程寶軍，亓維利，張新勝

（中建商品混凝土天津有限公司，天津 300450）

0 引言

自19世紀(jì)初人們開始規(guī)模化生產(chǎn)水泥，已經(jīng)歷了近200年的歷史。水泥是建筑工業(yè)三大基本材料之一，使用廣、用量大，素有“建筑工業(yè)糧食”之稱。隨著科學(xué)技術(shù)的進步和人類社會的發(fā)展，水泥基膠凝材料的用途越來越廣泛，同時給資源和能源的供應(yīng)帶來了很大的壓力。研究表明[1]，每生產(chǎn)1t水泥熟料平均要消耗1.2t優(yōu)質(zhì)石灰石，0.2t左右的標(biāo)準(zhǔn)煤，產(chǎn)生1t的CO2，另外還排放0.74kgSO2，1.5kgNOx和大量粉塵。水泥熟料的生產(chǎn)對資源的消耗和環(huán)境的破壞形成高負(fù)荷。

水泥的使用性能主要體現(xiàn)在硬化水泥漿體的性能上，硬化水泥漿體的性能取決于其結(jié)構(gòu)，而漿體的結(jié)構(gòu)又主要依賴于其礦物組成及物理狀態(tài)。長期以來，科研工作者對改變水泥礦物組成進行了大量的研究，而對調(diào)整水泥的物理狀態(tài)來改善漿體結(jié)構(gòu)的研究不多，僅僅是測量不同大小顆粒的相對水化速率的大小分析水泥的水化機理。

基于水泥工業(yè)自身特點及其環(huán)境負(fù)荷，綜合混凝土結(jié)構(gòu)耐久性和結(jié)構(gòu)可靠性的要求，在水泥中摻入各種不同粒徑和粒度分布的礦物質(zhì)摻合料，既能提高硬化后的性能，又能提高漿體的流動性。其核心問題就是獲得水泥基材料的密實填充結(jié)構(gòu)。當(dāng)前我國水泥行業(yè)對水泥總的及各組分的顆粒級配的控制還不夠，還沒能達到混凝土工藝要求來生產(chǎn)和供應(yīng)最佳性能和足夠數(shù)量的均質(zhì)水泥[2]。由此看來，從顆粒學(xué)角度探討材料的結(jié)構(gòu)與性能是有普遍意義的。

1 粉體的最緊密堆積理論

粉體顆粒的初始堆積密度在材料領(lǐng)域中是一個非常重要的性質(zhì)。法國的Feret在1892年發(fā)表了第一篇有關(guān)混凝土顆粒密實度的文章，提出了在高質(zhì)量混凝土中選擇合適骨料的可能性，并研究了硬化水泥漿體的孔隙與混凝土抗壓強度的關(guān)系[3]。20世紀(jì)20年代有學(xué)者提出了最大密實度理論[4]，認(rèn)為應(yīng)使混凝土的集料所占據(jù)的相對體積盡可能的多，集料之間的空隙由具有一定水膠比的漿體填充。研究集料和漿體之間的最密實度填充狀態(tài)，有利于優(yōu)化混凝土的配合比設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，陸續(xù)有學(xué)者提出了混凝土顆粒堆積密實度的數(shù)學(xué)模型。

經(jīng)典的顆粒堆積理論包括不連續(xù)尺寸顆粒和連續(xù)尺寸顆粒的分布堆積兩種情況[5]。不連續(xù)尺寸顆粒堆積理論的代表人物有Furans、Westman和Hugill。Furans認(rèn)為當(dāng)小顆粒恰好填入大顆粒的間隙時就形成最緊密堆積，如果有3種尺寸的顆粒，中顆粒應(yīng)恰好填入粗顆粒的間隙中，細顆粒填入中、粗顆粒的空隙，并由此可推及到多種顆粒的情形。Furans提出的模型較為成功地應(yīng)用于具有兩種顆粒級配的體系，他認(rèn)為對具有兩種顆粒的體系，粉料得到最緊密堆積時，細顆粒的體積百分含量應(yīng)為：

