摻合料粒徑及反應(yīng)活性對(duì)砂漿和混凝土性質(zhì)的影響

張 劼，孫 號(hào)

（安徽新華學(xué)院土木與環(huán)境工程學(xué)院，合肥230088）

0 引言

在混凝土中加入摻合料既可以具有物理填充，節(jié)約水泥的作用；更重要的是可以通過(guò)它們的化學(xué)與礦物反應(yīng)活性，增加混凝土的強(qiáng)度，并有利于其微觀結(jié)構(gòu)的發(fā)展。針對(duì)摻合料對(duì)混凝土的性能影響，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家對(duì)其進(jìn)行了各方面的研究。

吳凱[1]等用膠凝材料（包括P·I 52.5硅酸鹽水泥、礦粉及石灰石粉）采用X射線熒光光譜（XRF）、勃氏透氣比表面積儀和激光粒度儀，測(cè)得各材料物理化學(xué)性質(zhì)，得出隨著集料體積摻量的增加或集料平均粒徑增大，不含摻合料試件抗壓強(qiáng)度逐漸降低，而摻加石灰石粉和礦粉試件抗壓強(qiáng)度受集料變化影響較小。

李琦琦[2-3]等依據(jù)《水工瀝青混凝土試驗(yàn)規(guī)程》將瀝青混凝土試件在80℃的水中浸泡75h,相當(dāng)于20℃水中（為減少水中礦物成分對(duì)試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，試驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)室制備的蒸餾水）浸泡1年的定量關(guān)系，分別研究以水泥、石灰石粉為填料制備孔隙率為1%（室內(nèi)成型試件孔隙率存在誤差,誤差控制在±0.3%）和以水泥為填料配制的孔隙率為3%的瀝青混凝土水穩(wěn)定性。總結(jié)出隨著浸水時(shí)間的增加，水泥填料與石灰石粉填料相比，對(duì)改善瀝青膠漿與骨料的粘附性有顯著作用，提高瀝青混凝土的力學(xué)強(qiáng)度，但柔性逐漸減弱。Dong GANG[4]通過(guò)水化熱試驗(yàn)，研究了礦渣對(duì)水泥水化熱的影響。結(jié)果表明，不同的水劑摻入可以降低水化熱。

本文主要從三個(gè)方面進(jìn)行試驗(yàn)。首先選取砂漿基準(zhǔn)拌合物，分析強(qiáng)度與微觀結(jié)構(gòu)密度發(fā)展之間的關(guān)系；其次分別用粉煤灰、石灰石粉和石英粉替代25vol.%用量的水泥，對(duì)比采用P?S-B水泥的砂漿和混凝土，比較分析摻合料反應(yīng)活性對(duì)砂漿和混凝土的強(qiáng)度及微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響；最后分析比較砂漿的抗壓強(qiáng)度與三種常用的活性摻合料粉煤灰、偏高嶺土、礦渣的細(xì)度關(guān)系，以及摻合料的反應(yīng)完成度與細(xì)度的關(guān)系。

1 試驗(yàn)原材料及試驗(yàn)方法

原材料：水泥為廣東清新水泥有限公司生產(chǎn)的42.5R硅酸鹽水泥，石灰石粉為河北京航礦產(chǎn)品有限公司生產(chǎn)；礦渣為靈壽縣森迪礦產(chǎn)品加工廠生產(chǎn)，粉煤灰為鄭州源理機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)，偏高嶺土為福建德化縣美龍礦業(yè)開(kāi)發(fā)有限公司生產(chǎn)，粗骨料為洗凈連續(xù)粒級(jí)碎石，細(xì)骨料為洗凈河沙，經(jīng)測(cè)量，細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)約2.3；水為普通自來(lái)水。

在本試驗(yàn)中，砂漿抗壓強(qiáng)度以邊長(zhǎng)為70.7mm的立方體試塊，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件（溫度20℃±2℃、相對(duì)濕度為90%以上）下，根據(jù)《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 70-2009）測(cè)得28天齡期的抗壓強(qiáng)度值[5]；混凝土以邊長(zhǎng)為150mm的立方體試塊存放在模具中一天，在水下繼續(xù)養(yǎng)護(hù)6天，然后存放在在20°C，65%濕度的養(yǎng)護(hù)室中，根據(jù)《混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50107-2010）檢測(cè)其立方體抗壓強(qiáng)度[6]。本試驗(yàn)為了使砂漿和混凝土之間的集料表面積差異的影響作用盡可能小，盡量保證混凝土和砂漿的集料被相同厚度的漿體包裹。保持漿體厚度和水灰比不變，砂漿中集料最大粒徑為4mm，漿體含量為370 l/m3，混凝土中集料的最大粒徑為16mm，漿體含量為300 l/m3。因此，基準(zhǔn)砂漿拌合物的水泥參考用量為480 kg/m3，水用量216 kg/m3，混凝土中的水泥參考用量為390 kg/m3。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

