在水泥和混凝土中摻入高細度混合材以提高水泥及其制品的力學強度,是許多國家建材工作者研制超高強水泥和高強混凝土所采用的技術(shù)路線之一。借鑒研制高強度水泥和混凝土的部分技術(shù)措施,筆者嘗試在通用水泥的生產(chǎn)過程中利用摻入細磨混合材的方法,來提高水泥的強度和增加混合材摻量,從而達到提高水泥質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本的目的。為此,試驗研究了水泥顆粒級配對水泥強度的影響,以及不同配比和粉磨細度的水泥性能。
1 試驗原料及試驗方法
1.1 試驗用混合材的化學成分
試驗所用各種混合材的化學成分列于表1。
1.2 試驗方法
為了控制摻細磨混合材水泥當中混合材和水泥熟料等各組分的粉磨細度和水泥顆粒級配，小磨試驗中采用兩套研磨體。一套為微型研磨體(鋼段直徑8～25mm)，主要用于研磨水泥中的混合材等高細組分；一套為普通研磨體(鋼段直徑>20 mm),用于研磨水泥中的熟料等粗組分。分別控制和調(diào)整水泥中粗組分和細組分的粉磨細度，并按不同比例將兩個組分混合均勻，從而找出較合理的水泥顆粒級配。并對不同水泥配比和粉磨細度的這種水泥基本性能進行了測試。
2 水泥顆粒級配對強度的影響
2.1 不同顆粒級配的水泥強度
試驗中選用了6組試驗樣品,其中1組為混合粉磨,5組為分別粉磨,但粗、細組分細度均不相同。
圖1為上述不同粉磨方式和粉磨細度即不同顆粒級配的水泥強度增長曲線。圖中曲線A為混合粉磨,其余B、C、D、E、F五條曲線為分別粉磨。各條曲線所對應(yīng)的水泥強度試驗結(jié)果和粉磨細度列于表2。
其中A組水泥和與A組水泥比表面積相同的D組水泥,以及與A組水泥強度相近的B組水泥的顆粒級配列于表3和表4。
注:1.表中各組數(shù)據(jù)為3套試樣數(shù)據(jù)平均值,下表同。2.水泥中粗組分平均配比為:熟料57%、石膏4%、礦渣16%;細組分平均配比為:沸石7%、礦渣和硅灰石尾礦共10%、石灰石和石膏共6%。
3.細組分中沸石比例相對較多,故粉磨的比表面積控制較高。對不同的混合材應(yīng)控制不同的比表面積(見表6)。
結(jié)合圖1、表2～表4，可以看出：
1)在水泥比表面積和中位粒徑基本相同的情況下,分別粉磨的D組試樣與混合粉磨的A組試樣相比,由于水泥顆粒級配的不同,28d抗壓強度提高了6.7 MPa,約13.4%,3d抗壓強度提高近3.0 MPa,即12.3%。
2)在分別粉磨的試樣中,D組試樣與B、C兩組試樣相比,雖然其水泥比表面積居于B、C兩者之間,但其抗壓強度卻明顯高于兩者。表明分別粉磨對水泥強度的影響不完全取決于混合后的水泥細度,而主要決定于水泥中粗組分和細組分各自的粉磨細度和比例,即水泥的顆粒級配情況。
2.2 較佳水泥顆粒級配的組成特點
將表3、表4中A、D和B三組水泥顆粒級配數(shù)據(jù),分別繪制成水泥顆粒頻度分布圖(圖2和圖3)和累積分布曲線圖(圖4)。
從圖2、圖3可以看出,D、B、A三組水泥在2～64μm之間的幾個局部粒徑范圍內(nèi)存在著較明顯而有規(guī)律的差別。其中,強度最高的D組水泥在8～24μm和32～48μm兩個粒級范圍內(nèi)的顆粒含量明顯多于A組水泥和B組水泥,而在2～64μm的其余范圍內(nèi)顆粒含量均低于或等于A、B兩組水泥。僅在>64μm和<2μm的范圍內(nèi),D組水泥的顆粒含量介于A組水泥和B組水泥之間。
如將水泥顆粒頻度分布情況繪制成圓滑連續(xù)的曲線(如圖2所示),則可看到在2～64μm范圍內(nèi),D組水泥和A組水泥均有兩個高峰和三個峰谷。前者的兩個曲線峰均高于后者相對應(yīng)的高峰,而三個峰谷均低于后者,并且前者每個曲線峰的寬度都相對較窄。表明其顆粒在兩個不同粒徑范圍內(nèi)的分布更加集中。同樣,在此范圍內(nèi)D組水泥與B組水泥相比,亦有完全相同的特點。
