超細礦渣粉在水泥顆粒中的密實填充作用

黃法禮,王 振,易忠來,程 歡,溫家馨,袁政成,靳 昊,李化建

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081)

0 引 言

水泥復合膠凝材料體系的堆積密實度將直接影響新拌凈漿、砂漿、混凝土的工作性能以及硬化體的強度、耐久性能。李化建等[1-3]對比研究了不同細度碳酸鹽類摻合料對水泥基材料流動性能和力學性能的影響，結果表明，摻入質量分數為15%～20%、顆粒D50在5～9 μm的碳酸鹽類礦物摻合料，可以發揮其密實填充效應和晶核作用，顯著改善復合膠凝材料的流動性能，提高水泥基材料早期抗壓強度和彈性模量。Muhd等[4]研究表明,納米高嶺土可以改善水泥基材料的內部結構，并將其改善機理歸結為納米高嶺土的物理填充作用和晶核作用。Sakai等[5]采用數值模擬的方法定量分析了不同細度石灰石粉-水泥復合材料堆積密實度，并用石灰石粉-水泥復合材料流動性試驗加以驗證，結果表明,細小顆粒可以提高復合材料體系的堆積密實度，從而改善其流動性能。喬齡山[6]曾用Fuller曲線評價我國水泥顆粒的粒度分布，結果表明水泥顆粒中細粉含量明顯偏低，偏離Fuller曲線較遠。在水泥中添加礦物細摻料，能夠發揮其密實填充作用，提高水泥復合膠凝材料的堆積密實度，減少填充水量，達到改善新拌砂漿、混凝土工作性能，提高硬化砂漿、混凝土力學性能的目的。通常采用堆積密實度這一指標評價礦物細摻料在水泥顆粒中的密實填充作用，目前表征水泥復合膠凝材料體系堆積密實度的方法較多，有Reschke理論計算法[7]、Andreasen方程-灰色關聯法[8-9]、Aim-Goff模型預測法[10]等理論方法，也有試驗測定的方法，如采用微粉堆積密度測定儀直接測定的試驗方法[11]，由于干燥狀態下粉體顆粒間的范德華力較大，不能很好地反應水泥基膠凝材料的堆積密實度，德國工程師Puntke和法國路橋實驗中心(LCPC)相繼分別提出了飽和點用水量法[12]和最小需水量法[13]的測試方法。為避免上述兩種方法試驗終點判定誤差大的問題，Wong等[14-15]提出了濕法測試方法。考慮到水泥基膠凝材料在一定水膠比下的實際應用場景，有學者提出了采用漿體性能間接評價膠凝材料體系堆積密實度的實驗方法，如謝友均等[16]提出的漿體相對密度法以及陳改新等[17]提出的標準稠度需水量比法等試驗方法。

綜上可見，用于表征水泥基膠凝材料堆積密實度的方法已發展至十余種，但它們之間的關聯性研究較少。本文采用微粉堆積密度測定儀法、Puntke飽和點用水量法、LCPC最小需水量法、漿體相對密度法、標準稠度需水量比法5種方法定量分析了超細礦渣粉摻量對水泥-超細礦渣粉體系堆積密實度的影響，并對這5種試驗方法測定結果與Reschke理論計算值、Andreasen方程-灰色關聯分析結果、Aim-Goff模型預測值進行了對比分析。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥(C)：中國建筑材料科學研究總院生產的P·I 42.5水泥；超細礦渣粉(SL)：產自山東濟南。減水劑：天津雍陽外加劑廠生產的聚羧酸高效減水劑，固含量16%(質量分數)。水泥和超細礦渣粉的主要物理參數如表1所示，粒度分布如圖1所示。

表1 水泥和超細礦渣粉主要物理參數Table 1 Main physical properties of cement and superfine slag powder

圖1 水泥和超細礦渣粉粒度分布曲線Fig.1 Particle size distribution curves of cementand superfine slag powder

1.2 試驗方法

采用微粉堆積密度測定儀(見圖2)按照GB/T 20316.2—2006《普通磨料 堆積密度的測定 第2部分：微粉》[11]測定超細礦渣粉不同摻量下水泥-超細礦渣粉體系堆積密實度。設定振動導槽底部的上邊沿至測量筒底部的距離為140 mm，漏斗下端面與振動導槽底面間的距離為8 mm，波形選擇為半波。體系堆積密實度按式(1)計算。

(1)

式中：φ為堆積密實度；M為裝滿微粉的測量筒的質量，g；M0為測量筒的質量，g；V為測量筒的容積，mL；ρC為水泥的表觀密度，g/cm3；ρSL為超細礦渣粉的表觀密度，g/cm3；ωC,V為水泥的體積分數，%；ωSL,V為超細礦渣粉的體積分數，%。

