在水泥和混凝土中摻入高細(xì)度混合材以提高水泥及其制品的力學(xué)強(qiáng)度,是許多國家建材工作者研制超高強(qiáng)水泥和高強(qiáng)混凝土所采用的技術(shù)路線之一。借鑒研制高強(qiáng)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(xì)磨混合材的方法,來提高水泥的強(qiáng)度和增加混合材摻量,從而達(dá)到提高水泥質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本的目的。為此,試驗(yàn)研究了水泥顆粒級(jí)配對(duì)水泥強(qiáng)度的影響,以及不同配比和粉磨細(xì)度的水泥性能。
1 試驗(yàn)原料及試驗(yàn)方法
1.1 試驗(yàn)用混合材的化學(xué)成分
試驗(yàn)所用各種混合材的化學(xué)成分列于表1。
1.2 試驗(yàn)方法
為了控制摻細(xì)磨混合材水泥當(dāng)中混合材和水泥熟料等各組分的粉磨細(xì)度和水泥顆粒級(jí)配，小磨試驗(yàn)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(xì)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(xì)組分的粉磨細(xì)度，并按不同比例將兩個(gè)組分混合均勻，從而找出較合理的水泥顆粒級(jí)配。并對(duì)不同水泥配比和粉磨細(xì)度的這種水泥基本性能進(jìn)行了測(cè)試。
2 水泥顆粒級(jí)配對(duì)強(qiáng)度的影響
2.1 不同顆粒級(jí)配的水泥強(qiáng)度
試驗(yàn)中選用了6組試驗(yàn)樣品,其中1組為混合粉磨,5組為分別粉磨,但粗、細(xì)組分細(xì)度均不相同。
圖1為上述不同粉磨方式和粉磨細(xì)度即不同顆粒級(jí)配的水泥強(qiáng)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(duì)應(yīng)的水泥強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果和粉磨細(xì)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(qiáng)度相近的B組水泥的顆粒級(jí)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(xì)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(xì)組分中沸石比例相對(duì)較多,故粉磨的比表面積控制較高。對(duì)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(jí)配的不同,28d抗壓強(qiáng)度提高了6.7 MPa,約13.4%,3d抗壓強(qiáng)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(qiáng)度卻明顯高于兩者。表明分別粉磨對(duì)水泥強(qiáng)度的影響不完全取決于混合后的水泥細(xì)度,而主要決定于水泥中粗組分和細(xì)組分各自的粉磨細(xì)度和比例,即水泥的顆粒級(jí)配情況。
2.2 較佳水泥顆粒級(jí)配的組成特點(diǎn)
將表3、表4中A、D和B三組水泥顆粒級(jí)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(gè)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(qiáng)度最高的D組水泥在8～24μm和32～48μm兩個(gè)粒級(jí)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(gè)高峰和三個(gè)峰谷。前者的兩個(gè)曲線峰均高于后者相對(duì)應(yīng)的高峰,而三個(gè)峰谷均低于后者,并且前者每個(gè)曲線峰的寬度都相對(duì)較窄。表明其顆粒在兩個(gè)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(diǎn)。
通過水泥顆粒累積分布曲線圖(圖4)和統(tǒng)計(jì)粉磨產(chǎn)品粒度分布最常用的羅拉本(RRB)公式: ,進(jìn)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(jì)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(xiàng)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(qiáng)度最高的摻細(xì)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(duì)較粗且不均勻;而與同是摻細(xì)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(duì)較細(xì)且較均勻。應(yīng)當(dāng)指出:對(duì)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(qiáng)度越高。通過上述試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)分析可以看出,將摻細(xì)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(jí)配影響水泥強(qiáng)度的規(guī)律分析
綜合A、D、B三組水泥的顆粒級(jí)配和力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析,可以初步看出摻細(xì)磨混合材水泥顆粒級(jí)配的組成對(duì)水泥強(qiáng)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(gè)以上的高峰所組成的曲線,每一高峰的寬度越窄,其強(qiáng)度性能越好。也就是說水泥顆粒的分布盡量控制在幾個(gè)不同的范圍內(nèi),且每一范圍越小(顆粒越集中),對(duì)水泥強(qiáng)度越為有利。這一觀點(diǎn)與英國MDF水泥(無缺陷水泥)所控制的顆粒組成特點(diǎn)是一致的。
2.4 顆粒級(jí)配影響水泥強(qiáng)度的作用機(jī)理探討
水泥顆粒級(jí)配的分布情況及其控制方式影響水泥強(qiáng)度的作用機(jī)理有以下三點(diǎn):
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(xì)顆粒的比例和細(xì)度,使水泥中的細(xì)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(qiáng)水泥的作用機(jī)理有相似之處。
2)使熟料和混合材的粉磨細(xì)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(qiáng)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(qiáng)度。這一點(diǎn)對(duì)通用水泥強(qiáng)度的提高起主要作用。
3)隨著粉磨細(xì)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(qiáng)度的水化物;另一方面,進(jìn)一步激發(fā)混合材的活性,促進(jìn)水泥水化和硬化。
3 不同配比和粉磨細(xì)度的水泥性能及其特點(diǎn)
表6列出了不同配比和粉磨細(xì)度的水泥一般物理性能。從中可以看出摻細(xì)磨混合材的水泥具有以下兩大特點(diǎn)：
注:各組試樣水灰比均為0.44。第一組試驗(yàn)所用混合材的化學(xué)成分見表1中礦渣1,沸石1和石灰石1;第二、三組試驗(yàn)所用混合材的化學(xué)成分見表1中礦渣2、沸石2、和石灰石2。
1)水泥強(qiáng)度高
如表6中802和903兩個(gè)編號(hào)的水泥,在混合材摻量約35%的情況下,水泥標(biāo)號(hào)已分別達(dá)到725R型硅酸鹽水泥和625R型普通水泥的強(qiáng)度指標(biāo)。其28d抗壓強(qiáng)度分別比相應(yīng)的熟料強(qiáng)度提高18.5MPa和16.1 MPa。
2)混合材摻量大
表6中第三組試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,在混合材摻量為55%～60%,且熟料28d強(qiáng)度僅42.1MPa的情況下,水泥的標(biāo)號(hào)仍能達(dá)到425號(hào)礦渣水泥的強(qiáng)度指標(biāo),且有很大的富余標(biāo)號(hào)。尤其是水泥28d強(qiáng)度仍能高于熟料強(qiáng)度10MPa左右。可見,混合材摻量還可以繼續(xù)增加。