通過水泥顆粒累積分布曲線圖(圖4)和統(tǒng)計粉磨產(chǎn)品粒度分布最常用的羅拉本(RRB)公式: ,進一步分析以上三組水泥的顆粒組成特性。根據(jù)式中某一粒徑x(μm)的累積篩余量R(%),可以計算出顆粒分布的特征粒徑x和均勻性系數(shù)n。結(jié)合圖4和表4中數(shù)據(jù),取其中>8μm和>32μm這兩項最有代表性的累積篩余含量代入RRB公式,求出水泥A、D和B三組水泥的特征粒徑和均勻性系數(shù),分別列于表5。
由表5可見,A、D、B三組水泥的特征粒徑和均勻性系數(shù)各不相同。其中,強度最高的摻細磨混合材的D組水泥與混合粉磨的A組水泥相比,其特征粒徑較大,均勻性系數(shù)較小,表明其產(chǎn)品顆粒相對較粗且不均勻;而與同是摻細磨混合材的B組水泥相比,其特征粒徑較小,均勻性系數(shù)較大,表明其產(chǎn)品顆粒相對較細且較均勻。應(yīng)當指出:對于采用相同粉磨方法粉磨的水泥,在一定范圍內(nèi)特征粒徑越小,均勻性系數(shù)越大,水泥強度越高。通過上述試驗結(jié)果的數(shù)據(jù)分析可以看出,將摻細磨混合材的水泥與混合粉磨的水泥相比,并不符合這一規(guī)律。
2.3 顆粒級配影響水泥強度的規(guī)律分析
綜合A、D、B三組水泥的顆粒級配和力學強度試驗結(jié)果的對比分析,可以初步看出摻細磨混合材水泥顆粒級配的組成對水泥強度的影響具有一定規(guī)律。即在一定粒徑范圍內(nèi),將水泥顆粒的頻度分布曲線調(diào)整成由兩個以上的高峰所組成的曲線,每一高峰的寬度越窄,其強度性能越好。也就是說水泥顆粒的分布盡量控制在幾個不同的范圍內(nèi),且每一范圍越小(顆粒越集中),對水泥強度越為有利。這一觀點與英國MDF水泥(無缺陷水泥)所控制的顆粒組成特點是一致的。
2.4 顆粒級配影響水泥強度的作用機理探討
水泥顆粒級配的分布情況及其控制方式影響水泥強度的作用機理有以下三點:
1)由于采用了分別粉磨方式,可根據(jù)需要調(diào)整水泥中粗細顆粒的比例和細度,使水泥中的細粒子更好地填充在粗顆粒所包圍的空隙內(nèi),有利于水泥漿體形成較致密的結(jié)構(gòu)。這與國外研制超高強水泥的作用機理有相似之處。
2)使熟料和混合材的粉磨細度均控制在合適的范圍內(nèi),從而使熟料的膠凝性得到合理有效地發(fā)揮;混合材的活性大為提高,并與熟料水化析出的粘結(jié)強度很低的Ca(OH)2充分反應(yīng),形成更多的CSH凝膠,從而增加水泥強度。這一點對通用水泥強度的提高起主要作用。
3)隨著粉磨細度的提高,摻合料中的某些非活性組分才能有效地或更好地發(fā)揮作用。一方面能更充分地參與水泥水化反應(yīng),生成較多有利于強度的水化物;另一方面,進一步激發(fā)混合材的活性,促進水泥水化和硬化。
3 不同配比和粉磨細度的水泥性能及其特點
表6列出了不同配比和粉磨細度的水泥一般物理性能。從中可以看出摻細磨混合材的水泥具有以下兩大特點：
注:各組試樣水灰比均為0.44。第一組試驗所用混合材的化學成分見表1中礦渣1,沸石1和石灰石1;第二、三組試驗所用混合材的化學成分見表1中礦渣2、沸石2、和石灰石2。
1)水泥強度高
如表6中802和903兩個編號的水泥,在混合材摻量約35%的情況下,水泥標號已分別達到725R型硅酸鹽水泥和625R型普通水泥的強度指標。其28d抗壓強度分別比相應(yīng)的熟料強度提高18.5MPa和16.1 MPa。
2)混合材摻量大
表6中第三組試驗數(shù)據(jù)表明,在混合材摻量為55%～60%,且熟料28d強度僅42.1MPa的情況下,水泥的標號仍能達到425號礦渣水泥的強度指標,且有很大的富余標號。尤其是水泥28d強度仍能高于熟料強度10MPa左右?？梢?混合材摻量還可以繼續(xù)增加。
