在水泥和混凝土中掺入高细度混合材以提高水泥及其制品的力学强度,是许多国家建材工作者研制超高强水泥和高强混凝土所采用的技术路线之一。借鉴研制高强度水泥和混凝土的部分技术措施,笔者尝试在通用水泥的生产过程中利用掺入细磨混合材的方法,来提高水泥的强度和增加混合材掺量,从而达到提高水泥质量、降低生产成本的目的。为此,试验研究了水泥颗粒级配对水泥强度的影响,以及不同配比和粉磨细度的水泥性能。
1 试验原料及试验方法
1.1 试验用混合材的化学成分
试验所用各种混合材的化学成分列于表1。
1.2 试验方法
为了控制掺细磨混合材水泥当中混合材和水泥熟料等各组分的粉磨细度和水泥颗粒级配，小磨试验中采用两套研磨体。一套为微型研磨体(钢段直径8～25mm)，主要用于研磨水泥中的混合材等高细组分；一套为普通研磨体(钢段直径>20 mm),用于研磨水泥中的熟料等粗组分。分别控制和调整水泥中粗组分和细组分的粉磨细度，并按不同比例将两个组分混合均匀，从而找出较合理的水泥颗粒级配。并对不同水泥配比和粉磨细度的这种水泥基本性能进行了测试。
2 水泥颗粒级配对强度的影响
2.1 不同颗粒级配的水泥强度
试验中选用了6组试验样品,其中1组为混合粉磨,5组为分别粉磨,但粗、细组分细度均不相同。
图1为上述不同粉磨方式和粉磨细度即不同颗粒级配的水泥强度增长曲线。图中曲线A为混合粉磨,其余B、C、D、E、F五条曲线为分别粉磨。各条曲线所对应的水泥强度试验结果和粉磨细度列于表2。
其中A组水泥和与A组水泥比表面积相同的D组水泥,以及与A组水泥强度相近的B组水泥的颗粒级配列于表3和表4。
注:1.表中各组数据为3套试样数据平均值,下表同。2.水泥中粗组分平均配比为:熟料57%、石膏4%、矿渣16%;细组分平均配比为:沸石7%、矿渣和硅灰石尾矿共10%、石灰石和石膏共6%。
3.细组分中沸石比例相对较多,故粉磨的比表面积控制较高。对不同的混合材应控制不同的比表面积(见表6)。
结合图1、表2～表4，可以看出：
1)在水泥比表面积和中位粒径基本相同的情况下,分别粉磨的D组试样与混合粉磨的A组试样相比,由于水泥颗粒级配的不同,28d抗压强度提高了6.7 MPa,约13.4%,3d抗压强度提高近3.0 MPa,即12.3%。
2)在分别粉磨的试样中,D组试样与B、C两组试样相比,虽然其水泥比表面积居于B、C两者之间,但其抗压强度却明显高于两者。表明分别粉磨对水泥强度的影响不完全取决于混合后的水泥细度,而主要决定于水泥中粗组分和细组分各自的粉磨细度和比例,即水泥的颗粒级配情况。
2.2 较佳水泥颗粒级配的组成特点
将表3、表4中A、D和B三组水泥颗粒级配数据,分别绘制成水泥颗粒频度分布图(图2和图3)和累积分布曲线图(图4)。
从图2、图3可以看出,D、B、A三组水泥在2～64μm之间的几个局部粒径范围内存在着较明显而有规律的差别。其中,强度最高的D组水泥在8～24μm和32～48μm两个粒级范围内的颗粒含量明显多于A组水泥和B组水泥,而在2～64μm的其余范围内颗粒含量均低于或等于A、B两组水泥。仅在>64μm和<2μm的范围内,D组水泥的颗粒含量介于A组水泥和B组水泥之间。
如将水泥颗粒频度分布情况绘制成圆滑连续的曲线(如图2所示),则可看到在2～64μm范围内,D组水泥和A组水泥均有两个高峰和三个峰谷。前者的两个曲线峰均高于后者相对应的高峰,而三个峰谷均低于后者,并且前者每个曲线峰的宽度都相对较窄。表明其颗粒在两个不同粒径范围内的分布更加集中。同样,在此范围内D组水泥与B组水泥相比,亦有完全相同的特点。
