0 引言
近些年來(lái), 水泥混凝土的流動(dòng)性和耐久性受到格外重視, 尤其在配制高流動(dòng)性和自密實(shí)性等高性能混凝土?xí)r就更加重要。提高混凝土流動(dòng)性的主要措施有選配合適的集料粒度和粒度組成、適當(dāng)多用包括水泥在內(nèi)的細(xì)粉、使用高效流動(dòng)劑( 高效減水劑) 和增加用水量。然而多用水泥會(huì)提高膠凝材料早期發(fā)熱量, 增大混凝土早期出現(xiàn)裂紋的危險(xiǎn)性; 增大細(xì)粉量、外加劑量和用水量都會(huì)使混凝土早期穩(wěn)定性受到損害, 易產(chǎn)生泌水、開(kāi)裂和其它質(zhì)量缺陷。通過(guò)調(diào)整固體材料( 包括集料和膠凝材料) 的顆粒分布, 產(chǎn)生最佳堆積密度, 便能在相同水泥、水和外加劑用量的條件下提高砂漿和新拌混凝土的流動(dòng)性或可加工性, 或者可以在滿足施工要求的前提下減少水泥、水和外加劑用量。
對(duì)最佳顆粒分布的研究在混凝土界已有100 多年歷史, 近十年多來(lái), 隨著高性能混凝土的發(fā)展, 國(guó)外一些學(xué)者在研究和開(kāi)發(fā)適合高性能混凝土用的集料和膠凝材料時(shí)又有許多新的進(jìn)展, 關(guān)于集料的研究不屬本刊報(bào)道范圍, 本文也不涉及, 其中關(guān)于細(xì)粉材料的研究, 對(duì)調(diào)控水泥顆粒分布, 提高水泥性能很有參考價(jià)值。為了敘述方便, 本文首先簡(jiǎn)要匯總介紹與粉體材料顆粒分布和堆積密度等有關(guān)的國(guó)外最新出現(xiàn)的檢測(cè)方法和相關(guān)指標(biāo), 關(guān)于水泥及細(xì)粉總體顆粒分布對(duì)水泥及混凝土性能的影響待以后再作介紹。
1 幾個(gè)基本概念
1.1 粒度
粒度也就是顆粒大小, 它是任意形狀顆粒的幾何尺寸, 按其大小可分為:
1) 膠體分散顆粒, 粒度范圍: 1nm～約1μm;
2) 細(xì)分散顆粒, 粒度范圍: 1μm～約100μm;
3) 粗分散顆粒, 或粗粒粉體材料, 粒度范圍:100μm～cm 級(jí)范圍。
水泥的粒度主要在細(xì)分散顆粒范圍, 但其中也有少量超出這個(gè)范圍, 如微米級(jí)硅灰, 平均粒徑在0.1μm 左右, 納米級(jí)硅粉, 平均粒徑在0.015μm 左右,都進(jìn)入膠體分散顆粒范圍?；炷两缫话銓⒘６仍?25μm 或200μm 以下的固體材料統(tǒng)一歸入細(xì)粉部分, 所以研究包括水泥在內(nèi)的細(xì)粉堆積密度時(shí)通常將粒度上限延伸至125μm( 或200μm) 。
固體顆粒材料的形狀多是不規(guī)則的, 究竟應(yīng)以哪一尺寸作為顆粒大小的特性值還沒(méi)有定論, 視檢測(cè)方法而異。比如, 用方孔篩作篩析檢測(cè)和用沉降法與光衍射法作粒度檢測(cè)所得出的粒度值實(shí)際上是相應(yīng)大小球形顆粒的粒徑值。也就是說(shuō)篩析法用以表示粒度的篩孔尺寸, 相當(dāng)于該尺寸球形體的直徑或者不規(guī)則顆粒如長(zhǎng)形顆粒的最小尺寸, 也稱(chēng)顆粒厚度E 值, 對(duì)顆粒長(zhǎng)度L 值則難以測(cè)出, 篩析法還有一個(gè)缺點(diǎn)是篩析過(guò)程中施加的能量越大, 通過(guò)量越多, 用此篩析結(jié)果計(jì)算填充細(xì)粉需要量會(huì)得出錯(cuò)誤結(jié)果。沉降法測(cè)出的粒度值是相當(dāng)于以同樣速度沉降到底的等密度球體直徑。激光衍射法和一般顯微鏡觀測(cè)法是以與所測(cè)顆粒投影面積等值的圓形直徑作為粒度值。所以, 以上這些方法得出的粒度值都是相應(yīng)球體或圓形的當(dāng)量直徑值, 以致在不規(guī)則的粉體粒度檢測(cè)中, 用不同的檢測(cè)方法會(huì)得出不同的結(jié)果, 顆粒形狀與球形體或立方體的差別越大, 所得結(jié)果的差異也越大, 只有理想球形顆粒的檢測(cè)結(jié)果才不受檢測(cè)方法的影響。
1.2 顆粒形狀與顆粒指數(shù)