圖2 微粉堆積密度測定儀Fig.2 Powder packing density tester

參照Puntke飽和點用水量法[12]測定超細礦渣粉不同摻量下水泥-超細礦渣粉體系堆積密實度。測試方法如下：將試樣在(105±5) ℃下烘干至恒重，準確稱取50 g混合試樣置于容積約200 mL的平底盛料杯中，緩慢向盛料杯中加水并用玻璃棒拌和均勻后充分振實，直至振實后試樣表面已展平并呈現光澤，此時的用水量稱為飽和點用水量。體系堆積密實度按式(2)計算。

(2)

式中：φ為堆積密實度；ρ為試樣的表觀密度，g/cm3；M為飽和點用水量，g；MCM為膠凝材料的質量，g。

參考LCPC提出的最小需水量法[13]測定超細礦渣粉不同摻量下水泥-超細礦渣粉體系堆積密實度。測定方法為：準確稱取40 g水和7 g高效減水劑，將減水劑和約1/2的拌和水混合，攪拌均勻后加入攪拌鍋中，然后將剩余的拌和水分2次反復沖洗盛裝減水劑的容器并全部加入鍋中。準確稱取總質量為350 g的膠凝材料混合料并加入拌和水中，加入過程中應避免拌和水及膠凝材料濺出。將攪拌鍋放置于鍋座上，升至攪拌位置，啟動攪拌機，低速攪拌120 s后高速攪拌，并用滴管逐漸向攪拌鍋中加水，直至攪拌鍋中拌和物呈現球形。停止攪拌15 s，同時將葉片和鍋壁上的漿體刮入鍋中，再高速攪拌并用滴管向攪拌鍋中逐滴加水，直至拌和物呈現平坦均勻的漿體，全部用水量即為漿體最小需水量MW。攪拌過程中應避免拌和水及膠材濺出，整個攪拌過程控制在6～8 min。體系堆積密實度按式(3)計算。

(3)

式中：φ為堆積密實度；ρ為試樣的表觀密度，g/cm3；MW為漿體最小需水量，g；MCM為膠凝材料的質量，g。

采用漿體相對密度[16]指標評價超細礦渣粉不同摻量下水泥-超細礦渣粉體系堆積密實度。方法如下：設定水膠比為0.22，減水劑摻量為膠凝材料總質量的2%。按照GB/T 1346—2011《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安全性檢驗方法》制備漿體試樣。將制備好的漿體立即倒入200 mL平底盛料筒中，用刮刀插搗10次后輕輕振動10次，再用鋼尺從盛料筒開口端中間往兩邊各刮一次清除高出的漿體，用毛巾清理干凈附著在盛料筒外壁上的拌和物，測定拌和物的質量M0。漿體相對密度按式(4)計算。

(4)

式中：d為漿體相對密度；ρ為試樣的表觀密度，g/cm3；MXB為200 mL新拌水泥復合膠凝材料漿體質量，g；V0為盛料筒的容積，200 mL。

采用標準稠度用水量比[17]評價超細礦渣粉不同摻量下水泥-超細礦渣粉體系堆積密實度。方法如下：按照GB/T 1346—2011《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安全性檢驗方法》測定超細礦渣粉不同摻量下水泥-超細礦渣粉體系的標準稠度用水量。標準稠度需水量比按式(5)計算。

(5)

式中：ξ為標準稠度需水量比；N為混合體系標準稠度需水量，g；X為水泥標準稠度的用水量，g；Y為超細礦渣粉標準稠度用水量，g；ωC，m為水泥的質量分數，%；ωSL,m為超細礦渣粉的質量分數，%。

2 結果與討論

圖3是微粉堆積密度測定儀法、Puntke飽和點用水量法、LCPC最小需水量法測定的堆積密實度隨超細礦渣粉摻量的變化情況。由圖3可見，在試驗測定范圍內，隨著超細礦渣粉摻量增加，微粉堆積密度測定儀測得的水泥-超細礦渣粉體系堆積密實度逐漸減小。出現這種現象的原因:一是大顆粒的阻礙作用,水泥顆粒表面粗糙，粒形不規則，顆粒之間的空隙通常較小，礦物細摻料在進入水泥顆粒間的空隙過程中受阻礙；二是小顆粒粒徑發生虛假變化,由于超細礦渣粉比表面積大、比表面能高，顆粒間易發生團聚現象，形成二次粒子，改變了顆粒尺寸，導致其密實填充性能降低。受以上兩方面因素的影響，微粉堆積密度測定儀不適用于測試膠凝材料體系堆積密實度。

圖3 超細礦渣粉摻量對體系堆積密實度的影響Fig.3 Effect of superfine slag powder contenton packing density of system

Puntke飽和點用水量法和LCPC最小需水量法測得的水泥-超細礦渣粉體系堆積密實度隨超細礦渣粉摻量增加而增大。當摻量為20%(體積分數，下同)時，體系堆積密實度達到最大。此后，進一步增大超細礦渣粉摻量，體系堆積密實度逐漸減小。出現這種現象的原因是：當超細礦渣粉摻量較小時，超細礦渣粉填充在水泥顆粒間的空隙中，起到提高體系堆積密實度的作用；當超細礦渣摻量大于填滿水泥顆粒間空隙需求量時，水泥顆粒會彼此分離，從而造成體系堆積密實度降低。