通过水泥颗粒累积分布曲线图(图4)和统计粉磨产品粒度分布最常用的罗拉本(RRB)公式: ,进一步分析以上三组水泥的颗粒组成特性。根据式中某一粒径x(μm)的累积筛余量R(%),可以计算出颗粒分布的特征粒径x和均匀性系数n。结合图4和表4中数据,取其中>8μm和>32μm这两项最有代表性的累积筛余含量代入RRB公式,求出水泥A、D和B三组水泥的特征粒径和均匀性系数,分别列于表5。
由表5可见,A、D、B三组水泥的特征粒径和均匀性系数各不相同。其中,强度最高的掺细磨混合材的D组水泥与混合粉磨的A组水泥相比,其特征粒径较大,均匀性系数较小,表明其产品颗粒相对较粗且不均匀;而与同是掺细磨混合材的B组水泥相比,其特征粒径较小,均匀性系数较大,表明其产品颗粒相对较细且较均匀。应当指出:对于采用相同粉磨方法粉磨的水泥,在一定范围内特征粒径越小,均匀性系数越大,水泥强度越高。通过上述试验结果的数据分析可以看出,将掺细磨混合材的水泥与混合粉磨的水泥相比,并不符合这一规律。
2.3 颗粒级配影响水泥强度的规律分析
综合A、D、B三组水泥的颗粒级配和力学强度试验结果的对比分析,可以初步看出掺细磨混合材水泥颗粒级配的组成对水泥强度的影响具有一定规律。即在一定粒径范围内,将水泥颗粒的频度分布曲线调整成由两个以上的高峰所组成的曲线,每一高峰的宽度越窄,其强度性能越好。也就是说水泥颗粒的分布尽量控制在几个不同的范围内,且每一范围越小(颗粒越集中),对水泥强度越为有利。这一观点与英国MDF水泥(无缺陷水泥)所控制的颗粒组成特点是一致的。
2.4 颗粒级配影响水泥强度的作用机理探讨
水泥颗粒级配的分布情况及其控制方式影响水泥强度的作用机理有以下三点:
1)由于采用了分别粉磨方式,可根据需要调整水泥中粗细颗粒的比例和细度,使水泥中的细粒子更好地填充在粗颗粒所包围的空隙内,有利于水泥浆体形成较致密的结构。这与国外研制超高强水泥的作用机理有相似之处。
2)使熟料和混合材的粉磨细度均控制在合适的范围内,从而使熟料的胶凝性得到合理有效地发挥;混合材的活性大为提高,并与熟料水化析出的粘结强度很低的Ca(OH)2充分反应,形成更多的CSH凝胶,从而增加水泥强度。这一点对通用水泥强度的提高起主要作用。
3)随着粉磨细度的提高,掺合料中的某些非活性组分才能有效地或更好地发挥作用。一方面能更充分地参与水泥水化反应,生成较多有利于强度的水化物;另一方面,进一步激发混合材的活性,促进水泥水化和硬化。
3 不同配比和粉磨细度的水泥性能及其特点
表6列出了不同配比和粉磨细度的水泥一般物理性能。从中可以看出掺细磨混合材的水泥具有以下两大特点：
注:各组试样水灰比均为0.44。第一组试验所用混合材的化学成分见表1中矿渣1,沸石1和石灰石1;第二、三组试验所用混合材的化学成分见表1中矿渣2、沸石2、和石灰石2。
1)水泥强度高
如表6中802和903两个编号的水泥,在混合材掺量约35%的情况下,水泥标号已分别达到725R型硅酸盐水泥和625R型普通水泥的强度指标。其28d抗压强度分别比相应的熟料强度提高18.5MPa和16.1 MPa。
2)混合材掺量大
表6中第三组试验数据表明,在混合材掺量为55%～60%,且熟料28d强度仅42.1MPa的情况下,水泥的标号仍能达到425号矿渣水泥的强度指标,且有很大的富余标号。尤其是水泥28d强度仍能高于熟料强度10MPa左右。可见,混合材掺量还可以继续增加。
