表明：颗粒分布较宽的水泥，其砂浆与混凝土的耐磨性能均优于颗粒分布较集中的水泥。较宽的颗粒分布使水泥砂浆或混凝土具有良好的密实性及孔结构，有利于耐磨性的提高。
[关键词] 水泥颗粒分布耐磨性
Influence of particle size distribution of cement on the performance of abrasion resistance of concrete
[Abstracts] The abrasion resistance of mortar and concrete prepared by cement with different particle size distribution (PSD) is studied in this paper, which is tested through the method of wear abrasion for cement mortar and abrasion resistance of concrete (Ball bearing method). Also the porosity of mortar separated from the concrete is measured by mercury intrusion method. The results showed that the abrasion resistance of cement mortar and concrete produced by the cement with wide PSD was better than that with the narrow. Cement with wide PSD could increase the compactibility, reduce the porosity, and further enhance the abrasion resistance of cement mortar and concrete.
[Key words] cement; particle size distribution; abrasion resistance
作为混凝土耐久性性能之一的耐磨性正随着人们对混凝土表面性能的关注及道路、机场等建设工程的增多而日益得到重视。尤其是商品混凝土的大量推广使用以后，当施工或养护工作欠规范时，往往易造成混凝土表面结构较疏松，耐磨性能很差。因此，混凝土耐磨性已成为评价混凝土性能优劣的一项重要指标。以往对混凝土耐磨性的研究主要从水泥熟料矿物组成、骨料耐磨性、掺合料品种及混凝土配制技术方面着手，并取得了较好的结果。这些研究从不同的角度对影响混凝土耐磨性的因素进行了探索，但是忽视了水泥的物理形态对混凝土耐磨性的影响，尤其是水泥颗粒分布对混凝土耐磨性影响的研究成果较少。本文采用矿物组成相同、颗粒分布不同的水泥，配制成砂浆及混凝土进行对比实验，研究它们在耐磨性方面的差异，实验中使用的滚珠轴承式耐磨试验机能够模拟车轮行驶状态下混凝土表面受到的磨损，与真实地交通运输磨损状况相符合，使研究成果更具有实践意义。
1.原材料及实验方法
1.1 材料
（1）水泥：选用广州珠江水泥厂生产的同一熟料不同粉磨工艺磨制的两种粤秀牌P.II 42.5R 水泥。水泥的球磨形式及颗粒分布见表1，28 天龄期的化学结合水见表2，水泥熟料的化学成分见表3，水泥的物理性能指标见表4。
1.2 实验方法
1 （1）坍落度测试：按照GB/T 50080-2002 标准进行测试。
2 （2）抗压强度测试：按照GB/T 50081-2002 混凝土抗压强度方法进行测试。
3 （3）耐磨性能测试：采用国标GB/T16925-1997 《混凝土及其制品耐磨性试验方法（滚珠轴承式）》的测试方法。本实验采用同济大学附属工厂生产的NS2 型滚珠轴承式耐磨试验机，其结构如图1 所示。实验以耐磨度表征混凝土的耐磨性能，耐磨度越大，混凝土耐磨性越好。样品要求：混凝土拌和均匀后成型为150×150×150mm 的立方体试件，标准养护至28d 龄期；混凝土中筛分出的砂浆成型为100×100×100mm 的立方体试件，标准养护至28d 龄期。
1 （4）水泥胶砂耐磨性试验：按照JC/T421-2004 《水泥胶砂耐磨性试验方法》进行测试。磨损结果采用3 块试体磨损量的平均值表征。磨损量小，水泥的耐磨性好；磨损量大，水泥的耐磨性差。
2 （5）水泥颗粒分布的测定：使用上海衡平仪器仪表厂生产的TZC-4 型颗粒测定仪。
3 （6）压汞法测试：本实验采用美国康塔公司的压汞仪 PoreMaster 60 。
1 2. 实验结果与讨论
2 颗粒分布对水泥胶砂耐磨性的影响
