蒸养条件下胶凝材料颗粒级配对混凝土强度的影响分析

【摘要】：混凝土结构主要用来承受各种作用力，强度是混凝土最重要的力学性能。而混凝土的强度关系着其它性能要求，如：抗冻性、抗渗性等，因此常用混凝土强度判定和控制混凝土的质量。本文以固体粒料最佳堆积密度理想曲线为基础，分析研究了胶凝材料颗粒分布对蒸养混凝土强度的作用机理和影响，证实了当不同细度的粉体胶凝材料复合掺配时，不仅颗粒可以互相补充，并且当胶凝材料颗粒的粒径分布和紧密堆积状态要求想接近时，水泥浆体的密实度和蒸养混凝土的强度都有着明显的改善和提高。

【关键词】：颗粒分布 颗粒堆积密度 微观结构

中图分类号：O648文献标识码： A 文章编号：

前言

水泥凝胶体凝结硬化过程往往由于收缩作用、泌水等因素，不可避免的在凝胶体内形成一些空隙和微小裂缝，降低了混凝土的耐久性和强度。因此为增加水泥基材料结构的密实性、降低凝胶体内部空隙率，研究人员非常注意粗细骨料的颗粒级配及合理搭配。但往往忽略了胶凝材料颗粒的级配问题。随着科技的发展，人们逐渐发现将不同细度的粉体颗粒合理掺配后，应用于蒸汽养护混凝土预制构件中，可有效的提高混凝土的早期和后期强度。因此加强对胶凝材料颗粒级配问题的研究具有重要意义。

1粒度分布对水泥强度的影响

1.1各粒级颗粒含量对水泥性能的影响

K.Kuhlmann等人认为波特兰水泥的硬化速度随比表面积的增加而加快，颗粒含量在早期提高强度效果较为明显。如果将粉颗粒分为4个粒级，则0-3的颗粒会有1天特别高的强度，3-25的颗粒会有90天很高的强度，这两个粒级几乎可获得28天相同强度。并且通过研究，一些学者也提出了由于水泥中3-30的颗粒对强度起重要作用，因此其重量比例不应低于65%，其中16-24的应占大多数，3以下的不能高于10%。还有人认为颗粒大小分布十分重要，为达到最大的堆积密度，必须严格控制粗细颗粒的比例。

1.2颗粒分布宽窄对水泥性能的影响

在20世纪50年代，普遍认为由于粗颗粒水化速度慢，因此颗粒级配较窄的水泥有利于强度的提高。70年代通过试验证明，相同比表面积下，颗粒分布越窄，水化愈快，强度愈高。随后Fngione用数学方法证明了在相同的比表面积时，水泥颗粒分布均匀的水化速率和强度总是大于非均匀体系。通过后期理论分析表明，水化过程均匀颗粒体系的比表面积要大于不均匀颗粒体系的比表面积，这就是导致均匀颗粒体系强度高、水化快的原因。

2最佳堆积密度的理想筛析曲线—Fuller 曲线

欧美学者Fuller和Thompson于20世纪90年代，关于最佳堆积密度的颗粒分布提出了理想筛析曲线，最初是用来计算粗集料，其数学表达式为（A%：筛析通过量，mm：筛孔尺寸，Dmm：混合集料中最大颗粒的直径）：

（公式1）

Empa和Rothfuchs等公式也是用来计算集料理想筛析曲线，并且随着理论的发展，Ulrich Hinze等学者认为Fuller曲线也可以用来反映细粉部分颗粒分布规律。并综合考虑了颗粒形状和表面特性，A. Hummel等学者将此表达式修改为（d：各分级筛孔尺寸或分级粒径，m：集料颗粒特性指数）：

（公式2）

在德国水泥厂协会的研究报告中，取砾石类集料指数为0.4，带入公式2得公式3：

（公式3）

公式3用作水泥颗粒分布筛析的理想曲线，同时也作为水泥、砂浆及混凝土的评价标准。国外探讨水泥最佳堆积密度的颗粒分布时，通常划分为胶凝材料：0~63；混凝土细粉：0~125；水泥标准试体砂浆或混凝土细砂：0~2000。通过公式3计算各级颗粒如表1，并绘制Fuller理想筛析曲线如图1.

表1颗粒累计含量

图10~125μm 粒径的 Fuller 曲线

3原材料及试验方法

3.1原材料

原材料包括P·O52.5 级水泥、S95级矿粉、Ⅰ级粉煤灰、Ⅰ级微硅粉、Ⅰ级漂珠、石膏粉等，原材料化学组成见表2。

表2原材料的化学组成

3.2配合比

为考察不同级配胶凝材料在蒸养条件下对混凝土不同龄期抗压强度的影响，对混凝土进行配合比，具体如表3。并在成型后，静停2小时，然后在0.10~0.15MPa压力下，90℃温度6小时内进行常压蒸汽养护。然后测试1d、3d、28d 抗压强度。

表3混凝土配合比kg/m3

4试验结果与讨论

4.1粉体样品粒度分布实测值与 Fuller 曲线计算值对比分析

通过激光粒度仪对胶凝材料进行颗粒粒径分布分析，如图2。通过曲线可看出明显区别于Fuller 曲线，并且石膏与水泥试样中粗粉含量较多，细粉含量偏少，为了更接近Fuller曲线，需重新掺和调节。

图2原材料颗粒粒径分布曲线

4.2胶凝材料颗粒级配的优化调整

为调整的粒径分布曲线，设计了如表4的四种方案。按照方案配比的粒径分布曲线和对混凝土强度的影响如图3、图4。从图中可看出当颗粒级配分布曲线无限接近富勒曲线时，蒸养混凝土的抗压强度有了显著的提高，尤其是在前期提高效果更为明显。其中方案1对于早期强度提高效果较为明显，但当28d时，强度有所下降。通过分析抗压强度在大于90MPa时，骨料破碎严重导致了强度偏离。

表4胶凝材料优化调整方案

图3优化调整后的粒径分布曲线

图4颗粒级配对混凝土强度的影响

结语

本文通过实验分析，关于胶凝材料颗粒级配对蒸养条件下水泥强度的影响得出以下结论：

a）由于最紧密堆积理论的要求较高，水泥颗粒的粒径分布还无法满足其要求，因此，为改善胶凝材料颗粒级配作用，可掺入比水泥颗粒更细的矿物掺合料；

b）由于不同细度分析胶凝材料在复合掺配时颗粒可以相互补充，当其粒径分布与紧密堆积状态的要求相接近时，水泥浆体的强度有着显著的提高；

c）当胶凝材料的颗粒分布曲线接近固体粒料最佳堆积密度理想曲线时，混凝土强度、水泥胶凝体的微观结构都有了明显的改善。

参考文献：

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