許多在混凝土集料研究中的概念和指標(biāo), 也都應(yīng)用在了細(xì)粉材料的表述中。
1) 球形度或球形系數(shù)。對(duì)細(xì)分散顆粒形狀特性的表述最常用的是Wadell 的球形度( sphericity) 和Heywood 系數(shù)。球形度的概念為同體積球體表面積與顆粒實(shí)際表面積之比, 其值≤1。Heywood 系數(shù)的概念為所測(cè)顆粒的比表面積與當(dāng)量直徑球體比表面積之比。若該當(dāng)量直徑與同體積球體直徑相等, 則Heywood 系數(shù)是球形度的倒數(shù), 其值≥1。德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN66141 中規(guī)定的顆粒形狀系數(shù)ψ即是基于這個(gè)概念提出的, 它是用勃氏比表面積Blaine 值與用當(dāng)量直徑計(jì)算的比表面積之比, ψ值為Wadell 球形度的倒數(shù), 是一個(gè)綜合性指標(biāo), 其中也包含了表面粗糙度的影響因素。現(xiàn)在用激光衍射法和顯微鏡觀測(cè)法檢測(cè)的是顆粒的投影面, 粒度是用等面積圓的當(dāng)量直徑表示, 則顆粒形狀系數(shù)也用圓形度(Degree of rounding)表示, 也稱(chēng)球形度, 它的概念是顆粒投影面實(shí)際周長(zhǎng)與等面積圓形周長(zhǎng)之比, 其值≥1。計(jì)算式為:
式中:
UA———顆粒投影面實(shí)際周長(zhǎng);
A———顆粒投影面面積。
2) 顆粒指數(shù)( Particle index) 。在混凝土集料形狀特性的表述中也常用顆粒形狀系數(shù), 它的含義是測(cè)出顆粒長(zhǎng)度L 與寬度B, 以L/B 的比值大于某一界限如2 或3 作為不規(guī)則顆粒, 不規(guī)則顆粒質(zhì)量占顆?？傎|(zhì)量的百分比即為顆粒形狀系數(shù)。這一概念也引用到細(xì)粉材料上, 顆粒長(zhǎng)度也用L 表示, 不用寬度B 而用厚度E 表示細(xì)粉的最小尺寸, L/E 的比值作為顆粒指數(shù)。顆粒指數(shù)是表示細(xì)粉顆粒形狀特性的又一重要指標(biāo), 將成為研究配制高流動(dòng)性混凝土所需細(xì)粉材料特性的重要參數(shù)。奧地利的PeterNischer 博士在研究報(bào)告中提出, 適用于混凝土性能的細(xì)粉材料( 包括水泥在內(nèi)) 的平均顆粒指數(shù)應(yīng)<1.4, 標(biāo)準(zhǔn)偏差≤0.20。在用Fuller 方程計(jì)算最佳堆積密度的顆粒分布時(shí), 可根據(jù)顆粒指數(shù)對(duì)方程中的指數(shù)n 值作適當(dāng)修正, 顆粒指數(shù)越大, n 值越小, 如顆粒指數(shù)為1.3, n 值可取0.4; 顆粒指數(shù)≥1.50, n 值取0.35。
1.3 不同粒度檢測(cè)方法的差別
若想使水泥或混凝土中細(xì)粉膠凝材料整體顆粒分布得到優(yōu)化, 首要問(wèn)題是準(zhǔn)確測(cè)出細(xì)粉的顆粒形狀、大小和粒度分布, 依此計(jì)算出可能達(dá)到的堆積密度, 從而優(yōu)化設(shè)計(jì)與高性能混凝土的可加工性能有關(guān)的需水量和流動(dòng)性等指標(biāo)。P. Nischer 博士采用經(jīng)過(guò)改進(jìn)的顯微鏡觀測(cè)法更真實(shí)地檢測(cè)出細(xì)粉顆粒的各相關(guān)尺寸和表面特性, 該裝置稱(chēng)為顆粒流圖像分析儀, 簡(jiǎn)寫(xiě)PIA( Flow Particle Image Analyzer) 。
為了能較直觀的理解不同檢測(cè)方法在檢測(cè)結(jié)果上的差異和FPIA 法的優(yōu)越性, P. Nischer 用一理論分析圖作了形象說(shuō)明。用于粒度分析的樣品為一假想的粉體材料( 為同等大小的長(zhǎng)橢圓形, L/E=8.0, E=1) 。用篩析、沉降、激光粒度分析儀和FPIA 法所做的粒度分析曲線見(jiàn)圖1。
