胶凝材料级配效应对混凝土强度的影响

周溪泉，姜兴彦，王雪东

（亚泰（大连）预制建筑制品有限公司，辽宁 大连 116000）

0 引言

上个世纪 40 年代末，就有学者指出，水泥水化强度主要由其粒径在 0～30μm 之间的颗粒提供，其中0～10μm 颗粒提供早期强度，10～30μm 颗粒提供后期强度。后来，在上世纪 80 年代末，由 S.Tsivilis 等学者提出了水泥颗粒级配影响其水化强度及水泥的最佳颗粒级配理论，即水泥颗粒级配分布越狭窄其强度越高，其对混凝土的影响相似。到了 90 年代初，Fuller和 Thompson 提出了集料理想筛析曲线，简称富勒曲线（Fuller 曲线），形成了最早的最佳堆积密度颗粒分布理论。后来富勒曲线又被 A.Hummel 和 K.Wesche 等学者优化，因为早期富勒曲线并没有把颗粒形状和表面特性考虑进来。而进入新世纪，随着高性能混凝土的迅猛发展和对混凝土耐久性的高度重视，这一理论被国内外学者更加深入和系统地研究，并延伸到混凝土结构密实性和混凝土耐久性等方面。

近十年，有专家、学者明确指出，混凝土强度和耐久性主要取决于胶凝体系基体特性和胶凝体系基体与集料的粘接特性。而胶凝体系基体与集料的粘接特性又取决于胶凝体系的基体特性。所以本文通过胶凝体系中各材料达到最佳堆积状态时对其性能的影响，验证其是否对混凝土对结构形成起着有利的作用，最终到达拓宽配合比设计思路，提高混凝土生产企业经济效益的目的。

1 试验

1.1 原材料

1.1.1 水泥与矿物掺合料

试验所用的水泥（C）为亚泰富山等级 P·O42.5级，粉煤灰（FA）为大连热电厂等级Ⅰ级 F 类，矿粉（SL）为本溪永星等级 S95 级（SL），胶凝材料的化学组成及物理性能见表 1～4。

表1 水泥和矿物掺合料化学成分分析 wt%

表2 水泥物理性能

表3 粉煤灰物理性能

表4 矿粉物理性能

1.1.2 砂

采用厦门艾思欧 ISO 标准砂；区域河砂，属于中砂，其物理性能见表 5。

表5 河砂物理性能

1.1.3 石

区域花岗岩碎石，5～20mm 连续级配，物理性能见表 6。

表6 碎石物理性能

1.1.4 水

区域地下水。

1.1.5 外加剂

聚羧酸高性能减水剂，物理性能见表 7。

表7 外加剂物理性能

1.2 胶凝体系紧密堆积颗粒分布

在胶凝体系中颗粒粒径分布并不均匀，不同种类的材料颗粒粒径分布曲线也不尽相同，水泥颗粒粒径集中分布在 3～32μm 之间，粉煤灰颗粒粒径集中分布在5～20μm 之间，矿粉颗粒粒径集中分布在 1～10μm 之间。

根据 Andreasen 方程，可以计算出最大粒径为150μm 的集料，达到最紧密堆积时各级粒径颗粒的百分占比，由此得出水泥紧密堆积时颗粒分布状态，见表8。

本文使用胶凝体系中各粉体材料的颗粒粒级分布情况，见表 9。

表8 水泥紧密堆积颗粒分布状态 %

表9 粉料颗粒粒级分布

根据计算出的水泥紧密堆积颗粒分布，可以看出本文使用水泥并不能满足紧密堆积要求。本文采用向水泥中按比例掺入矿物掺合料进行复配，验收其复配后胶砂强度值。分析当胶凝体系中各材料的堆积状态趋于理想紧密堆积状态时，是否会出现有利的附加效应，即复合材料达到理想紧密堆积状态时，可改善胶凝体系浆体的填充性和水化结构的密实性，从而提高龄期强度和耐久性。

1.3 试验方法

1.3.1 胶凝体系级配效应结论验证

依照现行 GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》，采用正交试验方法进行试验。以粉煤灰、矿粉掺合料 10% 取代量为试验单位，分别采取单掺和双掺两种试验方式验证。最终从得出数据中挑选出适量的、具有代表性的试验数据进行对比分析，得出胶凝体系级配效应结论。

1.3.2 混凝土试配验证

依照现行 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》进行 C60 混凝土基准配合比设计，见表 10。将基准配合试配强度比与复合胶凝体系配合比试配强度进行对比分析，得出结论。

表10 C60 混凝土基准配合比

1.4 数据收集与处理

胶砂强度，依照现行 GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行数据处理，试验数据收集采用 HYZ-300.10 型恒加载水泥抗折抗压试验机。混凝土强度，依照现行 GB/T 50107—2010《混凝土强度检验评定标准》进行数据处理，试验数据收集采用TSY-3000 型恒加载压力试验机。

