蒸养条件下胶凝材料颗粒级配对混凝土强度的影响.pdf

2 0 1 2年第 5期 5月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT PRODUC I 2 01 2 No 5 Ma v 蒸养条件下胶凝材料颗粒级配 对混凝土强度的影响 周栋梁 ， 张建纲 ， 毛永琳 ， 孙 树 ( 1 高性能土木工程材料 国家重点实验室， 南京 2 1 0 0 0 8 ； 2 江苏省建筑科学研究院有限公司， 南京 2 1 0 0 0 8 ) 摘要 ： 基 于 固体 粒料最佳堆积密度理想 曲线 ( F u l l e r曲线 ) ， 研 究 了胶凝材料颗粒 分布对蒸养混 凝土抗压 强度 的影响 ， 并对其作用机 理进行 了初 步分析 。 研 究结果表 明， 不 同细度的粉体胶凝材料 复合掺配 时， 其颗 粒可以相互补 充 ， 当胶 凝材料颗 粒的粒径分布更接 近 紧密堆积状 态要求 时， 改善 了水泥浆体 的密实度 ， 蒸养混凝土 的抗 压强度 明 显提 高 。 关键词 ： 颗粒分布 ； 颗粒堆积 密度 ； F u l l e r 曲线 ；微观 结构 Ab s t r a c t ：B a s e d o n t h e F u l l e r c u r v e wh i c h c a n b e u s e d t o d e t e r mi n e t h e p a r t i c l e s i z e d i s t ri b u t i o n o f a l l s o l i d ma t e r i a l s ， t h e i n f l u e n c e o f p a r t i c l e s i z e d i s t ri b u t i o n o f c e me n t i t i o u s ma t e r i a l o n t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f s t e a m c u rin g c o n c r e t e i s s t u d i e d ， a n d t h e me c h a n i s m i s a l s o d i s c u s s e d p r e l i mi n a r y T h e r e s u h s h o w s t h a t t h e d i f f e r e n t c e me n t i t i o u s ma t e ria l s c a n ma k e t h e p a c k i n g o f c e me n t p a r t i c l e s g e t t i n g c l o s e r w h e n t h e y a r e c o mp o u n d e d ， S O i t ma k e t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f s t e a m c u ri n g c o n c r e t e g e t t i n g mu c h h i g h e r a n d t h e mi c r o s t r u c t u r e o f c e me n t mo rt a r g e t t i n g mu c h d e n s e r t o o Ke y wo r ：P a r t i c l e s i z e d i s t ri b u t i o n ； P a c k i n g d e n s i t y o f p a r t i c l e s ； F u l l e r c u r v e ； Mi c r o s t r u c t u r e 中图分类号 ： T U5 2 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 2 ) 0 5 0 1 0 4 0前 言 混 凝 土 是 一 种 高 度无 序 、 多相 、 多 孔 的 非 匀 质 材料 ， 在水泥凝胶体凝结硬化过程中 ， 由于收缩作 用 、 泌水等原 因， 凝胶体内部不可避免地会形成一 些孔隙、 微裂缝等结构缺陷 ， 使混凝土的强度、 耐久 性等性能降低 。长期以来 ， 为了提高水泥基材料的 结构密实性 ， 研究人员十分注意粗细骨料的颗粒级 配 ， 使骨料的粗 细颗粒合理搭配 ， 达到空 隙率最小 的 目的【 ” ， 但往往忽视微观范围的粉体 ， 即胶凝材料 颗粒的级配问题2 l 。近年来 ， 随着高性能混凝土技术 的发展 ， 人们逐渐认识到 ， 微细颗粒 的矿物质超细 粉能够有效地填充水泥凝胶体内部 的微细孔隙 ， 提 高混凝土的强度和耐久性。