一般篩析法測(cè)的粒度是不連貫的、跳躍式的粒度分布, 這里因?yàn)橹挥幸环N顆粒, 篩析法檢測(cè)的是顆粒最小尺寸, 即厚度E 值, 所以粒度分布為一直線, 公稱(chēng)寬度或篩孔寬度為1。沉降法和激光粒度分析是依據(jù)檢測(cè)時(shí)顆粒的隨機(jī)位置狀態(tài)測(cè)定, 因此能得出一連續(xù)的粒度分布曲線。激光法是以衍射面積作為檢測(cè)參數(shù); 沉降法是以體積作為檢測(cè)參數(shù), 檢測(cè)的粒度稍細(xì)一些。另外, 激光粒度分析的粒度分布曲線位置還可能受折射率的影響。FPIA 測(cè)出的是兩條直線, 一條曲線與篩析曲線重合, 為顆粒厚度E; 另一條曲線為由顆粒最大投影面測(cè)出的等面積圓形顆粒直徑。由此分析可以看出, FPIA 法比較接近真實(shí)情況, 并能測(cè)出顆粒最小尺寸即厚度E 值, 此值對(duì)計(jì)算填充細(xì)粉最佳顆粒分布十分有用。
2 顆粒流圖像分析法FPIA
FPIA 是一種改進(jìn)的顯微鏡觀測(cè)法, 它是用水或異丙醇作介質(zhì)濕法制備樣品, 樣品中至少應(yīng)含有100萬(wàn)個(gè)待測(cè)的單一顆粒。為了能夠測(cè)到不規(guī)則顆粒的長(zhǎng)度, 該檢測(cè)儀專(zhuān)門(mén)裝設(shè)一個(gè)顆粒整序裝置, 見(jiàn)圖2。
樣品顆粒通過(guò)一直徑不足1mm 的細(xì)管流向檢測(cè)區(qū), 在細(xì)管中顆粒得到有序排列, 可展示出最大的觀測(cè)面, 儀器對(duì)在這個(gè)有利位置狀態(tài)下的顆粒進(jìn)行顆粒形狀特性檢測(cè), 項(xiàng)目如下:
1) 顆粒最大尺寸L: 顆粒兩點(diǎn)間的最大距離, 相當(dāng)于EN933- 4 標(biāo)準(zhǔn)中的顆粒長(zhǎng)度。
2) 顆粒最小尺寸E: 與顆粒最大尺寸偏移90°的投影面尺寸, 相當(dāng)于EN933- 4 標(biāo)準(zhǔn)中的顆粒厚度。
3) 粒度: 顆粒大小, 它可用顆?！白畲蟪叽纭薄㈩w?！白钚〕叽纭被蛘摺暗让娣e圓形直徑”表示。因?yàn)榱６葯z測(cè)用得最多的是篩析法, 其法以顆粒最小尺寸作為粒度值, 所以在FPIA 分析中也與此相應(yīng)選用顆粒厚度E 值作為“公稱(chēng)( 篩孔) 寬度”即粒度量值, 這樣也許比較適合對(duì)混凝土固體材料的整體調(diào)配。
4) 顆粒指數(shù)L/E: 水泥和混凝土界所要求的細(xì)粉要有良好的填充效應(yīng), 顆粒指數(shù)將會(huì)成為反映此性能的重要參數(shù)。
5) 顆粒周長(zhǎng)UA: 包括顆粒投影面所有不平特性的周線展開(kāi)長(zhǎng)度。
6) 粗糙度: UA/圍線長(zhǎng)度。圍線長(zhǎng)度是指在同一個(gè)投影面上, 假想用一橡皮筋緊箍在顆粒上, 橡皮筋所形成的圍線展開(kāi)長(zhǎng)度即圍線長(zhǎng)度, 見(jiàn)圖3。
7) 圓形度: 等面積圓周長(zhǎng)與UA 之比, 其值≤1,此值為( 1) 式的倒數(shù)。
8) 凸度: 由實(shí)際投影面計(jì)算的顆粒面積與圍線面積之比, 其值≤1。
圖4 ～圖9 是用Malvern 公司生產(chǎn)的SysmexFPIA- 3000 型顆粒流圖像分析儀對(duì)幾種粉體材料顆粒形狀特性的檢測(cè)結(jié)果。圖4 為石灰石細(xì)粉的顆粒分布, 圖中虛線為用等面積圓形顆粒直徑表示的粒度分布; 實(shí)線為最小顆粒尺寸E 表示的顆粒分布。兩條曲線在較小粒徑段重合, 在較大粒徑段有些差別, 說(shuō)明較大粒徑顆粒的形狀差些, 用E 值表示的粒度稍細(xì)些。圖5 和圖6 分別為某一粉煤灰的顆粒指數(shù)和顆粒表面粗糙度與粒度的關(guān)系, 這2 張圖顯示, 粉煤灰顆粒粒度越大, 形狀特性越差。