膠凝材料體系密實度關鍵技術初探

胡新軍，李松，張可可，李正岡

（湖北省城市地質工程院武漢華強新型建筑材料有限公司，湖北 武漢 430035）

隨著高強高性能混凝土在工程中的逐步應用，急需解決混凝土中膠凝材料體系密實度的問題。為了提高膠凝體系的密實度，可以從兩個方面實現：一方面是降低水膠比，降低漿體內部孔隙率；另一方面是通過各種膠凝材料自身顆粒級配，調整比例提高膠凝體系粉體自身的密實度。本文從這兩方面進行主要研究。

1 膠凝材料體系密實度模型

要解決高強高性能混凝土的密實度的問題，先初步建立水膠比—漿體密實度模型和粉體顆粒—膠凝材料密實度模型。

圖1 為水膠比—漿體密實度模型，圖2 為粉體顆粒—膠凝體系密實度模型。

圖1 水膠比－漿體密實度模型

圖2 粉體顆粒—膠凝體系密實度模型

2 水膠比對膠凝體系性能的影響

試驗設計了 0.5 和 0.2 水膠比的膠凝體系凈漿強度試驗，采用 P·Ⅱ42.5 水泥，凈漿試驗見表1 和表2。

從表1 可見，在高水膠比 0.5 下，礦粉摻量的提高在 50% 以下范圍內對砂漿強度影響不大；隨著粉煤灰摻量的升高，砂漿強度呈下降的趨勢；硅灰摻量的提高可增大砂漿的 7d 和 28d 抗壓強度，其摻量在 5%～10%范圍內對砂漿 28d 抗壓強度的促進作用最為明顯，但摻量大于 10% 時，隨著摻量提高，對提高砂漿強度的作用有限，且在試驗中發現砂漿的流動性隨硅灰摻量的增加而明顯降低，從編號 11～14 的復合體系中也可看出類似規律。

表1 W/B=0.5 砂漿體系

表2 W/B=0.2 砂漿體系

從表2 可以看出，在水泥用量較低，摻合料摻量合適的情況下，水膠比對體系強度影響極大，水膠比 0.5時，28d 強度約 40～70MPa，0.2 水膠比下其強度高達110～130 MPa，可達到高強混凝土的要求。可見低水泥用量下，控制合適的摻合料比例，降低水膠比，能夠配制出強度滿足要求的粉料體系。

3 粉體顆粒緊密堆積研究

對 P·Ⅱ42.5 水泥、Ⅰ級粉煤灰、S95 礦粉、硅灰進行了激光粒度測試，測試結果見圖3 所示。

圖3 水泥和礦物摻合料的粒徑分布

從圖3 中可見，D50從大到小排序依次為I級粉煤灰、P·Ⅱ42.5 水泥、S95 礦粉、硅灰。D50一定程度上反映了粉體顆粒的細度差異。從中可見，硅灰的 D50為1.0μm，約為水泥的 1/15，為粉煤灰的近 1/20。

通過各種膠凝材料自身激光粒度分析說明可以依據各膠凝材料粒度自身特性通過比例搭配可以實現膠凝體系的緊密堆積。

4 膠凝體系漿體性能研究

4.1 粉煤灰對漿體流動性的影響

將Ⅰ級粉煤灰分別取代 0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35% 和 40% 水泥后，制備Ⅰ級粉煤灰—水泥復合膠凝材料。水膠比固定為 0.2，外加劑摻量 1.1%，開展Ⅰ級粉煤灰—水泥復合膠凝材料的凈漿試驗。Ⅰ級粉煤灰摻量對復合膠凝材料凈漿流動度測試結果見表3 和圖4。

表3 粉煤灰—水泥復合膠凝材料凈漿流動度測試

由圖4 可知，Ⅰ級粉煤灰—水泥二元體系中，隨著Ⅰ級粉煤灰摻量的增加，新拌漿體的流動度總體呈增加的趨勢。當Ⅰ級粉煤灰摻量在 0～20% 間增加時，復合膠凝材料漿體的流動度提高幅度較大；Ⅰ級粉煤灰摻量在 20%～40% 間增加時，復合水泥漿體流動度提高幅度較小。盡管Ⅰ級粉煤灰顆粒粒徑與水泥顆粒相差不大，由于粉煤灰的“形態效應”，能有效減少顆粒間的摩擦阻力，更好地發揮“滾珠”作用，減少了復合膠凝材料的需水量，增強了復合膠凝材料漿體的流動性。