式中，ff為細顆粒體積百分?jǐn)?shù)，rf為細顆粒的相對密度，rc為粗顆粒的相對密度。一般情況下，ff值取30%~40%時，達到最緊密堆積。

Westman和Hugill以不連續(xù)尺寸顆粒的堆積理論為基礎(chǔ)，計算多尺寸顆粒的最大堆積因子，他們以顆粒的單分散中的氣孔分?jǐn)?shù)（VF）為出發(fā)點，其計算以表觀體積Va為基礎(chǔ)。Westman和Hugill給出以下定義：

式中PF即為堆積因子。Westman和Hugill認(rèn)為，當(dāng)粗細顆粒間的尺寸比足夠大時，會有以下結(jié)論：第一、當(dāng)組成接近100%粗顆粒時，混合物的表觀體積由粗顆粒決定，細顆粒填入粗顆粒的空隙，并不占有容積；第二、當(dāng)組成接近100%細顆粒時，細顆粒形成氣孔并在粗顆粒周圍，混合物的表觀體積為細顆粒的表觀體積和粗顆粒實際體積之和。Westman和Hugill給出了多尺寸顆?；旌衔锉碛^體積計算的數(shù)學(xué)方程：

式中：ai為單分散中第i尺寸顆粒的表觀體積，xi為第i尺寸顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Vai為根據(jù)第i尺寸顆粒所計算的表觀體積，m為顆粒尺寸數(shù)，Va是Vai的最大值，即m個尺寸顆?；旌衔锏谋碛^體積。僅需知道兩個參數(shù)就可以根據(jù)以上方程計算混合物的表觀體積或氣孔率，即組分的表觀體積ai和質(zhì)量分?jǐn)?shù)xi。在此之后，密實度模型有了很大的發(fā)展。模型從簡單的只考慮圓形顆粒、兩到三種顆粒粒徑且互相不影響的體系到多種粒徑、連續(xù)級配且相互影響體系，如1967年的Aim和Coff模型、1976年的Toufar模型，1986年Stovall線性模型(LPDM)和Dewar模型和1999年的Larrard的可壓縮模型(CPM)等[6]。

Andreaesen是經(jīng)典的連續(xù)堆積理論的主要倡導(dǎo)者[5,7]，他不贊成利用基于等徑顆粒混合物的理論可計算實際混合物的堆積因子的思想，而試圖把顆粒分布描述為分布形式總是相同的，即“統(tǒng)計類似”，即使加入越來越粗的顆粒也是如此，所加入的大顆粒的體積總是細粉總量的恒定分?jǐn)?shù)。表達這種尺寸關(guān)系的方程為:

式中CPFT對應(yīng)粒徑D的篩下百分?jǐn)?shù)；DL為最大顆粒粒徑；n為分布模數(shù)。這一方程描述了含有無限小尺寸的顆粒，顯然這在實際系統(tǒng)中是不可能的，Andreaesen認(rèn)為如果最小顆粒的尺寸是有限小或是某個無限小的尺寸，其結(jié)果并無顯著區(qū)別。Andreaesen的另一結(jié)論是，各種分布的氣孔率隨分布模數(shù)n的減小而下降，根據(jù)其實驗結(jié)果，為使實際分布的氣孔率最小，n的最佳值應(yīng)在0.33~0.55范圍內(nèi)。

20世紀(jì)70年代，Dinger和Funk[5]通過在分布中引入有限小最小顆粒尺寸DS對Andreaesen方程進行了修正。假設(shè)當(dāng)D=DS時，CFPT=0，當(dāng)D=DL，CFPT=100，則公式為：

通過計算機模擬，Dinger等指出，當(dāng)n為0.37時，體系可以獲得最小的孔隙率。經(jīng)過分析可以發(fā)現(xiàn)：對于超細粉體，Andersen方程和Dinger方程基本上是一致的。而Andersen方程的形式簡單，計算方便，應(yīng)用較多。

關(guān)于最佳堆積密度的顆粒分布問題，一些學(xué)者主張使用上世紀(jì)90年代初Fuller和Thompson[8]提出理想篩析曲線，簡稱Fuller曲線。Fuller曲線原本是計算粗集料的，Ulrich Hinze等[9]一些學(xué)者指出Fuller和Thompson提出的顆粒分布規(guī)律，可以應(yīng)用于細粉部分。后來Hummel和Wesche等學(xué)者對此式進行了修訂：