圖7 為不規(guī)則形狀粉煤灰的顆粒形狀特性參數(shù)檢測(cè)值, 圖8 為良好形狀石灰石粉的顆粒形狀特性參數(shù)檢測(cè)值, 從中可以看出, 這些參數(shù)能夠顯示出顆粒形狀特性, 不論是顆粒指數(shù)還是圓形度或粗糙度, 石灰石粉的都明顯優(yōu)于粉煤灰的, 與圖像反映的相吻合。若比較顆粒指數(shù)與圓形度則在此2 張圖上仍有些差別, 如圖7 中1 號(hào)顆粒( 左1) 的顆粒指數(shù)優(yōu)于4 號(hào)( 右1) 的, 而圓形度則相反4號(hào)優(yōu)于1 號(hào), 圖8 中2 號(hào)顆粒( 左2) 的顆粒指數(shù)明顯優(yōu)于3 號(hào)( 右2) , 而圓形度卻沒(méi)有差別, 從圖形看似乎顆粒指數(shù)更敏感些。圖9 為某一混凝土在制備過(guò)程中, 由于攪拌不好細(xì)粉顆粒未能充分分散開(kāi)的圖像,出現(xiàn)這種情況必然影響細(xì)粉顆粒堆積密度和新拌混凝土的可加工性。關(guān)于這些顆粒形狀特性參數(shù)對(duì)堆積密度和混凝土可加工性的影響將在以后的相關(guān)文章中介紹。
3 用飽和點(diǎn)用水量法測(cè)量細(xì)粉堆積密度
水泥和粉煤灰等粉體堆積密度可用葡氏夯土密實(shí)度測(cè)量法檢測(cè), 但這種方法比較復(fù)雜, 需要測(cè)出粉體材料相對(duì)體積質(zhì)量, 檢測(cè)結(jié)果又受振實(shí)力度影響。水泥的堆積密度也可用標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量來(lái)表示, 但這也只適用于水泥不能用于粉煤灰和石粉等填充材料。
2002 年, 德國(guó)Wayss & Freytag 公司的WolfgangPuntke 工程師提出一種簡(jiǎn)便易行的對(duì)各種粉體都適用的飽和點(diǎn)用水量法, 此時(shí)的用水量即為堆積粉體的空隙體積。堆積的粉體顆粒之間留有空隙, 若加水量剛好填滿這些空隙即為飽和點(diǎn), 這時(shí)的用水量稱(chēng)飽和點(diǎn)用水量。堆積體的空隙越小, 用水量越少, 達(dá)到最緊密堆積時(shí)的用水量也最低, 通過(guò)檢測(cè)堆積體飽和點(diǎn)用水量即可得出堆積體的空隙率或堆積密度。這種方法的主要依據(jù)是, 一種沒(méi)有內(nèi)聚性的細(xì)粉堆積體, 上面不加任何荷載, 通過(guò)加水振實(shí), 當(dāng)加水量達(dá)到顆粒緊密堆積結(jié)構(gòu)的飽和點(diǎn)時(shí), 也就呈現(xiàn)了由于材料物理特性決定所能達(dá)到的最緊密堆積密度。它與振實(shí)工作是否嚴(yán)格規(guī)范沒(méi)有關(guān)系。飽和點(diǎn)的呈現(xiàn)很敏感, 例如, 檢測(cè)100g 試樣, 到接近終點(diǎn)時(shí)只要追加< 0.1g 水便能實(shí)現(xiàn)從“還不能振實(shí)”狀態(tài)到“剛好能夠振實(shí)”狀態(tài)。
在向細(xì)顆粒粉體中加水, 當(dāng)水剛好能將顆粒潤(rùn)濕但還沒(méi)有達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí), 水的表面張力( 又稱(chēng)毛細(xì)張力) 在起作用, 阻礙顆粒重新排列, 在土壤力學(xué)中稱(chēng)這種效應(yīng)為“表觀黏聚性”。若繼續(xù)加水達(dá)到水飽和狀態(tài)時(shí)毛細(xì)張力隨即消失, 粉體中的顆粒便可整序排列, 達(dá)到由顆粒物理特性所決定的最緊密堆積狀態(tài)。
細(xì)粉顆粒的這種整序排列縮小了堆積體空隙, 從而也能減少飽和點(diǎn)用水量。因此只有逐步增加水量, 才能準(zhǔn)確找出為使細(xì)粉堆積體獲得可振實(shí)性的確切用水量。若加水量超過(guò)了可能達(dá)到緊密堆積密度的需要量, 則在微細(xì)顆粒不足的粗顆粒堆積體表面會(huì)出現(xiàn)過(guò)剩水, 也就是常說(shuō)的泌水現(xiàn)象。極細(xì)顆粒堆積體具有很高的保水性, 此時(shí)超過(guò)飽和點(diǎn)用水量外的多余水會(huì)抑制或阻礙細(xì)粉顆粒的重新整序排列進(jìn)入可以達(dá)到的堆積密度, 所以檢測(cè)飽和點(diǎn)時(shí)一定要小心謹(jǐn)慎地逐步增加水量。