2 试验结果与分析

2.1 胶凝体系验证

复合胶凝体系级配效应验证结果，如表 11～14。

表11 胶凝材料中掺入粉煤灰对强度的影响

胶凝体系中掺入粉煤灰后，胶砂强度明显有下降趋势。但从数据中可以看出当粉煤灰掺入 20% 时，下降趋势明显缩水，同时其对应数据也是全部对比数据中的最佳值。

表12 胶凝材料中掺入矿粉对强度的影响

胶凝体系中掺入矿粉后，胶砂抗压强度变化趋势并不明显，且其抗折强度明显提高，直至矿粉掺量大于50% 后其抗折、抗压强度出现明显下滑。从数据中可以看出当矿粉掺入 30% 时，出现本组试验数据的最佳值。

表13 掺入 50% 复合混合料对强度的影响

将粉煤灰与矿粉进行复配替代 50% 的水泥掺入胶凝体系，抗压强度随粉煤灰掺量越高而越低，且当粉煤灰掺量为复合混合料的 20% 时出现本组试验最佳值。

表14 掺入 30% 复合混合料对强度的影响

将粉煤灰与矿粉进行复配替代 30% 的水泥掺入胶凝体系，抗折、抗压强度并未随复合材料比例变化而出现较大波动，且当粉煤灰掺量为复合混合料的 60% 时出现本组试验最佳值。

2.2 SEM 照片

根据复合胶凝体系胶砂强度结果，分拣出具有代表性的 4 组试验 SEM 照片，如图 1～4。

图1 粉煤灰取代 20% 的胶凝体系水化结构

图2 20% 粉煤灰与 80% 矿渣粉复合，取代 50% 的胶凝体系水化结构

图3 矿渣粉取代 30% 的胶凝体系水化结构

图4 60% 粉煤灰与 40% 矿渣粉复合，取代 30% 的胶凝体系水化结构

2.3 试配验证

使用复合胶凝体系进行混凝土试配验证结果，如表15～18。

表15 胶凝材料中掺入粉煤灰对混凝土强度的影响

表16 胶凝材料中掺入矿粉对混凝土强度的影响

表17 掺入 50% 复合混合料对混凝土强度的影响

表18 掺入 30% 复合混合料对混凝土强度的影响

2.4 结果分析

通过胶凝体系胶砂强度试验，以及胶凝体系水化结构 SEM 照片对比分析，得出当胶凝体系各材料颗粒趋于紧密堆积状态时，其性能能够得到一定提高。这说明当复合胶凝材料达到一定级配时，能够在一定范围内提高胶凝体系强度。但并不绝对，在复合掺合料取代 50%水泥试验中，数据呈现的结果恰恰相反，当胶凝体系颗粒级配趋于理论紧密堆积状态时，强度反而降低。这说明极致的胶凝体系颗粒级配并不一定带来较高的堆积效应，根据复合材料的种类不同，反应程度不同都会对颗粒紧密堆积效应产生影响，使其达不到期望值。

通过混凝土试配试验分析，当使用复合混合料拌制混凝土时，其性能变化规律与复合混合料胶砂性能变化规律相似。但混凝土性能受益程度低于复合混合料胶砂性能增益程度。这说明在混凝土结构中，受到骨料本身性质和界面粘接性能等其他因素复杂影响。

3 结论

（1）当胶凝体系中掺入单一掺合料，颗粒级配趋向于最紧密堆积状态时，有利于胶凝材料体系性能提高，趋向于其级配效益理论，且对混凝土的影响也相似。

（2）当胶凝体系中掺入多种掺合料，由于各掺合料之间的作用关系，可能导致其优势相互抵消或排斥，没得到达预期值。这说明单一的考虑胶凝体系中集料颗粒最佳紧密堆积状态并不完善。胶凝材料体系中各集料在水化过程中伴随着结构的收缩和膨胀，以及粉煤灰、矿粉活性效应反应程度等其他因素，都将对胶凝体系结构产生影响。

（3）根据混凝土试配强度，以及胶凝体系 SEM 照片分析，胶凝体系基体结构能够影响混凝土结构，且这个影响成正比。这说明完美的胶凝体系结构，有利于混凝土的强度发展，以及混凝土耐久性的保持。

（4）混凝土硬化成型是一个复杂的过程，其过程中受到胶凝体系结构、骨料本身性质和界面粘接性能等多种因素影响，而想通过单一一种因素判断其性能过于武断，也不利于混凝土的开发、创新。

（5）在胶凝材料应用、研发过程中，应当建立不同材料或混合材料的最佳颗粒级配体系，而不是一味趋向建立最紧密堆积体系。总结规律，开拓思路，以变应变，才是混凝土研究的长久思路。

4 展望

目前，我国水泥各大生产、加工企业盲目追求利润，通过细化水泥颗粒增加水化活性来降低生产成本。而并没有深切的研究水泥颗粒与矿物掺合料之间的填充效应，使得水泥等混凝土用胶凝体系材料在生产工艺上仍就存在不足。本文以为，应更进一步对复合胶凝体系浆体结构、水化结构，浆体界面粘接结构等方面进行研究，建立水泥基材与矿物掺合料混合的最佳堆积公式及评价方法。通过胶凝体系最佳颗粒级配，指导混凝土配合比优化设计，营造混凝土市场的双赢局面。