式中X為各分級篩孔尺寸或分級粒徑（μm）；M為一指數(shù)，視集料顆粒形狀特性而定，礫石類集料取0.4。上式用作水泥顆粒分布的理想篩析曲線，并且依此可對水泥、砂漿及混凝土的堆積狀況進行評價。

2 水泥基膠凝材料顆粒級配效應(yīng)的研究

在水泥工業(yè)生產(chǎn)和水泥實際應(yīng)用中，水泥粒度分布問題早已經(jīng)引起人們的關(guān)注。粒徑分布對水泥漿體的結(jié)構(gòu)和性能有很大的影響，它決定著水泥漿體的堆積密度、水泥水化速度和水化產(chǎn)物的生成量。早在1968年Tpalin[10]提出顆粒分布在水泥水化模型中的重要作用，指出水泥的顆粒分布對水泥和混凝土性能都有很大影響。Powers強度理論認(rèn)為，水泥漿體的強度決定于已生成水化產(chǎn)物的量。水泥的強度與水泥的水化程度有直接的關(guān)系，水泥水化越快，水化產(chǎn)物越多。大量的水化產(chǎn)物填充孔隙并相互粘結(jié)，使得微裂紋和孔隙率減小，提高水泥的強度。硬化水泥漿體的強度與孔結(jié)構(gòu)和孔隙率有關(guān)[11,12]，粒度分布對強度的影響主要體現(xiàn)在粉體原始堆積密度和水化速率兩個方面，最終體現(xiàn)為對水泥石孔隙率的影響。在一定的范圍內(nèi)，較寬的顆粒分布有利于提高堆積密度，而顆粒均勻分布有利于加大水化速度和提高水化程度。從減小孔隙率的角度來看，應(yīng)綜合考慮這兩個方面的作用。

2.1 水泥熟料粒徑分布對其水化性能的影響

硅酸鹽水泥是由硅酸鹽水泥熟料和少量石膏組成，其中石膏摻量很小，一般在5%以下。因此硅酸鹽水泥可以被看做膠凝組分為水泥熟料的一元體系，熟料粉的顆粒分布可以近似代表硅酸鹽水泥的顆粒分布。Kuhlmann等[13]認(rèn)為硅酸鹽水泥的比表面積增加，其硬化速度加快，增加水泥細粉顆粒含量對提高早期強度比對提高28天強度效果明顯。將熟料粉顆粒分為0~3μm、3~25μm、25~60μm和大于60μm等4個粒級，各粒級的顆粒對各齡期強度的作用不同，0~3μm的細顆?？色@得特別高的1d強度，3~25μm的顆?？色@得很高的90d強度，這兩部分幾乎獲得相同的28d強度。25~60μm的粗顆粒到28d時也只獲得較低的強度，只有到90d以后，25~60μm的粗顆粒才獲得0~3μm的細顆粒所達到的強度；一方面，早期強度的獲得要靠0~3μm的細顆粒水化來獲得；另一方面，要獲得較高的28d強度，較高的3~25μm的顆粒含量是非常必要的。S. Tsivilis等[14]又進一步明確提出，水泥中3~30μm的顆粒對強度起主要作用，其重量比例應(yīng)占65%以上，尤其是16~24μm 的顆粒更應(yīng)多些，小于3μm的顆粒含量應(yīng)小于10%。