試驗(yàn)用器具:塑料杯或金屬杯: 平底, 容量約300ml;不銹鋼攪拌鏟或攪拌刀;加水用的洗瓶和計(jì)量滴管;精密天平: 稱(chēng)量量程≥200g, 讀數(shù)精度≤0.01g。
盛樣品的塑料杯或金屬杯必須是平底的, 否則杯底的弧形區(qū)會(huì)產(chǎn)生彈性效應(yīng), 不利于顆粒整序達(dá)到最緊密排列。下面舉例說(shuō)明試驗(yàn)過(guò)程:將制備好的試樣在( 105±5) ℃溫度下烘干至恒重, 室溫和試樣溫度應(yīng)在18～25℃之間。精稱(chēng)約50g( 粉料) 至100g( 砂) 試樣, 精度至0.01g。將稱(chēng)好的試樣放到盛樣杯中, 用洗瓶逐步加水, 用攪拌工具小心地捏合, 徹底拌勻試樣, 將盛料杯由約5cm 高度放落, 經(jīng)多次振實(shí)直到混合樣閉合成一整體式結(jié)構(gòu)體,然后再用計(jì)量滴管一滴一滴地加水, 并仔細(xì)拌和, 逐漸接近飽和點(diǎn)。當(dāng)盛料杯經(jīng)幾次重復(fù)振實(shí), 試樣表面已展平并呈現(xiàn)光澤便是剛好到達(dá)了飽和點(diǎn)。試樣表面可以有適度的粗糙度, 但不能出現(xiàn)鏡面, 若表面光潔如鏡就表明加水過(guò)量。加水量可通過(guò)反稱(chēng)重精度到0.01g 得出。首次試驗(yàn)時(shí)常常加水過(guò)量超過(guò)了飽和點(diǎn),這時(shí)應(yīng)至少再作2 次試驗(yàn), 看是否能用再少一點(diǎn)加水量達(dá)到飽和點(diǎn), 然后取3 次試驗(yàn)中的最小值作為確定的檢測(cè)值。
這種檢測(cè)方法也需要測(cè)出試樣中固體材料的密度或“視比重”, 這樣方能通過(guò)計(jì)算得出固體材料和水的總體積, 以免由于混合試樣中可能殘留氣泡使檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)差錯(cuò)。以前曾有過(guò)這樣教訓(xùn), 試驗(yàn)時(shí)直接測(cè)量細(xì)粉混合樣的體積, 結(jié)果因?yàn)闅埩魵馀莺糠稚⑤^大, 測(cè)值波動(dòng)而失敗了。
在不含氣泡的混合試樣中, 為水所充填的空隙體積含量組分是以用水量nw 來(lái)表示, 所達(dá)到的堆積密度用下式計(jì)算:
式中:
nw———水填充的空隙含量份數(shù)( 體積含量, 總體積量為1) ;
Vw———最緊密堆積排列狀態(tài)下飽和點(diǎn)用水量體積, cm3;
Vk———稱(chēng)取的固體顆粒體積量, cm3;
mw———最緊密堆積排列狀態(tài)下飽和點(diǎn)用水質(zhì)量,g;
mk———稱(chēng)取的固體顆粒質(zhì)量, g;
pk———粉體顆粒體積密度, g/cm3;
pw———水的密度, g/cm3。
因?yàn)樗拿芏韧ǔＲ詐w=1.0g/cm3 計(jì)入, 故( 2) 式可簡(jiǎn)化為:
這種方法與用維卡儀檢測(cè)水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量法相似, 相關(guān)性好。它的優(yōu)點(diǎn)在于除水泥外還可以檢測(cè)如粉煤灰、石粉和砂等填充材料以及它們的混合料, 以便了解所用填充材料的確切堆積密度, 使用比水泥堆積密度大的填充材料, 才能更好地改善混合膠凝材料的堆積密度, 及由此而產(chǎn)生的某些施工性能。
除此之外, 利用此法還可檢驗(yàn)如顆粒分布、顆粒形狀和表面特性以及粒度和顆粒表面積大小等因素對(duì)堆積密度的影響。然而此法只限于在那些吸水性可以忽略不計(jì)的材料上使用, 因?yàn)槎嗫谞畹念w粒材料吸水性大, 會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性。當(dāng)然這種方法也只適用于檢測(cè)無(wú)內(nèi)聚性的或內(nèi)聚性很小的材料。
