关于水泥熟料与辅助性胶凝材料的优化匹配的探析

黄玉亮

摘 要：低熟料用量、高性能复合水泥具有良好的体积稳定性和耐久性，其主要原因是：复合水泥的水化产物多为外部水化产物，引起的化学收缩较小，K+、Na+进入 C-A-S-H凝胶层间，水化产物层间结合力增强，从而提高了水化产物抵抗体积变形的能力；水化早期少量水泥熟料水化，使浆体逐渐硬化（浆体结构形成），后期水化持续进行且速率较大（矿渣开始水化），大量水化产物填充于浆体孔隙中，使浆体结构较为均匀、密实，浆体内部应力较小且分布均匀，从而改善了复合水泥浆体体积稳定性和耐久性。

关键词：水泥熟料；辅助性胶凝材料；优化匹配

目前，我国已将“节能减排”、“发展低碳经济”和“可持续发展”定为现阶段的基本国策。水泥混凝土用量大、用途广，是我国基础建设的基本建筑材料，短时期水泥混凝土无法替代。如何在降低水泥工业资源和能源消耗、减少碳排放量的同时，生产大量高性能水泥，已成为我国亟待解决的问题。利用冶金工业废渣、燃煤灰渣等工业废渣生产复合水泥，受到世界各国高度关注和大力支持，是水泥工业发展的方向。

1 水泥熟料与辅助性胶凝材料的优化匹配原则

1.1 众所周知，胶凝材料的水化活性由其固有活性和粒度决定

虽然胶凝材料的固有活性无法改变（与其矿物组成、冷却方法等因素有关），但可通过调控胶凝材料粒径的方法调整胶凝材料的水化活性。当胶凝材料水化活性过高时，胶凝材料与水拌合后快速水化，使水泥的标准稠度需水量增加、浆体结构不密实，甚至导致水泥浆体过快凝结、流变性能及体积稳定性变差。当胶凝材料水化活性过低时，虽然其需水量较低、浆体堆积密度较高，但颗粒水化较慢，浆体中水化产物数量较少，颗粒间粘接较差，导致水泥的凝结时间较长、各龄期强度较低。若根据胶凝材料的固有活性，通过调控胶凝材料的粒度范围，将其水化活性控制在某一范围内，使胶凝材料在水化初期不至于过快水化，又能够在一定时间内高效水化，可达到降低复合水泥需水量、提高硬化浆体性能的目的。目前，普遍认为中粒度区间硅酸盐水泥颗粒的胶凝性较好，但具体粒径范围尚不明确，而对辅助性胶凝材料的使用则更为盲目，已有研究尚未涉及辅助性胶凝材料高效利用的概念。

1.2 水泥熟料与辅助性胶凝材料的水化程度

为保证水泥浆体具有良好的工作性能和较高的堆积密度，胶凝材料 60min（水泥混凝土拌合、成型期）水化程度不宜过高。为使胶凝材料具有正常的凝结时间，其 60min水化程度也不能过低。因此，胶凝材料拌合期的水化程度应控制在一定范围内。为充分发挥胶凝材料的胶凝性能，胶凝材料的后期水化程度越高越好。因此，理想的胶凝材料应具有较低的 60min 水化程度、较高的 3d 水化程度和非常高的 28d 水化程度。

1.3 水泥熟料与辅助性胶凝材料的胶凝能力

胶凝材料浆体主要是由固体颗粒和拌合水组成，胶凝材料的标准稠度需水量越高，则胶凝材料浆体的堆积密度越低，各龄期的孔隙率越高。因此，胶凝材料的标准稠度需水量可认为是其引入孔隙能力的一个指标。众所周知，胶凝材料的水化过程是固相体积膨胀，水化产物逐渐填充浆体中孔隙的过程。所以，胶凝材料的水化程度可视为其填充孔隙能力的一个指标，即：水化程度越高，对孔隙的填充能力越强。因此，胶凝材料的胶凝能力取决于其引入孔隙和填充孔隙的能力，可量化表征为其水化程度与标准稠度需水量之比。

2 水泥熟料与辅助性胶凝材料初始浆体结构的优化匹配

2.1 水泥基材料（粉体）常用颗粒级配模型

关于水泥颗粒分布与性能的关系，中外学者和专家做了许多研究工作，在理论和实际应用中取得了许多成果，提出一些堆积模型。1968 年 Taplm提出颗粒分布在水泥水化模型中的重要作用，指出水泥颗粒分布对水泥和混凝土性能有很大影响。在现有理论模型中，假定粉体颗粒为刚性球体，且无论颗粒大小，只考虑重力对颗粒堆积的影响。但在实际情况下，水泥粉体的堆积状态往往还受颗粒分布、形状等参数的影响。

2.2 “区间窄分布，整体宽分布”颗粒级配模型

（1）按照 Horsfield 模型（间断级配紧密堆积模型）的要求，若胶凝材料颗粒的最大粒径为 80?m，各级填充粒径应分别为 33.12?m、18.00?m、14.16?m、9.28?m、5.80?m和 2.40?m。为便于操作，各级填充粒径简化为 63?m、32?m、16?m、6?m、3?m。

（2）按照各级填充粒径，将胶凝材料划分为 5 个区间，分别为 0～4?m、4～8?m、8～24?m、24～45?m、45～80?m。各区间颗粒分布应较窄，且集中于相应填充粒径的周围，以消除小颗粒填充过程中引起的“松动效应”及大颗粒填充过程中造成的“挤开效应”，从而获得较高的堆积密度。

（3）为在不增加颗粒整体细度的前提下实现浆体的密堆积，复合水泥的颗粒分布应接近 Fuller 分布。“区间窄分布，整体宽分布”模型的颗粒分布参数及各区间颗粒含量（由Fuller 分布计算）。Powers、Frigione、许仲梓、Sprung 和 Locher 等人研究了颗粒均匀性对胶凝材料水化性能的影响。试验结果一致表明：颗粒分布越窄，水化愈快，强度愈高。因此，“区间窄分布”不仅有利于提高浆体的堆积密度，更有利于各粒度区间胶凝材料水化性能的发挥。

3 水泥熟料与辅助性胶凝材料粒度区间与组成、性能的关系

众所周知，胶凝材料的水化活性不仅在很大程度上取决于其固有活性，还与其粒度、比表面积和表面性状等有关。众多学者对硅酸盐水泥粒度区间与组成、水化性能的关系进行了较多研究，但不同研究者得出的结论有所差异。Taylor 认为随水泥粒径的减小，C2S 与 C3S 含量之比逐渐增加，C3A、C4AF 含量变化较小。FM Lea 则指出在中粒度区间 C2S 与 C3S 含量之比最大。Tsivilis 指出，增加<3?m 水泥颗粒含量可提高水泥的早期强度，但会导致需水量增加、浆体流变性能及体积稳定性变差等问题，因此，<3?m水泥颗粒含量应控制在 10%以内3～30?m 水泥颗粒对水泥强度起主要贡献，水化 28d 后颗粒仅发生表面水化，该部分颗粒水化程度非常低，对水泥早期和后期强度的贡献很小。此外，硅酸盐水泥的粒度还对硬化浆体的微观结构、水化放热、孔隙率、渗透系数、体积稳定性等性能影响显著。

参考文献

[1] 刘猛，李百战，姚润明.水泥生产能源消耗内含碳排放量分析[J].重庆大学学报，2011，34（3）：116-121.

[2] 刘秀丽.中国水泥工业低碳排放技术现状与发展中国水泥工业低碳排放技术现状与发展[A].中俄水泥峰会[C]，北京，2011.