Zhang等[15,16]在水泥顆粒分布或比表面積與其強度的關(guān)系方面做了大量的研究，運用經(jīng)驗回歸模型能夠通過顆粒分布和比表面積預(yù)測強度的發(fā)展，也指出水泥的強度主要是受3~30μm顆粒的影響，尺寸大于60μm的顆粒只起到了“填充”效應(yīng)，對水泥強度的發(fā)展沒有貢獻。Celik[17]通過對硅酸鹽水泥顆粒進行選粉試驗，得出0~5μm細顆粒對3d強度有較大影響，在水化后期，強度的發(fā)展受較粗顆粒的影響比較細顆粒的大，增加水泥粉體中0~20μm顆粒含量能明顯提高28d強度。關(guān)于水泥粒徑分布對其強度影響的研究很多[18,19]，普遍認(rèn)為水泥中小于3μm的細顆粒對3d強度起主要作用，>60μm的粗顆粒對水泥強度幾乎無貢獻，中間顆粒對強度的增長起主要作用；較理想的粒度分布應(yīng)是小于3μm的占10%以下，3~32μm占65%~70%，32~45μm的占10%左右，大于45μm的占6%~8%。水泥顆粒的分布盡量控制在幾個不同的范圍內(nèi)，且每一范圍顆粒越集中，對水泥強度越為有利。

水泥的細度、粒度分布和礦物組成對水泥的性能都有較大的影響。水泥熟料顆粒越小，與水反應(yīng)的表面越大，水化反應(yīng)速度越快，有利于水化產(chǎn)物的形成；同時熟料顆粒越小，水滲透到顆粒中心所需要的時間短，水化程度提高，有利于充分發(fā)揮熟料的膠凝性能[20]。Torben Kundsen[21]指出，在水泥的顆粒分布中，最細顆粒的反應(yīng)狀態(tài)和最粗顆粒的反應(yīng)狀態(tài)有很大的區(qū)別，當(dāng)細顆粒已經(jīng)完全反應(yīng)，粗顆粒只有很低的水化程度。并認(rèn)為水泥顆粒水化的過程中總存在著水化程度的分布，提出硅酸鹽水泥的水化分布模型。創(chuàng)建了一個硅酸鹽水泥的水化發(fā)展的數(shù)學(xué)公式：t0+t1A+t2A2=t（時間t0、t1，t2是依溫度、水泥品種、添加劑等變化的時間常數(shù)，A是水化率）。Fngione[22]首先用數(shù)學(xué)的方法證明了在相同的比表面積時，水泥顆粒分布均勻一致的體系，其水化速度和強度總是大于非均勻體系。許仲梓[23]在 Fngione工作的基礎(chǔ)上，從數(shù)學(xué)上證明了當(dāng)比表面積相同時，水泥顆粒越均勻，則水泥水化越快，水泥漿體的強度也愈高。

水泥的顆粒大小不同，其化學(xué)成分及礦物組成各異，周棠森[24]從不同粒徑水泥的化學(xué)分析結(jié)果及計算礦物組成和率值說明，隨著粒徑的減小，其C3S含量遞增，KH值相應(yīng)升高，而C2S含量隨之下降，C4AF含量亦有下降趨勢。由于C3S和C2S含量是影響水泥強度的主要組成，C3S對早期強度的作用遠高于C2S。因此，不同顆粒組成的相同水泥，其強度的發(fā)揮，不僅取決于其顆粒組成，而且由于顆粒組成的變化導(dǎo)致其化學(xué)組分及礦物組成的差異，這也是影響其強度高低的重要原因。

2.2 混合材的粒度分布對水泥基膠凝材料性能的影響

目前國內(nèi)外公認(rèn)水泥粉體性能最佳顆粒級配比例是：3~32μm 顆粒含量不低于65%，小于3μm顆粒不超過10%，減少大于64μm顆粒。而符合粉體緊密堆積的Dinger-Funk方程要求小于3μm顆粒在22%左右，大于64μm顆粒含量在25%左右。目前，微細填料已成為水泥石基體不可缺少的主要組分之一，為了實現(xiàn)最佳堆積密度，一般是在水泥中加入適量礦物摻合料微細粉。微細粉添加料可起到以下作用：

第一，填充作用：填料分活性和惰性兩種，他們都應(yīng)有足夠的細度，用來填充大顆粒之間的空隙，達到減水的效果，使膠凝材料體系形成緊密堆積，并使水泥漿體結(jié)構(gòu)致密化和均勻化[25]。