圖4 粉煤灰摻量對復合膠凝材料凈漿流動度的影響

綜上所述，Ⅰ級粉煤灰在改善復合膠凝材料凈漿流動度上的結果，在相同水膠比和外加劑摻量情況下，固體顆粒體系堆積密實度的提高，有利于新拌漿體的流動性能的改善。Ⅰ級粉煤灰摻入水泥中，填充于水泥顆粒之間，增加了復合膠凝體系的堆積密實度，降低了膠凝材料的空隙，從而置換出水泥漿體中顆粒之間的填充水分，進而提高漿體的流動性；而摻量超過一定量時，固體顆粒體系的空隙率反而增加，較多的填充水被束縛于水泥顆粒間。

4.2 硅灰對漿體流動性的影響

將硅灰分別取代 0%、5%、10%、15%、20% 水泥后，制備硅灰—水泥復合膠凝材料。水膠比固定為0.2，外加劑摻量 2%，開展硅灰—水泥復合膠凝材料的凈漿試驗。硅灰—水泥復合膠凝材料凈漿流動度測試結果見表4 和圖5。

表4 硅灰—水泥復合膠凝材料凈漿流動度測試結果

圖5 硅灰摻量對復合膠凝材料凈漿流動度的影響

由圖5 所知，在相同水膠比和外加劑摻量情況硅灰的摻入對復合膠凝材料凈漿流動度有很大的負面影響，摻量越高，流動度越小。由于硅灰粒徑極小，比表面積很大，故需水量較大，摻量過高導致砂漿流動度偏小，收縮過大，而且硅灰價格較高，故設計配合比時需要將摻量控制在適度范圍內。

4.3 硅灰對硬化漿體孔結構的影響

選取硅灰摻量為 0%、5%、10%、15%、20% 的硅灰—水泥復合砂漿試件，養護至 28d 后進行斷面孔結構分析。結果見表5。

表5 硅灰—水泥復合砂漿斷面孔結構測試結果

由表5 可知，基準組中最大孔半徑尺寸較大，孔隙率較高，孔直徑較大；當硅灰摻量為 5% 時，斷面中的孔隙率較基準有所下降，硅灰摻量提高至 10% 時孔隙率雖較基準下降了 50%，平均孔直徑也僅為基準組的50% 左右，孔隙分布比較均勻，改善了孔隙分布；當硅灰摻量升至 15%～20% 時，斷面孔隙率較基準有所下降，平均孔徑也相應降低，但隨著摻量增加并未改善孔隙結構。

通過肉眼觀察可大致看出水泥—硅灰二元體系中顆粒級配對漿體結構致密性的影響。由于基準組中水泥顆粒平均粒徑在 15.0μm 左右，顆粒尺寸較大，膠凝材料體系中容易形成空隙、孔洞，造成結構不致密，從而影響硬化水泥石的強度、耐久性等性能。當摻入硅灰后，由于硅灰平均粒徑在 1μm 左右，能發揮其微集料效應，有效填充于水泥等大尺寸顆粒間，改善了水泥漿體的顆粒級配，大幅降低了水泥漿體中的孔隙率，提高了水泥基膠凝材料的致密性。

4.4 不同膠材對凈漿抗壓強度的影響

將礦粉分別取代 0%、20%、30%、40%、50%、65% 的 P·Ⅱ42.5 水泥后，水膠比固定為 0.5，成型砂漿試塊，脫模后在 20℃ 水中養護 7d、28d，測試其抗壓強度。礦粉—水泥復合膠凝材料膠砂強度測試結果見表6 和圖6。

表6 礦粉—水泥復合膠凝材料膠砂強度測試結果

圖6 礦粉摻量對復合膠凝材料砂漿抗壓強度的影響

由圖6 可以看出，隨著礦粉摻量的增加，砂漿 7d強度逐漸下降，而 28d 強度在 50% 以內并無太大變化，均在 58MPa 左右波動，當礦粉摻量達到 65% 時，砂漿 28d 強度才有明顯下降。

將Ⅰ級粉煤灰分別取代 0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35% 和 40% 的 P·Ⅱ42.5 水泥后，水膠比固定為 0.5，成型砂漿漿試塊，脫模后在 20℃水中養護 7d、28d，測試其抗壓強度，測試結果見表7 和圖7。