但若将完全均一细度而 没有形成级配的矿物掺合料掺人混凝土中， 则不能 充分发挥其微观填充作用。有研究表明 ， 从粉体颗 粒紧密堆积的理论出发3 卅， 将不同细度的粉体颗粒 进行合理掺配 ， 使亚微观范 围内的胶凝材料颗粒形 成 紧密堆积的填充效果 ， 可有效降低水泥凝胶体的 孔 隙率 ， 改善孔结 构 ， 对混凝土的性能具有改 善作 基 金项 目 ：国家重 点基 础研究 发展 规划( 9 7 3 )资 助项 目 ( 2 0 0 9 C B 6 2 3 2 0 5) 。 用。本研究 主要依据粉体最紧密堆积模 型一F u l l e r 曲 线 ， 通 过 调 整 胶 凝 材料 的颗 粒 级 配 ， 考察 蒸 汽养 护条件下 ，胶凝材料颗粒级配对混凝 土强度 的影 响 。 1 最佳堆积密度的理想筛析 曲线一F u e r 曲线嘲 关于最佳堆积密度 的颗粒分布问题 ， 欧美一些 学者大多数主张使用 2 0世纪 9 0年代 初 F u l l e r和 T h o m p s o n提出的理想筛析 曲线 ，简称 F u l l e r 曲线 。 F u l l e r 曲线原本是计算粗集料的 ， 其数学式为 ： r 一 ， 0 5 A _ 10 0 軎 - 10 0 ( 1 ) 式中， A 一筛析通过量 ， ； d 卜 筛孔尺寸， m m； 混合集料中最大颗粒的直径 ， m m。 计算集料理想筛析 曲线的数学式 还有 E mp a 公式 和 R o t h f u c h s 公 式等 ， 然 而 ， 如 U l r i c h Hi n z e等 一 些学者指出的， F u l l e r 和 T h o m p s o n所提出的颗粒 分布规律可以用于细粉部分。早期的 F u l l e r曲线没 有考虑颗粒形状和表面特性 ， 后来 A H u mm e l 和 K We s c h e 等学者将算式改为 ： ， Jm A = 1 0 0 ( ) ( 2 ) 一 1 一 2 0 1 2年第 5期 混凝土与水泥制品 总第 1 9 3期 式 中， d _各分级筛孑 L 尺寸或分级粒径 ， Ix m； 脚 一指数 ， 视集 料颗粒形状特性而定 ， 砾石类 集 料取 0 4 。 即 ： 0 4 A = 1 0 0 ( d ) ( 3 ) 在德 国水泥厂协会发表 的专题研究报告 中， 就 将计算式 ( 3 ) 用作水泥颗粒分布的理想筛析 曲线 ， 并依此对水泥、 砂浆及混凝土进行评价。 在探讨水泥最佳堆积密度 的颗粒分布时 ， 也可 以按 国外文献的方法划分 ， 即 0 6 3 1 x m为胶凝材料 ， 0 1 2 5 1x m为混凝土细粉 ， 0 2 0 0 0 1 m为水泥标 准试 体砂浆或混凝土细砂。现将按计算式 ( 3 ) 计算的各 级颗粒 累计含量列于表 1 ，按此表 即可绘出 F u l l e r 理想筛析曲线 ，图 1 所示为 0 - 1 2 5 p m粒径的F u l l e r 曲线 。 表 1 按 4 = 10 0 (罟 ) 计 算 的 颗 粒 累 计 含 量 f 0 6 3 ) l x m 1 9 0 7 2 5 1 6 3 3 2 0 4 3 8 O 4 7 8 9 5 7 8 0 6 3 1 9 6 7 9 7 7 4 3 2 7 6 2 6 8 3 3 8 9 8 O 7 1 0 0 一 一 颗粒累计、 f 0 8 0 ) l m 1 7 I 3 3 2 2 8 7 3 0 1 7 3 9 8 1 4 3 5 3 5 2 5 3 5 7 4 3 6 1 8 7 6 7 5 5 6 9 3 1 7 5 7 9 8 9 1 3 9 0 8 9 1 0 0 一 今 鲁- 、 。 。 一 f 0 1 2 5 ) lx m 1 4 5 0 1 9 1 3 2 5 2 4 3 3 _ 3 0 3 6 4 1 4 3 9 4 4 8 0 4 5 1 6 8 5 6 5 0 5 6 5 0 6 3 4 0 7 4 5 6 7 6 0 3 8 3 6 5 1 0 0 1 0 o 8 0 q e- 6 0 士 赚 4 0 2 0 0 l I U l UU 粒 径 t m 图 1 0 - 1 2 5 1 m粒径 的 F u l l e r 曲线 2 原 材料及 试验 方法 2 1 原 材料 采 用 P O 5 2 5级水 泥 ； $ 9 5级 矿 粉 ； I级 粉煤 灰 ；巩 义 市某 建 材公 司产 的 I级微 硅 粉 ； 平顶 山某 公 司产 的 I级 漂珠 ；铜 陵某公 司产 的 建筑 石 膏粉 ；细 集 料选 用细 度模 数 为 2 6的 中 砂 ， 密 度为 2 6 5 0 k g m ； 粗集 料 为粒 径 范 围为 5 1 0 m m 及 1 0 2 0 mm 的石灰 岩碎 石 ；江苏 某 公 司 生 产 的 P C A( ) 聚 羧 酸 系 减水 剂 ； 混 凝 土 拌 和 与养 护用水 为 自来 水 。