2.1 微觀結(jié)構(gòu)密度與強(qiáng)度的關(guān)系

摻合料的化學(xué)礦物學(xué)效應(yīng)（以下稱(chēng)為反應(yīng)活性）是指材料在水泥水化過(guò)程中與氫氧化鈣產(chǎn)生提供強(qiáng)度的水化產(chǎn)物的能力。水泥漿體的孔隙率隨著被反應(yīng)的摻合料比例的增加而降低，同時(shí)漿體的強(qiáng)度也隨之增加。選取基準(zhǔn)砂漿拌合物，分析其孔隙率與28天抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系。從圖1（a）中可以看出，強(qiáng)度隨孔隙率的減小而增大?？紫逗w了相當(dāng)大的孔徑范圍，包括凝膠孔隙和毛細(xì)管孔隙。因此，為了更好分析彼此的關(guān)系，還必須考慮孔隙結(jié)構(gòu)，即孔隙大小分布的特征參數(shù)，如圖1（b）所示，當(dāng)平均孔隙半徑為50nm，孔隙結(jié)構(gòu)與28天抗壓強(qiáng)度之間存在相當(dāng)緊密的關(guān)系。

圖1 砂漿28天抗壓強(qiáng)度與孔隙關(guān)系

2.2 反應(yīng)活性對(duì)等細(xì)度摻合料的影響

為了排除物理因素干擾，本試驗(yàn)使用了相同粒度分布的材料，與未添加任何摻合料的基準(zhǔn)拌合物相比[7]。因不存在任何物理影響，故粒徑分布與所使用的42.5R P?I的粒徑分布相似。其中25vol.%用量的水泥分別用粉煤灰、石灰石粉和石英粉替代，w/c增加到0.60。在砂漿中加入了P?SB水泥進(jìn)行對(duì)比。其中待測(cè)砂漿拌合物骨料最大粒徑為4mm，水泥用量480 kg/m3,用水量216 kg/m3，漿體用量370 l/m3；待測(cè)混凝土拌合物粗骨料最大粒徑為16mm，水泥用量390 kg/m3,用水量175.5kg/m3，漿體用量300 l/m3。圖2（a）和（b）顯示了按照這些配合比生產(chǎn)的砂漿和混凝土的強(qiáng)度發(fā)展情況。

圖2 相同粒徑分布的不同反應(yīng)活性的摻合料對(duì)強(qiáng)度發(fā)展的影響

如圖2（a）中所示，直到91天，石粉的使用導(dǎo)致砂漿強(qiáng)度降低約30%。當(dāng)使用粉煤灰的第28天后，與石粉相比，強(qiáng)度有所增加；在91天后，與基準(zhǔn)拌合物相比，強(qiáng)度損失僅為13%左右。由于粉煤灰的二次反應(yīng)效應(yīng)，強(qiáng)度在28天后有所增長(zhǎng)，這種反應(yīng)導(dǎo)致額外的水化產(chǎn)物生成，并使得微觀結(jié)構(gòu)更為致密。P?S-B水泥僅7天后就達(dá)到了與基準(zhǔn)拌合物相同的強(qiáng)度。從這一點(diǎn)來(lái)看，高爐礦渣的潛在水硬性作用與硅酸鹽水泥熟料水化反應(yīng)速度相似[8]；因此，在養(yǎng)護(hù)28和91天后，用P?I基準(zhǔn)水泥和P?S-B水泥制成的砂漿的強(qiáng)度沒(méi)有明顯差異。如圖2（b）所示，混凝土在摻合料的反應(yīng)活性方面的影響趨勢(shì)與砂漿大致相同。加入粉煤灰以降低拌合用水量的砂漿和混凝土，得到的結(jié)果與參考拌合物的結(jié)果大致相同。