圖10 為對(duì)德國(guó)現(xiàn)有幾種粉體材料包括硅灰、水泥、粉煤灰、玻璃微珠、砂、細(xì)礫石和細(xì)碎石的檢測(cè)結(jié)果, 粒度< 4mm 的細(xì)礫石和細(xì)碎石等粗粒材料都可用此方法檢測(cè)。從圖10 可以看出, 幾種材料的飽和點(diǎn)用水量有較大的波動(dòng)范圍, 這也間接說(shuō)明這種檢測(cè)方法有較好的靈敏性, 可以作為粉體材料堆積體空隙率或堆積密度的檢測(cè)手段。圖10 還反映出, 同是一種材料可能達(dá)到的最緊密堆積密度有較大差異, 其根源主要是粉體粒度大小、顆粒分布和顆粒形狀特性不同, 反過(guò)來(lái)也可以說(shuō)調(diào)整粉體材料的顆粒特性確能改變堆積密度, 從而改善膠凝材料和混凝土的施工性能。
另外, 在M.Schmidt 2005 年發(fā)表的研究報(bào)告中提出, 用飽和點(diǎn)用水量法檢測(cè)水泥的堆積密度時(shí)應(yīng)在水中加入2%緩凝劑, 防止水泥在檢測(cè)過(guò)程中發(fā)生水化,否則由于水泥早期水化可能結(jié)合約10%的拌和水, 使測(cè)出的空隙含量偏大。
4 混凝土泌水性的定量檢驗(yàn)
新拌混凝土出現(xiàn)泌水對(duì)混凝土質(zhì)量尤其是耐久性有很大損害。泌水與混凝土配方設(shè)計(jì)和施工工藝有很大關(guān)系, 其中就膠凝材料而言, 主要是膠凝材料用量和細(xì)顆粒含量。細(xì)顆粒少易出現(xiàn)泌水, 含量多會(huì)使需水量增大, 減水劑用量增高, 也會(huì)增加制備過(guò)程能耗。理想情況是使細(xì)顆粒含量恰到好處, 混凝土不僅不泌水或泌水控制在允許程度內(nèi), 又能在保證有足夠施工性能的前提下盡可能減少水泥、水和減水劑用量, 這是水泥和混凝土界都在追求的目標(biāo)之一。然而混凝土的泌水性還沒(méi)有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)方法和定量尺度, 這又給調(diào)配水泥或膠凝材料總體顆粒分布帶來(lái)一定困難。最近P. Nischer 博士介紹一種由bpvLanzendorf 技術(shù)檢驗(yàn)與研究所開(kāi)發(fā)的混凝土泌水性定量檢驗(yàn)器, 稱(chēng)壓力檢驗(yàn)器, 如圖11 所示。
檢驗(yàn)器主體為一10L 容量的氣密性高壓罐, 可承受5bar(0.5MPa)檢測(cè)氣壓。罐體凈高19.2cm, 罐頂為可開(kāi)啟的壓蓋, 高壓空氣從罐頂加入, 檢測(cè)壓力一般為3bar(0.3MPa), 用1 支壓力閥調(diào)控, 1 個(gè)經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的壓力表測(cè)壓。攪拌好的混凝土漿樣品裝入試驗(yàn)罐, 經(jīng)15min 加壓, 檢測(cè)結(jié)束后, 取下頂蓋, 取樣, 再用烘干法測(cè)表層混凝土漿含水量。一般情況下, 只測(cè)表層2cm 混凝土漿的含水量。若想了解含水量梯度變化,還需檢測(cè)更深層的含水量。靠近表層的含水量增加得越多, 混凝土的穩(wěn)定性越差, 越容易泌水。
這種檢測(cè)方法的基本點(diǎn)是模擬混凝土漿的泌水過(guò)程。一些混凝土漿尤其是塑性混凝土漿, 澆注完在振搗過(guò)程中和振搗工作結(jié)束后很容易發(fā)生大顆粒固體材料向下沉降。若固體材料的整體顆粒分布不合適, 偏離最佳堆積密度顆粒分布曲線較大, 在混凝土自身荷重的作用下更易使大顆粒下沉, 細(xì)顆粒和水向表層富集, 呈現(xiàn)出常見(jiàn)的泌水現(xiàn)象。壓力法檢測(cè)就是用外加的空氣壓力模擬混凝土漿的自身荷重, 并加速這個(gè)作用過(guò)程。不過(guò)此檢測(cè)方法目前還只是檢測(cè)水分含量, 尚未檢測(cè)細(xì)粉富集程度。通過(guò)一些試驗(yàn)得出:
