基于膜厚度理論對水泥基材料性能的研究進展

夏 勇 陳 哲 麥俊明 吳春麗 黃國棟

（廣東省建筑材料研究院有限公司）

0 引言

水泥基是以水泥作為膠凝材料的工程材料，常見的水泥基材料有凈漿、砂漿、混凝土等，由于水泥基材料具有良好的工作性能、力學性能以及耐久性能，且原材料來源廣、價格低廉，因此水泥基材料被廣泛用于土木建筑、水運交通等行業中。通常情況下，新拌水泥基材料的漿體是由固體、液體、氣體混合而成的一種復雜體系，同時也是一種不均勻材質，這使得新拌水泥基材料漿體工作性能、流變特性、力學性能的影響因素較多，例如固體材料的比表面積、堆積密實度、空氣量、水量、砂率、水灰比、灰砂比、漿體體積等[1-3]，因此對于水泥基材料性能主要控制因素的研究較為復雜。鑒于此，研究人員嘗試將以上多個影響因素進行綜合考慮，提出了諸如水膜厚度[4-6]、剩余水膜厚度[7]、泥漿膜厚度[8,9]、剩余漿膜厚度[7,10]、骨料裹漿厚度[11-12]、漿體厚度[13]、砂漿膜厚度[14-15]、砂漿層厚度[16]等概念，這些概念大同小異，可歸納統一為膜厚度理論。通過將膜厚度的量化結果與水泥基材料工作性能、流變特性、力學性能的測試結果進行回歸分析、建立數學模型是一種研究水泥基材料性能主要控制因素的新思路。

本文以水膜厚度、泥漿膜厚度、砂漿膜厚度為例，闡述了固體顆粒填充密度的測量方法以及水膜厚度、泥漿膜厚度、砂漿膜厚度的物理意義，介紹了研究人員基于膜厚度理論對水泥基材料工作性能、流變特性、力學強度等方面的研究進展，最后提出了基于膜厚度理論進行配合比設計的技術路線圖，為水泥基材料的配合比設計工作提供參考。

1 膜厚度理論

1.1 填充密度的研究

研究顯示水泥基材料的性能往往會受到固體顆粒填充密度的影響，加拿大舍布魯克大學A?tcin教授[17]指出提高混凝土材料中固體顆粒填充密度是實現混凝土材料全面高性能化的研究方向。伊朗學者Reisi等[18]利用計算機模擬混凝土材料中固體顆粒的分布，發現提高固體顆粒填充密度有助于提高混凝土材料的性能，其他學者的研究亦表明提高固體顆粒填充密度有助于獲得高性能混凝土[19-21]。

然而，對于固體顆粒填充密度的準確測量卻一直困擾著科研人員，現階段通常采用干堆積測量法，如美國ASTM C29、英國BS 812等規范，但干堆積測量法中固體顆粒的緊密填充狀況與其在實際新拌混凝土固液二相條件下緊密填充狀況相差甚遠，利用干堆積測量法無法有效顧及固體顆粒之間的靜電排斥作用、空氣量、水量、減水劑等影響因素，各國規范關于固體顆粒填充密度的測量結果具有較大的差異，將其作為精準定量計算的數值會存在誤差。因而有研究人員提出濕堆積密度測量法[22]，采用水測緊密值法[23-25]測量固體顆粒填充密度。水測緊密值法是指固體顆粒在不同水量下所測的填充率（即固體顆粒在漿體中所占體積的百分比）最大值即為固體顆粒填充密度。填充率最大值出現在固體顆粒剛好被液體包裹形成濕潤的漿體（圖1b），此時固體顆粒間距最小，漿體的密實程度最大；當水量較低時（圖1a），沒有足夠的液體包裹全部的固體顆粒，導致無法形成漿體；當水量較高時（圖1c），固體顆粒容易分散懸浮在漿液中，導致試樣的密實度下降。

