现代路桥施工中颗粒级配对水泥基材料的影响

刘东

（哈尔滨石油学院土木工程系，哈尔滨 150027）

水泥混凝土作为现代建筑施工中最常使用的施工原材料，其骨料的堆积方式以及水泥的水化速率对建筑本身有着极为关键的影响作用，而关于骨料级配对胶凝体的结构及强度有何影响的研究仍没有达到成熟的地步。而目前对水泥基材料颗粒级配的研究主要是在超细矿物掺和料层面上，并没有过多涉及水泥熟料细粉填充矿物掺和料对混凝土强度的影响，从降低水泥使用量、节约成本以及加快施工进度的角度出发，使用混凝土外加剂也是十分有必要的。在实际建筑施工过程中，需要根据混凝土的实际使用要求，科学合理地选择使用外加剂才能够获得较好的经济效益以及社会效益。

在水泥的使用过程中，各项基本性能主要体现在硬化水泥浆体的性能发挥上，其浆体结构在很大程度上决定了硬化水泥浆体的使用性能，而其本身的矿物组成以及物理状态则决定着浆体的结构。在现阶段对水泥水化机理的研究中，其重点是通过改变水泥矿物组成的方式来改善水泥的水化速率，并没有过多涉及通过调整水泥的物理状态以此改善浆体的结构，这种研究方式存在着一定的局限性。

1 对粉体最紧密堆积理论的分析

粉体颗粒的初始堆积密度问题一直是水泥研究领域中的一个重要方向，为了达到最大的堆积密度，应该使混凝土集料所占据的体积相对增多，对于集料中间存在的空隙应由一定水胶比的浆体进行填充，通过对集料和浆体之间密实度进行研究，十分有利于优化混凝土的配合比。目前较为常见的混凝土颗粒堆积密实度的数学模型可以分为不连续尺寸颗粒以及连续尺寸颗粒分布堆积两种情况。

2 对水泥基胶凝材料颗粒级配效应的研究

在水泥工业的实际生产中，水泥粒度分布问题对水泥的使用性能有着极大的影响，特别是对水泥浆体的结构和性能影响很大，可以说水泥的粒度分布是水泥浆体的堆积密度、水泥水化速度和水化产物的生成量的决定因素。为了提高水泥的强度，就必须增加水泥水化产物的生成量,所生成的水化产物填充在空隙中并且相互黏结,这就使得微裂纹和孔隙率极大地减小,进而增加了水泥的强度。而硬化水泥浆体的强度同时与孔结构和孔隙率联系紧密，科学的粒度分布能够很好地改善粉体原始堆积密度和水化速率，最终提高水泥的水化速率。

2.1 水泥熟料粒径分布对其水化性能的影响

目前所生产的硅酸盐水泥主要包括水泥熟料以及少量石膏，而石膏的掺量相对较少，通常在5%以内，因此就可以将硅酸盐水泥认为是胶凝组分为水泥熟料的一元体系。一些学者认为通过增加水泥的比表面积能够显著加快水泥的硬化速度，而提高水泥细粉颗粒含量能够显著增加水泥28d的强度。目前的水泥熟料粒径通常可以分为0～3um、3～25um、25～60um和大于60um等4个粒级，研究表明，0～3um粒径的水泥细粉颗粒对水泥1d的强度影响较大。3～25um粒径的水泥细粉则对水泥90d的强度影响较大，这就说明了水泥早期强度是通过细粒径的水泥细粉颗粒来获得，而后期强度则是通过较大粒径的细粉颗粒来获得。水泥熟料颗粒越小，与水反应的表面越大，水化反应速度越快，有利于水化产物的形成。同时，熟料颗粒越小，水渗透到颗粒中心所需要的时间短，水化程度提高，有利于充分发挥熟料的胶凝性能。不仅如此，不同粒径的水泥细粉，其所具有的化学成分及矿物组成也各不相同，小粒径的细粉颗粒其C3S含量较多，而C3S和C2S含量对水泥的强度影响有着决定性作用，这也说明了水泥强度是由水泥颗粒组成以及由于颗粒组成的变化导致其化学组分及矿物组成的差异两者共同影响的。

2.2 对混合材料的粒度分布对水泥基胶凝材料性能影响的分析

目前公认的水泥粉体粒径最佳级配的3～32um颗粒含量不低于65%，小于32um颗粒不超过10%，减少大于64um颗粒。微细粉添加料对于水泥有着填充作用、水化晶核的作用以及减少集料边缘区的空隙含量的作用。填料分活性和惰性两种，足够细度的矿物掺和料能够很好地填充大颗粒之间的空隙，以此达到减少用水量的作用，这样更能使得胶凝材料本身形成最紧密堆积状态，保证水泥浆体的结构致密化和均匀化。如果惰性矿物掺和料具有足够的细度，就能够起到一定的反应晶核作用，这对加快水泥起初的水化速率具有很好的促进作用。向水泥中加入高细度的矿物掺和料能够提高集料周围的粉体含量，降低孔隙率。由于在水泥的水化反应过程中会在集料表面留有多余的水分以及Ca(OH)2和钙矾石，之后两者的体积较大，这就在很大程度上增加了晶体之间的孔隙。

需要说明的是，在选择混凝土掺和料前，需要熟练掌握施工工程对混凝土性能的要求指标，如强度标号、抗渗性、弹性模量等物理力学性能。不仅如此，还包括施工工艺、施工季节以及浇筑的部位和体积，所使用水泥的品种和标号以及砂石的质量也在很大程度上影响着掺和料的选择和使用。对于施工单位而言，在选择外加剂前需要进行详细的配比实验，对不同厂商所提供的外加剂进行甄别，选择最佳的掺和料类型。

［1]郭随华，翁端，陈益民.我国水泥工业“生态化”的研究现状和发展趋势［J].硅酸盐学报，2001，29（2）：172-177.