第二，水化晶核的作用：若惰性填料很細，能起到一定的反應(yīng)晶核作用，加速水泥初期水化進程。

第三，減少集料邊緣區(qū)的空隙含量：加入高度磨細的填料首先便能提高集料周圍的粉體含量，降低空隙率。在水泥水化過程中容易在集料表面富集多余的水，鈣礬石和Ca(OH)2。早期硅酸鈣的水化產(chǎn)物很小，約為水泥平均粒徑的1/1000，在納米范疇。而Ca(OH)2和鈣礬石的晶體要大數(shù)倍或十幾倍，他們不僅加大了晶體之間的空隙，在受力時還成了容易相互錯位的滑面，降低強度。若加入的活性填料有足夠的細度，便能很快與多余的水和Ca(OH)2反應(yīng)成水化硅酸鈣，降低了集料周圍的空隙率，增強了集料與基體的膠結(jié)[26]。

管宗甫等[27]對礦渣、粉煤灰等幾種水泥常用混合材進行研究得出，對混合材進行磨細處理可以提高混合材的活性，促進早期水化；其中小于18μm顆粒對提高活性起著重要作用。陳立軍[28]通過研究認(rèn)為，摻磨細混合材的水泥具有優(yōu)良的力學(xué)性質(zhì)和較特殊的水泥顆粒級配，在比表面積相同的情況下，復(fù)合水泥顆粒含量在8~24μm和32~48μm兩個范圍內(nèi)的分布相對較多時，水泥強度相對較高。趙鴻勝[29]利用灰色理論研究了摻不同細度的煤矸石對煤矸石復(fù)合水泥強度的影響，指出小于10μm的煤矸石顆粒對煤矸石水泥強度增長有積極貢獻。Mehta[30]通過實驗得出粉煤灰的粒度分布是影響其活性的最重要的因素之一，其活性正比于小于10μm顆粒含量，反比于大于45μm顆粒含量。蔣永惠等[31]對粉煤灰顆粒分布作了研究得出，粉煤灰中10~20μm的顆粒對粉煤灰復(fù)合水泥強度的貢獻最大，是影響水泥強度的關(guān)鍵因素，而小于30μm的顆粒與水泥強度的關(guān)聯(lián)度都很大，隨著粉煤灰中大于30μm顆粒含量的增加，粉煤灰水泥強度逐漸的降低；從提高強度考慮，在尋求粉煤灰中最佳顆粒級配時，應(yīng)該盡量提高10~30μm顆粒含量，限制小于10μm和30~45μm顆粒含量，減少大于45μm顆粒含量。張永娟等[32]通過分析礦粉粒度分布對礦渣復(fù)合水泥各齡期強度的影響，指出礦粉粒度分布對礦渣水泥各齡期強度有較明顯的影響，礦粉小于3μm顆粒含量對礦渣復(fù)合水泥漿體3d強度影響最大。

黃瑩等[33]研究了粉煤灰摻量和細度對水泥凝結(jié)時間的影響，指出粉煤灰摻量的增加對水泥的凝結(jié)時間有明顯延緩作用，并且凝結(jié)時間隨著粉煤灰摻量的增加而延長得越多。在摻有減水劑的水泥中，這種現(xiàn)象更為顯著；粉煤灰細度對水泥的凝結(jié)時間沒有明顯的延緩作用，特別是大水膠比時，粉煤灰的細度對水泥的凝結(jié)時間基本無影響，但不同細度的粉煤灰對標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量有很大影響。

礦物摻合料與水泥熟料的顆粒搭配對水泥基膠凝材料粉體的堆積密度有重要的影響。運用緊密堆積理論，優(yōu)化水泥與充填材料之間的粒度分布，可使材料顆粒之間的孔隙大大減小，從而降低水灰比，提高水泥漿體的整體性能。很多研究者已經(jīng)研究了顆粒分布對水泥基材料堆積密度的影響和相應(yīng)漿體的性能。De Larrard 等[34]用線性模型研究了水泥、石灰石填料和硅灰混合體的密度，并得出硅灰的最佳摻量為膠凝材料的20%~25%。牛全林等[35,36]用Horsfield模型和Andreasen方程定量計算水泥緊密堆積中超細粉的數(shù)量，指出在普通細度的水泥中添加比表面積為800m2/kg的超細礦粉，混合粉體的粒徑分布狀況與最緊密堆積方程要求仍有較大差距，混合粉體仍無法達到最緊密的堆積狀態(tài)，建議添加適宜摻量的硅灰填充混合粉體的剩余孔隙，可進一步降低孔隙率。Peng等[37]采用最小需水量法研究了超細粉煤灰、鋼渣和硅灰對水泥基材料二元體系、三元體系和四元體系堆積密度的影響，指出雙摻或多摻粒徑分布相差較大的礦物摻合料可減少水泥最小需水量，降低孔隙率。沈業(yè)青[38]采用機械壓力法制備硅灰復(fù)合水泥壓實體，并通過流體吸收法測試了硅灰復(fù)合水泥壓實體空隙率和流體吸附系數(shù)，結(jié)果表明：在水泥中摻入適量的硅灰能增加水泥壓實體的堆積密度。