表7 粉煤灰—水泥復合膠凝材料膠砂強度測試結果

圖7 粉煤灰摻量對復合膠凝材料砂漿抗壓強度影響

由圖7 可以看出，Ⅰ級粉煤灰隨著摻量增加，7d強度逐漸下降，每增加 5% 下降幅度為 3～4MPa，28d強度在粉煤灰摻量 10% 以下時下降幅度很小，均為56MPa 左右，10%～40% 強度下降斜率增加。

將硅灰分別取代 0%、5%、10%、15%、20% 的P·Ⅱ42.5 水泥后，水膠比固定為 0.5，成型砂漿漿試塊，脫模后在 20℃ 水中養護 7d、28d，測試其抗壓強度。硅灰—水泥復合膠凝材料膠砂強度測試結果見表8和圖8。

表8 硅灰—水泥復合膠凝材料膠砂強度測試結果

圖8 硅灰摻量對復合膠凝材料凈漿抗壓強度的影響

由圖8 可知，摻入硅灰對砂漿強度影響很大，摻量越高，強度越高。硅灰摻量在 0～20% 區間增長時，7d砂漿強度從基準的 115% 提高到 133%，28d 強度又有10% 左右的增長，但增長幅度變緩，故設計配合比時需要尋找其在膠材中的最佳摻量。

5 硬化漿體微觀結構的影響

采用掃描電鏡高倍率下，復合膠凝材料硬化水泥石內部微觀形貌，掃描電鏡圖像如圖9。

圖9 膠凝材料硬化水泥石 28d 齡期掃描電鏡圖像

由圖9(a) 可知，對于基準組，28d 齡期時硬化水泥石中生成的水化產物較少，凝膠體多呈絮狀，且結構疏松，存在大量的孔隙和裂縫。

由圖9(b) 可知，粉煤灰摻量為 10% 時，硬化水泥石中生成的水化產物較多，部分粉煤灰填充于孔隙中，發揮其火山灰效應，填補了結構孔隙和裂縫，使得結構較基準組致密。雖仍可見部分未水化或水化不完全的微珠球體顆粒存在，但微小尺寸的微珠顆粒表面多被侵蝕，在表面覆蓋了一層水化產物。這說明該部分粉煤灰也已經開始發生水化反應。

采用掃描電鏡下硅灰摻量為 5%，粉煤灰摻量為10% 的粉煤灰—硅灰—水泥三元體系硬化水泥石內部微觀形貌，如圖9(c)。將其與摻 10% 粉煤灰的復合水泥凈漿試樣 SEM 圖象進行對照分析，發現粉煤灰—硅灰—水泥三元體系中水化產物數量增多，微小顆粒水化反應的程度提高，填充于結構孔隙中，使硬化水泥石結構更致密，體系的性能進一步提高。

6 結論

（1）在水泥用量較低，摻合料摻量合適的情況下，水膠比對體系強度影響極大，水膠比 0.5 時，28d強度約 40～70MPa，0.2 水膠比下其強度高達 120～140MPa，可達到高強混凝土的要求。

（2）Ⅰ級粉煤灰—水泥二元體系中，隨著Ⅰ級粉煤灰摻量的增加，新拌漿體的流動度總體呈增加的趨勢。當Ⅰ級粉煤灰摻量在 0～20% 間增加時，復合膠凝材料漿體的流動度提高幅度較大；Ⅰ級粉煤灰摻量在20%～ 40% 間增加時，復合水泥漿體流動度提高幅度較小；在相同水膠比和外加劑摻量情況硅灰的摻入對復合膠凝材料凈漿流動度有很大的負面影響，摻量越高，流動度越小。

（3）復合膠材體系中，隨著礦粉摻量的增加，砂漿 7d 強度逐漸下降，而 28d 強度在 50% 以內并無太大變化；Ⅰ級粉煤灰隨著摻量增加，7d 強度逐漸下降，每增加 5% 下降幅度為 3～4MPa，28d 強度在粉煤灰摻量 10% 以下時下降幅度很小，10%～40% 強度下降斜率增加；摻入硅灰對砂漿強度影響很大，摻量越高，強度越高。

（4）SEM 分析結果有效驗證了抗壓強度試驗結果，SEM 分析結果表明，復合膠凝材料中，粉煤灰和硅灰的摻入既能發揮其微集料效應，填補結構中的孔隙和裂縫，還能發揮其活性效應，水化生成許多纖維狀和網狀的 C-S-H 凝膠，與凝膠結構結合緊密，使水泥石結構更為致密，復合膠凝材料的性能更優異。