2.3 摻合料粒徑分布對(duì)其反應(yīng)活性的影響

對(duì)摻合料的反應(yīng)活性與強(qiáng)度的影響，必須針對(duì)每種類(lèi)型的材料單獨(dú)考慮，不僅因?yàn)榉磻?yīng)活性隨時(shí)間的推移表現(xiàn)不同，而且摻合料還具有不同的電勢(shì)活性成分。圖3展現(xiàn)了砂漿的抗壓強(qiáng)度與這些材料的細(xì)度關(guān)系（位置參數(shù)x'），拌合物由75 vol.%用量的P?I 42.5R水泥和25 vol.%用量的火山灰或非活性摻合料組成，水泥用量480kg/m3，用水量216kg/m3,漿體用量370l/m3，w/c為0.60。由于小粒徑顆粒的類(lèi)型不同，該曲線顯示了從28天到91天的強(qiáng)度的發(fā)展變化過(guò)程。此外還展示了用不同細(xì)度的非活性石灰石制成的砂漿的強(qiáng)度變化，以便能夠?qū)⒎磻?yīng)活性而獲得的強(qiáng)度影響與物理影響區(qū)分開(kāi)來(lái)。因此，使用非活性石灰石粉的砂漿的強(qiáng)度評(píng)估反應(yīng)活性具有一定參考價(jià)值。為便于比較，本研究包括了由P?S-B水泥（由75%CEM I 42.5R基準(zhǔn)水泥和25%不同細(xì)度的高爐礦渣組成）配置的拌合物。

圖3 不同材料細(xì)度對(duì)砂漿強(qiáng)度發(fā)展的影響

由于物理填充作用，提高非活性石灰石粉的細(xì)度只能使砂漿的強(qiáng)度略有增加。在2天、7天、28天和91天之后，強(qiáng)度的增加是相同的，所以這種影響可以歸因于隨著細(xì)度的增加基質(zhì)的填充密實(shí)度有所增加，因此微觀結(jié)構(gòu)密度也有所增加。用石英粉制成的拌合物強(qiáng)度從第7天開(kāi)始隨著石英粉細(xì)度的增加而明顯增加；與同等細(xì)度的非活性石灰石粉相比，強(qiáng)度提高了約15～20%。強(qiáng)度的增加表明石英粉具有輕微的化學(xué)-礦物學(xué)效應(yīng)[9]，且隨著細(xì)度的增加而增加。石英粉的這種輕微的反應(yīng)性可能是由于石英晶體被精細(xì)研磨破壞，通過(guò)打破晶格形成額外的反應(yīng)面，但這基本上只限于表面反應(yīng)。

用不同粉煤灰制成的砂漿，其強(qiáng)度從第7天開(kāi)始隨粉煤灰細(xì)度的增加而增加。在7天和28天后達(dá)到的強(qiáng)度，較同等細(xì)度的非活性石灰石粉提高約15～20%。這種強(qiáng)度的增加可能歸因于初始表面反應(yīng)，但通過(guò)測(cè)定28天后氫氧化鈣的含量，可以推斷出反應(yīng)的程度非常低。91天后，由于粉煤灰的二次水化反應(yīng)參與了微觀結(jié)構(gòu)的形成，強(qiáng)度比摻加石灰石粉提高約25%，其中細(xì)度的影響作用也增大了。91天后強(qiáng)度的增加可以歸因于粉煤灰的反應(yīng)活性程度的增加，與石英粉相比，隨著齡期的增加，粉煤灰的反應(yīng)深度也隨之增加[10]。粉煤灰越細(xì)，對(duì)反應(yīng)程度的影響越大，因此對(duì)微觀結(jié)構(gòu)密度和強(qiáng)度的影響也越大。用偏高嶺土制成的砂漿通常使用高效減水劑，否則這種材料的顆粒很容易凝結(jié)成塊。2天后強(qiáng)度測(cè)定表明，強(qiáng)度隨著細(xì)度的增加而增加，摻加偏高嶺土的拌合物強(qiáng)度顯著提高。由于偏高嶺土的細(xì)度和顆粒的多孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其反應(yīng)非常迅速，因此在養(yǎng)護(hù)早期，微觀結(jié)構(gòu)的致密化就開(kāi)始形成。與摻加非活性石灰石粉和活性摻合料的拌合物相比，其早期強(qiáng)度幾乎增加了一倍。即使在7天和28天后，與摻加非活性石灰石粉的拌合物相比，其強(qiáng)度也增加了20～35%，細(xì)度的影響在7天后最為明顯。28天后，偏高嶺土的二次水化反應(yīng)已經(jīng)基本完成，因?yàn)榈降?1天強(qiáng)度只略有增加。但是，與作為水泥成分的高爐礦渣相比，強(qiáng)度仍有較大提高。礦渣硅酸鹽水泥和高效減水劑配置的砂漿中，采用的高爐礦渣細(xì)度不同，粒徑分布大約為5.39μm，其細(xì)度對(duì)砂漿的早期強(qiáng)度影響不大。另一方面，在7天和28天后，強(qiáng)度隨著細(xì)度的增加而顯著增加。與非活性石灰石粉相比，細(xì)高爐礦渣使強(qiáng)度提高40～45%。這是一種非?？焖俚臐撛谒残苑磻?yīng)，在這種反應(yīng)中，高爐礦渣顆粒被大量轉(zhuǎn)化為提供額外強(qiáng)度的水化產(chǎn)物。第91天，由于微觀結(jié)構(gòu)的致密化，反應(yīng)速度減慢，細(xì)度的影響作用再次降低。然而，與非活性石灰石粉相比，強(qiáng)度仍提高了30%以上。綜上所述，摻合料的化學(xué)-礦物學(xué)反應(yīng)速率隨著材料細(xì)度的增加而增加，即在同一時(shí)刻，粒徑小的摻合料的反應(yīng)活性程度高于粒徑大的顆粒。