1) 用高壓空氣在新拌混凝土漿試體表面施壓確能促使?jié){體中的粗顆粒下沉, 細(xì)粉和水向表面富集。
2) 在固體材料配比相同的混凝土漿中, 加水量越多, 表層可測(cè)出的富集水量越大。若加水量固定不變,流動(dòng)劑( 或高效減水劑) 用得越多, 表層富集的水量越多。
3) 這種檢測(cè)方法是確切有效的, 適合工地使用。從大量試驗(yàn)結(jié)果中得出, 用3bar(0.3MPa) 氣壓、15min加壓時(shí)間和測(cè)2cm 表層含水量的檢測(cè)方法, 則擴(kuò)展度為55cm 的混凝土, 表層含水量允許值為≤15%; 擴(kuò)展度為65cm 的混凝土, 表層含水量允許值為≤25%。也可以說(shuō), 在這個(gè)最高允許含水量以下的測(cè)值范圍, 新拌混凝土的泌水穩(wěn)定性是可以承受的。
4) 從目前所獲得的經(jīng)驗(yàn)中得出, 新拌混凝土漿為達(dá)到相應(yīng)的擴(kuò)展度不論是通過(guò)多加水的辦法還是通過(guò)多加流動(dòng)劑的辦法實(shí)現(xiàn), 這種泌水性檢測(cè)結(jié)果都是一樣的, 也可以說(shuō)對(duì)這種試驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有影響。
在塑性混凝土中, 粒度< 0.125mm 的細(xì)粉堆積密度對(duì)需水量有很大影響。若顆粒分布合理, 粗顆粒間的空隙能為適量的細(xì)顆粒充填, 就能減小堆積體的空隙率, 這時(shí)混合細(xì)粉的總表面積往往是增大了, 但需水量卻減少了; 若填充的細(xì)顆粒過(guò)多, 超過(guò)了剛好填滿空隙的最佳含量, 或者填充用的微細(xì)粉過(guò)細(xì), 比表面積過(guò)大( 如硅灰) , 則需水量又會(huì)增大。混凝土中的細(xì)粉部分偏離了最佳化狀態(tài), 若達(dá)到同樣的可加工性就必須增加水量或者增加流動(dòng)劑量, 結(jié)果必然是損害
新拌混凝土的穩(wěn)定性, 易產(chǎn)生泌水。利用上述的壓力檢驗(yàn)器不僅能使混凝土界對(duì)泌水性的控制和檢測(cè)方法有了定量尺度, 以便于更好的選用水泥和填充材料的品種、數(shù)量、細(xì)度和顆粒分布, 對(duì)水泥界也有助于根據(jù)混凝土施工需要調(diào)配水泥的合理細(xì)度和顆粒分布。
P. Nischer 用壓力法在一些混凝土試樣上作了試驗(yàn), 試驗(yàn)混凝土集料最大粒徑16mm, 用水量208L/m3, 混凝土中的水泥、填充材料和流動(dòng)劑含量以及擴(kuò)展度列于表1, 水泥及細(xì)粉總體篩析值列于表2, 所測(cè)表層含水量繪于圖12。其中包括經(jīng)壓力法試驗(yàn)后由4個(gè)深坑點(diǎn)取樣、用微波烘干測(cè)出的含水量平均值WA.MW 檢測(cè)和由拌和水( 未加壓) 得出的初始含水量WA.初量。由經(jīng)驗(yàn)得出, 在用微波烘干新拌混凝土?xí)r, 只能測(cè)出95%～97%的拌和水量, 分析圖12 的檢測(cè)結(jié)果時(shí)應(yīng)考慮這個(gè)因素。
注: ①M(fèi)S 為硅灰, STM為石粉; ②壓力試驗(yàn): 混凝土1～8 和10 號(hào)的擴(kuò)展度=64~66cm, 混凝土9 和11 的擴(kuò)展度≥71cm; 制備混凝土樣時(shí)另外加入25～27L/m3 石粉從表1 的檢測(cè)結(jié)果中可以明顯看出, 除4 號(hào)和10 號(hào)( 包括11 號(hào)) 混凝土外, 其他各混凝土都已接近產(chǎn)生離析的界線, 似乎不能承受再加大水量或流動(dòng)劑含量。從這組試驗(yàn)得出:
1) 比較1～3 號(hào)混凝土樣, 1m3 混凝土細(xì)粉含量同為120L/m3(水泥93L/m3, 石粉27L/m3) , 2 號(hào)樣使用相對(duì)較細(xì)的CEMⅡ42.5R 水泥, 其表層富集的水量最少; 1 號(hào)樣使用較粗的CEMⅡ42.5N 水泥, 表層富集的水量最大。這3 個(gè)混凝土含有相同的水量和流動(dòng)劑量, 擴(kuò)展度也基本相同, 但細(xì)磨水泥對(duì)減少泌水有利。