分别按照JC/T421-2004 及GB/T16925-1997 的方法检测了C-1、C-2 水泥配制的标准砂浆与混凝土拌和物筛分出的砂浆的耐磨性，实验结果如表5、表6 所示。
从表5 结果可见：C-1 水泥的胶砂磨损量比C-2 水泥的磨损量小，这表明C-1 水泥的耐磨性优于C-2 水泥。从表6 中的结果可以看出，低水灰比的水泥砂浆耐磨度比高水灰比的高，既耐磨度随着水灰比的降低而提高；配方相同时，两种水灰比情况下，采用C-1 水泥所配制的砂浆的耐磨度均高于C-2 水泥配制的水泥砂浆；高水灰比条件下，C-1 水泥砂浆的耐磨度比C-2 水泥高出6.13％，低水灰比条件下，C-1 样品的耐磨度比C-2 高出13.2％，即低水灰比条件下，两者耐磨度的差异更加显著。与表5 的结果对比可知，采用JC/T421-2004 《水泥胶砂耐磨性试验方法》和GB/T16925-1997 《混凝土及其制品耐磨性试验方法（滚珠轴承式）》所得结果的规律性一致。
2.2 混凝土实验
分别使用C-1、C-2 两个水泥，采用3 个不同的水灰比配制混凝土，混凝土配合比及拌和物的塌落度、扩展度如表7 所示。混凝土抗压强度及耐磨度数据如表8 所示。
由表8 可见：同一种水泥配制的混凝土，抗压强度越高，其耐磨度也越大，混凝土的耐磨度与抗压强度均随着水灰比降低而提高；在混凝土配合比相同时候，采用C-1 水泥所配制的混凝土在三种水灰比条件下的耐磨度均大于C-2 水泥配制的混凝土。0.51 水灰比条件下，耐磨度提高3.7%；0.41 水灰比条件下，耐磨度提高8.1％；0.31 水灰比条件下，耐磨度提高16.2％。耐磨度的差距随水灰比的降低而增大。
实验中的水泥样品C-1 、C-2 使用的熟料相同，两者在化学成分及矿物组成上没有区别，只是水泥的颗粒分布存在差异。C-1 水泥与C-2 水泥相比，其颗粒分布相对较均匀，其中微颗粒（﹤5.5 um）较C-2 水泥多11.33%，而中间颗粒（5.5～30um）及大颗粒（＞30 um）所占比例则分别要比C-2 水泥少7.38%及3.95% 。由于微颗粒的数量较多，C-1 水泥的比表面积要比C-2 水泥大33 m2/Kg；但是，又由于微颗粒能够填充在大颗粒的空隙中，使水泥颗粒的堆积体系更加紧密，用于填充水泥颗粒间空隙的拌和水量更少，因此C-1 水泥的标准稠度用水量比C-2 水泥更小。采用压汞法测得样品1-1、2-1 两个硬化混凝土浆体的孔直径分布如表9 及图2 所示。
由图2 可见：样品1-1 的总孔隙率小于样品2-1 的总孔隙率，样品1-1 的总孔隙率仅有样品2-1 的75%，但是样品1-1 中小于20nm 的微孔数量比样品2-1 多17.6% 。吴中伟教授[12] 提出：混凝土的孔分为四级，d＜20nm 的为无害孔级，d=20-100nm 的为少害孔级，d=100-200nm 的为有害孔级，d＞200nm 的为多害孔级。方大明[13] 认为：孔隙率小的混凝土，内部粒子间距小，粒子间接触较牢固，有利于混凝土的强度提高；在相同的孔隙率下，孔级配不同，对混凝土的强度影响也较大。综合国内外所发表的孔结构说，可以认为当孔隙率相同，平均孔径小的混凝土强度高，孔径小于3.2nm 的凝胶孔对提高混凝土的强度有益无害。
样品1-1 与样品2-1 比较，呈现出总孔隙率小，无害孔数量多、有害孔数量少的特点。由此可见，使用C-1 水泥配制的混凝土不仅密实性较高，而且孔结构也更优良。良好的密实性及孔结构对于混凝土力学性能的改善具有重要意义，上述两种水泥在耐磨性方面的差异也不例外。另外，从表2 的实验数据可知，两种水泥28 天龄期的化学结合水量分别为31.4572% 及32.8412% ，其中C-2 比C-1 略大1.384%，因差距较小，可忽略不计，两者近似相等。这表明两种水泥虽然在比表面积及颗粒分布上存在差异，但两者的28 天水化程度基本接近。在水泥熟料相同的条件下，比表面积及颗粒分布的差异对28 天龄期的水化程度影响不大。因此，上述两种水泥在耐磨性方面的差异主要是由砂浆或混凝土的孔隙率及孔结构所决定的。开路磨系统与闭路磨系统比较，水泥颗粒的分布相对较宽，颗粒分布较宽的水泥配制的砂浆或混凝土的密实性及孔结构均优于颗粒分布较窄的水泥，这有利于耐磨性的提高，也是C-1 水泥的耐磨性优于C-2 水泥的原因。
4. 结论
1 1．颗粒分布较宽的水泥，在水灰比及外加剂用量相同的情况下，配制的水泥砂浆或混凝土具有良好的密实性及孔结构，其砂浆与混凝土的耐磨性能均优于颗粒分布较集中的水泥。较宽的颗粒分布使水泥砂浆或混凝土具有更小的孔隙率及良好的孔结构，这有利于耐磨性的提高，也是颗粒分布较宽的水泥耐磨性优于颗粒分布较窄水泥的主要原因。
2 2．混凝土的密实性及孔结构对耐磨性的改善具有重要意义。孔隙率小的混凝土，有利于混凝土耐磨性的提高；孔径小于20nm 的孔对混凝土的耐磨性没有不良影响，属于无害孔。