圖1 固體顆粒填充形態假設

1.2 水膜厚度、泥漿膜厚度、砂漿膜厚度的物理意義

科研人員綜合考慮固體材料的填充密度、比表面積、空隙體積、剩余水量、剩余漿體體積等因素之后提出了水膜厚度、泥漿膜厚度、砂漿膜厚度的概念。假設水泥基材料中自由水先填充固體顆粒之間的空隙，剩余的自由水用于包裹固體顆粒，則剩余水的體積與固體顆粒總表面積之比即為水膜厚度，如圖2(a)所示；假設水泥基材料中水泥漿料先填充骨料顆粒之間的空隙，剩余的水泥漿料用于包裹骨料顆粒，則剩余的水泥漿料體積與骨料顆粒總表面積之比即為泥漿膜厚度，如圖2(b)所示；假設水泥基材料中砂漿先填充粗骨料顆粒之間的空隙，剩余的砂漿用于包裹粗骨料顆粒，則剩余的砂漿體積與粗骨料顆粒總表面積的比值即為砂漿膜厚度，如圖2(c)所示。

圖2 膜厚度示意圖[26]

2 膜厚度對水泥基材料性能的影響

2.1 水膜厚度的影響研究

水泥基材料中的水可分為化學結合水與自由水，其中化學結合水與水泥、礦物摻和料等固體顆粒反應，而自由水則首先填充固體顆粒之間的空隙，剩余的自由水則包裹在固體顆粒表面形成一層薄膜，即水膜。因此，有學者將水膜厚度與水泥基材料的性能相關聯，并展開了大量的研究。

Kwan等[4]探索了不同細骨料級配、灰砂比對砂漿流動性和流變特性的影響，結果顯示砂漿的擴展度、流速與灰砂比呈正比關系，而屈服應力、塑性黏度與灰砂比呈反比關系，骨料比表面積越大，砂漿的擴展度和流速則較小，而屈服應力與塑性黏度則較大。為定量分析砂漿流動性和流變特性的控制因素，通過量化水膜厚度值并建立水膜厚度與流動性、流變特性之間的數學模型，結果顯示水膜厚度可作為砂漿流動性與流變特性的主要控制因素。Kwan及其團隊成員在后續工作中繼續基于水膜厚度開展了對復合砂漿性能控制因素的研究，結果均表明水膜厚度可作為砂漿流動性、流變特性、黏聚性、粘附性、篩析指數等性能的主要控制因素。其中Li等[27-30]通過試驗研究了水膜厚度與纖維砂漿、海水砂漿的流動性、黏聚性、粘附性、篩析指數等工作性能之間的關系，結果揭示了纖維砂漿的工作性能受到水膜厚度與纖維因子（纖維長度、纖維體積、縱橫比）的共同控制作用，而海水砂漿的工作性能受到水膜厚度的控制作用。

河砂、水泥作為水泥基材料的主要原材料，而目前河砂資源短缺是亟需解決的問題，水泥在生產過程中需要排放大量的CO2，對生態環境造成不利影響。因此，摻入礦物摻和料替代水泥或河砂對水泥基材料性能的研究一直以來受到研究人員的青睞。Chen等[31]利用花崗巖拋光廢料替換河砂對砂漿性能展開了探索，量化出水膜厚度結果，并與砂漿性能測試結果建立相關數學模型進行分析，結果顯示砂漿的流動性、粘附性、吸水系數可由水膜厚度單一因素控制，而篩析指數與28d抗壓強度則由水膜厚度與花崗巖拋光廢料替換率共同控制。另一方面，Chen等[32]研究了超細沸石粉替換水泥對砂漿流動性、篩析指數的影響，通過設計不同的超細沸石粉替換量、膠砂比以及水灰比，采用相同的研究方法，結果表明砂漿的流動性受到水膜厚度單一因素的控制，而篩析指數受到水膜厚度、膠砂比的共同控制。肖佳等[5]采用石灰石替代部分砂漿中水泥，通過測試漿體的屈服應力以及計算水膜厚度，試驗結果顯示水膜厚度與屈服應力之間具有良好的關系，并進一步利用BP神經網絡將預測值與實測值進行比較，最終建立了漿體屈服應力與水膜厚度之間的數學模型。