所 用 原材料 的具 体 化学 组成 见表 2 。 2 2 配合 比 混凝土试验配合 比如表 3所示 ， 主要考察不同 级配胶凝材料在蒸汽养护条件下对混凝土不 同龄 期抗压强度的影响。具体养护条件为： 成型后 ， 静停 2 h ， 进行带模常压蒸汽养护 ( 压力为 0 1 0 0 1 5 MP a ， 温度为 9 0 ，时间为 6 h ) ， 3 h后降至室温 ，测试其 1 d 、 3 d 、 2 8 d抗压 强度 。 2 3 试验 方法 混凝土坍落度 、含气量 的测定严格按照 G B T 5 0 0 8 0 2 0 0 2 普通混凝土拌合物性能试验方法标 准 执行 ； 混凝土成 型 、 养 护 、 抗压强度 的测定严格 按照 G B T 5 0 0 8 1 2 0 0 2 普通混凝土力学性能试验 方法标准 执行 ； 粉体材料颗粒粒径分布 的测定采 用 S Y MP A 公 司 生 产 的 S VC E L L D i g i t a l 激 光 粒 度 仪 。 3试 验结 果与讨 论 3 1 粉体样品粒度分布实测值与 F u l l e r曲线计算 值对 比分析 本试验选取 了水泥 、 矿渣 、 硅灰 、 漂珠 、 石膏等 五种粉体材料为胶凝材料 ， 通过激光粒度仪分析其 颗粒粒径分布 ， 试验结果如图 2所示。 由图 2可以看出 ， 所有粉体样 品的颗粒分布 曲 表 2 原材料的化学组成 一， ) 一 周栋梁 ， 张建国， 毛永琳 ， 等 蒸养条件下胶凝材料颗粒级配对混凝土强度的影响 表 3 混凝土配合 比 k g m 1 0 0 8 O 梏6 0 4 0 2 O O 1 1 0 1 o o 粒径 p , m 图 2原材 料颗 粒 粒 径 分 布 曲线 线与 F u l l e r 曲线存在着明显差别 。 其 中， 硅灰与漂珠 的颗粒分布都位于富勒曲线之上 ， 与富勒曲线没有 形成交点 ， 硅灰 的平均粒径小 于 2 m， 而漂珠 的粒 径分布主要集 中在 4 p m左右 ； 石膏与水泥的粒径分 布曲线与 F u l l e r 曲线存在一交点， 在交点前 ， 粒径分 布曲线位于其 F u l l e r曲线下方 ， 而过交点后 ， 粒径分 布曲线则位于其 F u l l e r 曲线上方 ，这说明石膏与水 泥试样 中细粉含量偏少 ， 粗粉含量偏 多 ， 需要复合 掺加硅灰和漂珠来调节细粉含量 ，使之接近 F u l l e r 曲线 。 3 2 胶凝材料颗粒级配的优化调整 根据图 2各种粉体样品的粒径分布情况 ， 进行 粉体材料的粒径分布优化调整 ， 通过添加硅灰 与漂 珠增加胶凝材料 中细粉 的含量 ， 加入水泥 、 石膏与 矿粉的掺量调整体系中粗颗粒的含量 ， 调整结果如 表 4与图 3所示。 表 4 胶凝材料优化调整方案 由图 3可以看 出， 方案 1 至方案 4所调整的粒 径分布曲线较为接近。进一步分析发现 ， 在颗粒粒 径大于 l 5 m时 ， 4种方案 的粒径分布曲线与富勒 曲线较为接近 ， 而当粒径小于 1 5 p m时 ， 4种方案中 1 o o 8 O 楼6 O jl ； 4 0 2 0 0 l O l O O 粒径 p , m 图 3优 化 调 整 后 的 粒 径 分 布 曲线 细颗粒的含量相对较少 ， 方案 1至方案 4的粒径曲 线与富勒曲线的偏离程度逐渐变大 ， 其中方案 l的 粒径分布曲线与富勒曲线最相似 ， 两者几乎重合 。 3 - 3 胶凝材料粒径分布优化对混凝土强度的影响 按照表 4组合的胶凝材料配合 比方 案进行混 凝土试验 ， 配合 比如表 3所示 ， 蒸汽养护后的混凝 土强 度如 图 4所 示 。 宝 鹱 基 准 方 粟 1 方 案 2 方 菜 3 方 莱 4 图 4 颗 粒级 配对混凝土强度 的影响 由图 4可知 ， 当胶凝材料的颗粒级配分布曲线 接近富勒曲线时 ， 蒸养混凝土的抗压强度有了明显 提高， 尤其是早期强度。其 中， 方案 1 对混凝土早期 强 度有 明显 的提高 ， 1 d和 3 d强度较 基 准提高 了 2 7 和 1 8 ， 但其 2 8 d强度有所下降， 观察试块的破 坏情况可 以发现 ， 当抗压强度超过9 0 MP a时 ， 试块 中的骨料破碎严重 ，导致混凝 土强度产生 了偏离 。 进一步分析可 以得 出， 基准混凝土的强度增长速率 具有明显优势 ， 这可能和纯水泥的水化活性有关。 3 - 4 微观结构分析 材料显微结构决定 了材料性能。本研究利用扫 描电镜观察材料的显微结构 ， 探讨胶凝材料级配对 一 3 一