2) 將混凝土中的細(xì)粉含量提高到153 L/m3( 水泥及其填充材料127 L/m3, 石粉26L/m3) , 使用較粗的CEMⅡ42.5N 水泥的6 號(hào)和7 號(hào)混凝土表層富集的水量有明顯下降, 而使用較細(xì)的CEMⅡ42.5R 水泥的8 號(hào)樣, 與細(xì)粉含量為120L/m3 的2 號(hào)樣比較, 其表層富集水量還稍有增加。這些混凝土的細(xì)粉含量較高,要達(dá)到相同的擴(kuò)展度, 就必須較細(xì)粉含量少的混凝土多加約15%的流動(dòng)劑。這個(gè)結(jié)果說(shuō)明, 使用細(xì)磨水泥不宜過(guò)分增加細(xì)粉用量。
7 號(hào)和9 號(hào)混凝土細(xì)粉全部是水泥, 含量為127L/m3, 9 號(hào)混凝土用的水泥較細(xì), 為CEMⅡ42.5R,在靠近表層富集水量相近的情況下, 與使用較粗的CEMⅡ42.5N 水泥的7 號(hào)混凝土比較, 擴(kuò)展度大出5cm, 此時(shí)細(xì)磨水泥較有利些。
3) 若將混凝土中的細(xì)粉含量提高到190L/m3( 水泥及其填充材料165L/m3, 石粉25L/m3) , 在表層富集水量相同的情況下, 使用較粗的CEMⅡ42.5N 水泥的11 號(hào)混凝土, 較水泥用量為127 L/m3 的7 號(hào)混凝土擴(kuò)展度大出9cm, 與細(xì)粉含量為120L/m3 的混凝土比較, 在擴(kuò)展度同為66cm 時(shí)流動(dòng)劑要多用60%。多用較粗水泥可以提高混凝土漿的流動(dòng)性, 但需增加流動(dòng)劑用量。
4) 若在細(xì)粉含量為120L/cm3 的混凝土中用硅灰取代7%的較細(xì)CEMⅡ42.5R 水泥, 為達(dá)到66cm 的相同擴(kuò)展度, 流動(dòng)劑用量須提高近2 倍( 如5 號(hào)混凝土) 。由于流動(dòng)劑用量明顯增加, 所以用硅灰取代細(xì)粉時(shí)表層的富集水量會(huì)有少量增加。
這些試驗(yàn)結(jié)果雖然講的都是混凝土性能, 但也顯示出水泥粉磨細(xì)度與混凝土泌水性、擴(kuò)展度和流動(dòng)劑用量間的關(guān)系。磨得較細(xì)的水泥對(duì)降低混凝土泌水有利, 但水泥及細(xì)粉填充材料用量不能過(guò)分提高, 否則以用較粗的水泥為好。
以上介紹的幾種檢驗(yàn)方法是在混凝土性能研究中新出現(xiàn)的比較簡(jiǎn)單實(shí)用的方法, 它們對(duì)水泥性能的研究與改善也很有幫助, 對(duì)我們也有借鑒參考作用。
另外, 也說(shuō)明水泥及混凝土的性能研究中檢測(cè)手段十分重要, 需要不斷完善、更新和填充, 才能步步深入地揭開(kāi)材料特性的奧秘。
參考文獻(xiàn):
[1] Ursula Star. Effektive Methoden zur Messung der Korngrōβe undKornform[J]. Aufbereitungs Technik, 2004,(6):6- 16.
[2] Wolfgang Puntke. Wasseranspruch von feinen Kornhaufwerken [J].beton, 2002,(5):242- 248.
[3] Peter Nischer. Mehlkornoptimierung Notwendigkeit und Mōglichkeitenzur Ermittlung der korngrōβenverteilung,Kornform und Kornoberflōche[J]. BFT,2006,(4):38- 47.
[4] Peter Nischer. Weiche Betone mit verschiedenem Mehlkorn Maβnahmen zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit[J]. BFT, 2006,(8):42- 53.