Wu等[6]開展了關于聚羧酸減水劑、水膜厚度對漿體流動性的研究，研究指出漿體中剩余水量包裹的并非是獨立的粉體顆粒而是若干個粉體顆粒組成的的絮凝體，在絮凝體表面形成水膜使其成為一個獨立的個體，進而對漿體的流動性產生了較大的影響，研究結果表明水膜厚度與漿體流動性呈正相關。日本學者Miyake和Matsushita[7]提出了剩余水膜厚度的概念，分別以碎石屑、海砂、河砂為原材料制備了三種砂漿，設計了若干組不同水灰比與灰砂比的砂漿試樣，測試砂漿試樣的坍落度、擴展度并計算剩余水膜厚度以及剩余水膜與固體顆粒粒徑的比值，結果顯示剩余水膜厚度與固體顆粒粒徑的比值和砂漿坍落度、擴展度之間具有良好的相關性，提出將剩余水膜厚度與固體顆粒粒徑的比值作為砂漿稠度的評價指標。

2.2 泥漿膜厚度的影響研究

基于對水膜厚度的大量研究，科研人員進一步開展了泥漿膜厚度對水泥基材料性能的影響研究。Kwan等[8]測試了不同水灰比和灰砂比下砂漿試樣的流動性、流變特性、篩析指數、石棒粘附性，結果表明水灰比與灰砂比對流動性、篩析指數具有正面影響，而對屈服應力、塑性黏度具有負面影響，在水灰比較大時，石棒粘附性隨灰砂比增大而減小，但當水灰比較小時，石棒粘附性隨灰砂比增大呈現先增大后減小的趨勢。為定量探索不同配合比下砂漿性能的控制因素，將水膜厚度和泥漿膜厚度的量化結果與砂漿性能的測試結果進行回歸分析，并建立相關數學模型，結果顯示水膜厚度與泥漿膜厚度可作為砂漿性能的共同控制因素。此外，Kwan等[9]采用石灰石粉料置換細骨料來探索漿體體積對砂漿流動性、篩析指數、抗壓強度的影響，采用相同的研究方法，結果顯示水膜厚度與泥漿膜厚度依然可作為砂漿性能的共同控制因素。因此，水膜厚度與泥漿膜厚度可作為多種配合比下砂漿性能的關鍵控制因素。

日本學者Miyake和Matsushita[8]在進行了剩余水膜厚度的研究之后，提出了剩余漿膜厚度并通過試驗發現剩余漿膜厚度與砂漿的坍落度、擴展度成正比關系。同時，日本學者Mihashi和Ishikawa[10]開展了剩余漿體厚度對混合纖維增強水泥材料性能的研究，將剩余漿體厚度、纖維摻量與屈服應力、塑性黏度、延性指數進行回歸分析并建立數學模型，結果顯示剩余漿體厚度與纖維摻量和混合纖維增強水泥材料性能之間具有良好的相關性。

有研究人員還提出了骨料裹漿厚度、漿體厚度等與泥漿膜厚度相類似的概念[11-13]，其物理意義均表示包裹在固體顆粒表面的泥漿厚度。焦登武等[11]研究了混凝土坍落度、流變特性與骨料裹漿厚度之間的關系，結果顯示隨著骨料裹漿厚度的增加，坍落度呈線性升高，而屈服應力、塑性黏度、靜態屈服應力和觸變性則逐漸下降。張建智等[12]探索了混凝土力學性能、耐久性與骨料裹漿厚度（厚度分別為10μm、20μm、30μm）之間的關系，結果發現骨料裹漿層厚度較大時，混凝土的早期強度較高，但當齡期達56d以后，骨料裹漿厚度較小時，混凝土的強度、電阻率、抗氯離子滲透能力都有較佳的表現。Sun等[13]探討了高密度的硫鋁酸鹽水泥混凝土性能與漿體厚度（厚度分別為10μm、20μm、30μm）之間的關系，結果顯示漿體厚度的增加將導致1d、3d和28d抗壓強度增加，但電阻率下降，此研究結果與張建智等研究結果相似，這表明骨料裹漿厚度或者漿體厚度對于混凝土性能的影響與其所使用的水泥種類沒有影響。