由圖3還可以看出，超細礦渣粉摻量對Puntke飽和點用水量法和LCPC最小需水量法測得的水泥-超細礦渣粉體系堆積密實度影響較小，即這兩種方式不能敏感地反映出體系堆積密實度的變化。此外，采用LCPC最小需水量法測得的堆積密實度比Puntke飽和點用水量測得的體系堆積密實度大，這主要是因為采用LCPC最小需水量法測定體系堆積密實度時摻加了高效減水劑，釋放了絮凝結構禁錮水并減少了顆粒表面水膜層的厚度，導致達到試驗終點時用水量明顯減少，體系堆積密實度絕對值更大。

超細礦渣粉摻量對漿體相對密度的影響如圖4所示。由圖4可知，試驗測定范圍內，隨著超細礦渣粉摻量增加，復合漿體的相對密度逐漸增大，當超細礦渣粉摻量超過20%時，漿體相對密度趨于平穩，即超細礦渣粉摻量達到20%時，水泥-超細礦物粉體系的堆積密實度達到最大。

圖4 超細礦渣粉摻量對漿體相對密度的影響Fig.4 Effect of superfine slag powder content onpaste relative density

超細礦渣粉摻量對標準稠度用水量比的影響如圖5所示。由圖5可知，隨著超細礦渣粉摻量增加，水泥-超細礦渣粉體系標準稠度用水量比逐漸降低，當超細礦渣粉摻量超過20%時，體系標準稠度用水量比又逐漸上升。出現這種現象的原因是：摻加超細礦渣粉后，體系堆積密實度增大，二元混合粉體達到標準稠度時的需水量小于各粉體標準稠度用水量的加權平均值，當超細礦渣粉摻量過大時，體系堆積密實度逐漸減小，造成標準稠度需水量比逐漸增大。以上試驗結果表明，超細礦渣粉摻量20%時，體系堆積密實度最大，對應標準稠度用水量比最小。當超細礦渣粉摻量超過20%時，體系堆積密實度逐漸減小，對應標準稠度用水量比逐漸增大。

圖5 超細礦渣粉摻量對標準稠度用水量比的影響Fig.5 Effect of superfine slag powder content onwater requirement ratio of normal consistency

對比圖3～圖5可見，除微粉堆積密度測定儀方法外，Puntke飽和點用水量法、LCPC最小需水量法、漿體相對密度法、標準稠度需水量比4種方法測試結果均顯示，當超細礦渣粉摻量為20%時，水泥-超細礦物粉體系的堆積密實度最大，低于或高于該摻量，都會造成體系堆積密實度的降低。與Puntke飽和點用水量法和LCPC最小需水量法兩種方法相比較，漿體相對密度法和標準稠度需水量比等方法對膠凝材料體系堆積密實度的變化更為敏感，更適用于表征膠凝材料體系的堆積密實度。

圖6給出了通過Reschke理論計算、Andreasen緊密堆積方程-灰色關聯分析、Aim-Goff模型預測得到的超細礦渣粉摻量對水泥-超細礦渣粉體系堆積密實度的影響。

由圖6可見，Reschke理論計算和Andreasen緊密堆積方程-灰色關聯分析結果顯示，超細礦渣粉摻量為10%時，體系堆積密實度達到最大，與試驗實測值存在一定差異。與采用Puntke飽和點用水量法和LCPC最小需水量法等試驗方法測定值相比，Reschke理論計算得到的水泥-超細礦渣粉體系堆積密實度比偏小；與采用漿體相對密度法和標準稠度需水量比等試驗方法測定值相比，Reschke理論計算得到的超細礦渣摻量對體系堆積密實度的影響敏感度更低。Aim-Goff模型預測結果顯示，隨著超細礦渣粉摻量的增加，水泥-超細礦渣粉體系堆積密實度的變化規律與試驗測試結果基本一致，且堆積密實度的變化也較為敏感，因此，建議采用Aim-Goff模型預測膠凝材料體系堆積密實度的變化規律。

圖6 超細礦渣粉摻量對體系堆積密實度的影響Fig.6 Effect of superfine slag powder content onpacking density of system

3 結 論

(1)采用不同測試或分析方法得到的水泥-超細礦渣粉體系堆積密實度差異較大，但水泥-超細礦粉體系堆積密實度隨超細礦渣粉摻量變化的趨勢基本一致。

(2)微粉堆積密度測定儀不適用于測試膠凝材料體系堆積密實度，漿體相對密度法和標準稠度需水量比等方法對膠凝材料體系堆積密實度的變化更為敏感，更適用于表征膠凝材料體系的堆積密實度。

(3)Aim-Goff模型預測結果與試驗測試結果基本一致，且堆積密實度的變化也較為敏感，建議采用Aim-Goff模型預測膠凝材料體系堆積密實度的變化規律。