如圖4所示為摻合料的反應(yīng)完成度與細(xì)度（粒徑分布參數(shù)）的關(guān)系。確定摻合料的反應(yīng)深度是在考慮到他們的粒徑情況的同時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定的反應(yīng)程度來(lái)確定的。28天后最大反應(yīng)深度用高爐礦渣粉測(cè)定，最小反應(yīng)深度用粉煤灰測(cè)定。當(dāng)粒徑參數(shù)小于15μm時(shí)，小粒徑顆粒的反應(yīng)程度急劇上升。相應(yīng)的，反應(yīng)產(chǎn)物的生成量越大，硬化后的漿體的孔隙率就越低，待測(cè)物的孔隙結(jié)構(gòu)也就越密實(shí)。所有參與檢測(cè)的摻合料都反映出隨著細(xì)度的增加，砂漿和混凝土強(qiáng)度也顯著增加的規(guī)律。除了這種化學(xué)礦物學(xué)效應(yīng)之外，由于顆粒隨著細(xì)度增加，密度更大，強(qiáng)度也隨之增加，以上結(jié)論可以假定為對(duì)所有類(lèi)型的材料都是適用的。

圖4 活性材料的細(xì)度對(duì)反應(yīng)程度的影響，通過(guò)粒徑分布情況及28天的Ca(OH)2的消耗量確定

3 結(jié)論

漿體組分的粒徑分布和反應(yīng)活性對(duì)基質(zhì)強(qiáng)度形成能力的影響以及對(duì)砂漿和混凝土微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響可以概括為以下幾個(gè)方面：隨著水化產(chǎn)物持續(xù)填充孔隙，即微觀結(jié)構(gòu)密度的增加和基體孔隙結(jié)構(gòu)的密實(shí)化，砂漿與混凝土的強(qiáng)度也隨之增加。與骨料體積相比，摻合料基質(zhì)的體積越大，其粒徑特性對(duì)強(qiáng)度的影響就越大。

在用量相同的情況下，隨著細(xì)度的增加，各種活性摻合料對(duì)砂漿和混凝土的強(qiáng)度的影響作用增大。這是由于反應(yīng)表面積越大，摻合料的反應(yīng)越迅速、越徹底，尤其是因?yàn)榛钚該胶狭系亩嗡磻?yīng)，導(dǎo)致集料周?chē)枯^高的區(qū)域有所改善。25%的體積比摻量，細(xì)度比普通硅酸鹽水泥熟料高3～5倍的凝結(jié)性組分和潛在水硬性組分，其強(qiáng)度影響比普通硅酸鹽水泥約增加10～20%。具有火山灰活性的摻合料的反應(yīng)過(guò)程受到細(xì)度的決定性影響，其中粉煤灰僅在約3個(gè)月后提供了可觀的強(qiáng)度影響作用，而細(xì)度約為5倍的偏高嶺土僅在2天后就對(duì)強(qiáng)度發(fā)展做出了可觀的貢獻(xiàn)。