合理的水泥粒徑分布可使細顆粒填入粗顆粒的孔隙之中，不僅能提高水泥漿體的原始堆積密度，當(dāng)細顆粒填入粗顆粒孔隙中時，也能將原來占據(jù)孔隙的水?dāng)D出，這部分水對水泥漿體的流動性沒有貢獻。張永娟等[39]根據(jù)Dinger-Funk方程得出粉煤灰水泥粉體最緊密堆積顆粒分布，結(jié)果表明：當(dāng)粉煤灰水泥粉體實際顆粒分布與最緊密堆積顆粒群接近程度越大時，相應(yīng)粉煤灰復(fù)合水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量越少，膠砂抗壓強度發(fā)展越理想。合理的粒徑分布可以在保持水泥漿體相同流動度的情況下減少水灰比。

黃新等[40]通過測定復(fù)合水泥各組分的粒徑分布、測定和計算復(fù)合水泥的堆積密度和水泥砂漿的強度，指出水泥石強度并不一定隨著水泥細度的增加、組分水化活性的提高而提高。水泥顆粒越細，水化活性越高，同時體系的堆積密度越低；相反提高粒徑，增加堆積密度也要犧牲水化活性。復(fù)合水泥的最佳粒徑分布應(yīng)該使體系的堆積密度和水泥顆粒的水化活性相匹配，使體系獲得盡可能大堆積密度，同時所產(chǎn)生的水化產(chǎn)物足以完全填充原始孔隙率。在水泥中摻入不同粒徑分布的礦物摻合料，可以調(diào)整水泥熟料粉體的顆粒級配，使混合粉體具有緊密堆積結(jié)構(gòu)，優(yōu)化復(fù)合水泥粉體的活性組分、含量和細度，調(diào)控其各組分膠凝反應(yīng)的進程、水化放熱過程和強度發(fā)展過程，最終可以減少孔隙率、改善水泥漿體的微觀結(jié)構(gòu)。

3 水泥粉體的微細化及其填充礦物摻合料的可行性分析

在復(fù)合水泥中，不同組分的獲取成本不同，水化活性不同、起的作用也不同。水泥熟料與水作用生成的水化產(chǎn)物是水泥產(chǎn)生膠凝性的根本原因，水泥表現(xiàn)出來的物理性能與當(dāng)時水化體中的水化物數(shù)量和形態(tài)有關(guān)，水泥熟料顆粒的水化程度決定水泥膠凝性的發(fā)揮。隨著水泥水化的進行，各礦物從表面與水相互作用而溶解，形成水化產(chǎn)物的過飽和溶液，從溶液中不斷析出新生物，水泥顆粒逐漸被C-S-H凝膠覆蓋，反應(yīng)速度逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閿U散過程控制。水化速率取決于水分子擴散通過水化層的速率，服從滲透定律h=2t0.5(式中h是以μm為單位的水化深度，t是以d為單位的水化時間)，當(dāng)包裹層厚度達到25μm時，擴散非常緩慢，水化反應(yīng)趨于停止，大于32μm的水泥顆粒最終仍有未水化的內(nèi)核[41]。比表面積為300m2/kg的水泥，一年齡期的有效利用率僅為44%[42]，粗顆粒含量高的水泥不僅早期強度低并且造成了水泥熟料的極大浪費。