2.3 砂漿膜厚度的影響研究

基于水膜厚度和泥漿膜厚度對水泥基材料性能的影響研究，研究人員對混凝土中砂漿膜厚度展開了研究。Kwan等[14]進行了水膜厚度、泥漿膜厚度以及砂漿膜厚度對混凝土工作性能的研究，通過測試水灰比、漿體體積和砂率對混凝土擴展度、流速、篩析指數、U型箱填充高度的影響，得出擴展度、流速、篩析指數、U型箱填充高度均與水灰比、漿體體積呈正比關系而與砂率呈反比關系。為定量分析混凝土擴展度、流速、篩析指數、U型箱填充高度的主要控制因素，量化出水膜厚度、泥漿膜厚度和砂漿膜厚度的結果，將其與混凝土工作性能的測試結果進行回歸分析并建立相關數學模型，結果表明水膜厚度、泥漿膜厚度和砂漿膜厚度可作為混凝土工作性能的控制因素。

何小兵[15]等研究了砂漿膜厚對自密實混凝土流變特性、工作性能以及抗壓強度的影響，結果顯示自密實混凝土初始屈服剪切應力隨砂漿膜厚增加而下降，坍落擴展度、J環擴展度以及抗壓強度均隨砂漿膜厚增加而增大，并獲得了相關的預測公式，因此在一定程度上可將砂漿膜厚作為自密實混凝土性能的控制因素。王嘯夫等[16]指出混凝土中砂漿與粗骨料的體積比對強度具有顯著的影響，因此量化出砂漿層厚度并研究了與混凝土強度的關系，結果顯示砂漿層厚度與混凝土強度呈開口朝下的拋物線形式，砂漿層厚度過低使得界面不完善，而砂漿層厚度過大則使得混凝土體系不均勻性增加，都導致了強度下降。

3 膜厚度對水泥基材料配合比設計的研究

由于水泥基材料的性能是相互關聯的，在改善某一個性能的同時往往會造成其他性能的劣化，為獲取性能優異的水泥基材料，通常需要進行配合比設計以及大量試配工作。有研究人員基于膜厚度理論對水泥基材料性能的研究，提出膜厚度理論有助于進行水泥基材料配合比設計及優化工作[15,16,26,33]，其中NG和Li等[26,33]根據固體顆粒的填充密度以及膜厚度理論進行了砂漿與混凝土的配合比設計。通過查閱文獻，本文提出了基于膜厚度進行水泥基材料配合比設計工作的技術路線圖，如圖3所示。在進行水泥基材料配合比設計工作時，一方面可根據相關規范進行配合比設計，另一方面可通過計算膜厚度對配合比進行優化設計，減少試配工作量。

圖3 水泥基材料配合比設計技術路線圖

4 結論與展望

⑴采用濕堆積測量法測試固體材料填充密度能夠更好地模擬固體材料在新拌水泥基材料中的緊密填充狀態，與實際狀況更符合。

⑵將膜厚度量化結果與水泥基材料流動性、流變特性、力學性能測試結果進行回歸分析并建立數學模型，結果顯示膜厚度與水泥基材料性能之間具有良好的相關性，膜厚度可作為水泥基材料流動性、流變特性、力學性能的主要控制因素。

⑶雖然研究人員普遍認為膜厚度有助于進行水泥基材料的配合比設計工作，然而目前基于膜厚度進行水泥基材料配合比設計工作的具體研究卻開展得較少，本文提出了水泥基材料配合比設計的技術路線圖，但仍需開展大量相關試驗以驗證其科學性、準確性。