據(jù)國內(nèi)有關(guān)文獻可知，大部分礦物摻合料的水化程度有限[43,44]。粉煤灰在28d時，火山灰反應(yīng)程度為10%左右，到90d時，粉煤灰的反應(yīng)程度在20%左右[45,46]。在摻量和齡期相同的條件下，粉煤灰細度對其化學(xué)結(jié)合水量沒有顯著影響，粉煤灰細度對其活性的提高影響較小[47]?；钚暂^高的礦粉60d時水化程度為30%左右[48]。煤矸石和鋼渣等的水化活性也普遍偏低[49]。同時資料表明礦渣和鋼渣等礦物摻合料的易磨性較水泥差[50,51]。粉煤灰的易磨性比水泥熟料好，但是粉磨會破壞粉煤灰的球形顆粒，不能更好的發(fā)揮粉煤灰的滾珠效應(yīng)[52]。

將水泥熟料磨細，保證水泥熟料較高的水化程度，這不僅可以使付出了昂貴的能源、資源和環(huán)境代價獲得的水泥熟料能夠得以充分地利用，而且加快早期水化速度，彌補礦渣、粉煤灰早期強度低的不足，為水泥提供早中期強度。通過粉磨水泥熟料提高水泥強度的同時，水泥熟料粉磨過細會導(dǎo)致早期水化過快，一方面水化熱集中釋放，易誘發(fā)混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力而產(chǎn)生裂縫；另一方面還會使水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量增加，流變性能下降[53]。一般硅酸鹽水泥的顆粒粒徑分布要滿足高性能混凝土的工作性、強度與抗裂性的統(tǒng)一要求是比較困難的，而且對混凝土后期(28d后)強度增長的貢獻小，不夠理想。在水泥中摻入具有不同顆粒分布和活性的礦物摻合料可以調(diào)整水泥熟料粉體的顆粒級配，使混合粉體具有緊密堆積結(jié)構(gòu)，優(yōu)化復(fù)合粉體的活性組分、含量和細度，調(diào)控其各組分水化反應(yīng)的進程、水化放熱過程和強度發(fā)展過程[54]。為保證熟料有較高的水化程度及充分發(fā)揮熟料潛在活性，將熟料磨至30μm以下；為保證較高的堆積密度和適宜的水灰比，應(yīng)摻入一定量較粗的混合材顆粒。細顆粒水泥填充于輔助材料顆粒之間，水泥水化產(chǎn)物將輔助材料顆粒膠結(jié)，形成緊密的漿體結(jié)構(gòu)，由細顆粒水泥水化提供早期強度，輔助材料的火山灰反應(yīng)提供后期強度。由于細顆粒水泥水化快，有可能使復(fù)合水泥早期強度發(fā)展增快，提高復(fù)合水泥早期強度。同時由于水泥熟料用量減少，減少了C-S-H的生成量，且輔助材料顆粒在漿體中能起到限制收縮和降低水化熱作用，可能有效減少復(fù)合漿體的收縮，提高其體積穩(wěn)定性。

4 結(jié)論與展望

水泥細度及其顆粒分布日益受到水泥與混凝土工業(yè)的重視，尤其是顆粒分布對水泥基材料的許多主要性能，如強度、密實度、需水量和收縮等有較大的關(guān)系。

目前，水泥顆粒大小對水泥水化速率和強度的影響仍停留在粉磨細度和比表面積的變化上，應(yīng)進一步深入到機械力化學(xué)領(lǐng)域，從微觀結(jié)構(gòu)的變化觀察微細熟料顆粒機械力化學(xué)效應(yīng)的產(chǎn)生。需進一步對復(fù)合水泥漿體孔結(jié)構(gòu)、水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)、輔助膠凝材料與漿體界面結(jié)構(gòu)進行表征，闡明復(fù)合水泥漿體結(jié)構(gòu)與其力學(xué)性能及體積變形的本質(zhì)聯(lián)系，提出復(fù)合水泥漿體結(jié)構(gòu)的調(diào)控與優(yōu)化原理。深入研究水泥細粉對礦物摻合料的填充機理，建立水泥基材料最佳微細化及對礦物摻合料緊密填充的綜合評價體系。

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