黃法禮,王 振,易忠來,程 歡,溫家馨,袁政成,靳 昊,李化建

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

0 引 言

水泥復(fù)合膠凝材料體系的堆積密實(shí)度將直接影響新拌凈漿、砂漿、混凝土的工作性能以及硬化體的強(qiáng)度、耐久性能。李化建等[1-3]對(duì)比研究了不同細(xì)度碳酸鹽類摻合料對(duì)水泥基材料流動(dòng)性能和力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%～20%、顆粒D50在5～9 μm的碳酸鹽類礦物摻合料，可以發(fā)揮其密實(shí)填充效應(yīng)和晶核作用，顯著改善復(fù)合膠凝材料的流動(dòng)性能，提高水泥基材料早期抗壓強(qiáng)度和彈性模量。Muhd等[4]研究表明,納米高嶺土可以改善水泥基材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并將其改善機(jī)理歸結(jié)為納米高嶺土的物理填充作用和晶核作用。Sakai等[5]采用數(shù)值模擬的方法定量分析了不同細(xì)度石灰石粉-水泥復(fù)合材料堆積密實(shí)度，并用石灰石粉-水泥復(fù)合材料流動(dòng)性試驗(yàn)加以驗(yàn)證，結(jié)果表明,細(xì)小顆粒可以提高復(fù)合材料體系的堆積密實(shí)度，從而改善其流動(dòng)性能。喬齡山[6]曾用Fuller曲線評(píng)價(jià)我國(guó)水泥顆粒的粒度分布，結(jié)果表明水泥顆粒中細(xì)粉含量明顯偏低，偏離Fuller曲線較遠(yuǎn)。在水泥中添加礦物細(xì)摻料，能夠發(fā)揮其密實(shí)填充作用，提高水泥復(fù)合膠凝材料的堆積密實(shí)度，減少填充水量，達(dá)到改善新拌砂漿、混凝土工作性能，提高硬化砂漿、混凝土力學(xué)性能的目的。通常采用堆積密實(shí)度這一指標(biāo)評(píng)價(jià)礦物細(xì)摻料在水泥顆粒中的密實(shí)填充作用，目前表征水泥復(fù)合膠凝材料體系堆積密實(shí)度的方法較多，有Reschke理論計(jì)算法[7]、Andreasen方程-灰色關(guān)聯(lián)法[8-9]、Aim-Goff模型預(yù)測(cè)法[10]等理論方法，也有試驗(yàn)測(cè)定的方法，如采用微粉堆積密度測(cè)定儀直接測(cè)定的試驗(yàn)方法[11]，由于干燥狀態(tài)下粉體顆粒間的范德華力較大，不能很好地反應(yīng)水泥基膠凝材料的堆積密實(shí)度，德國(guó)工程師Puntke和法國(guó)路橋?qū)嶒?yàn)中心(LCPC)相繼分別提出了飽和點(diǎn)用水量法[12]和最小需水量法[13]的測(cè)試方法。為避免上述兩種方法試驗(yàn)終點(diǎn)判定誤差大的問題，Wong等[14-15]提出了濕法測(cè)試方法。考慮到水泥基膠凝材料在一定水膠比下的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，有學(xué)者提出了采用漿體性能間接評(píng)價(jià)膠凝材料體系堆積密實(shí)度的實(shí)驗(yàn)方法，如謝友均等[16]提出的漿體相對(duì)密度法以及陳改新等[17]提出的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量比法等試驗(yàn)方法。

綜上可見，用于表征水泥基膠凝材料堆積密實(shí)度的方法已發(fā)展至十余種，但它們之間的關(guān)聯(lián)性研究較少。本文采用微粉堆積密度測(cè)定儀法、Puntke飽和點(diǎn)用水量法、LCPC最小需水量法、漿體相對(duì)密度法、標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量比法5種方法定量分析了超細(xì)礦渣粉摻量對(duì)水泥-超細(xì)礦渣粉體系堆積密實(shí)度的影響，并對(duì)這5種試驗(yàn)方法測(cè)定結(jié)果與Reschke理論計(jì)算值、Andreasen方程-灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果、Aim-Goff模型預(yù)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥(C)：中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院生產(chǎn)的P·I 42.5水泥；超細(xì)礦渣粉(SL)：產(chǎn)自山東濟(jì)南。減水劑：天津雍陽外加劑廠生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑，固含量16%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。水泥和超細(xì)礦渣粉的主要物理參數(shù)如表1所示，粒度分布如圖1所示。

表1 水泥和超細(xì)礦渣粉主要物理參數(shù)Table 1 Main physical properties of cement and superfine slag powder

圖1 水泥和超細(xì)礦渣粉粒度分布曲線Fig.1 Particle size distribution curves of cementand superfine slag powder

1.2 試驗(yàn)方法

采用微粉堆積密度測(cè)定儀(見圖2)按照GB/T 20316.2—2006《普通磨料 堆積密度的測(cè)定 第2部分：微粉》[11]測(cè)定超細(xì)礦渣粉不同摻量下水泥-超細(xì)礦渣粉體系堆積密實(shí)度。設(shè)定振動(dòng)導(dǎo)槽底部的上邊沿至測(cè)量筒底部的距離為140 mm，漏斗下端面與振動(dòng)導(dǎo)槽底面間的距離為8 mm，波形選擇為半波。體系堆積密實(shí)度按式(1)計(jì)算。

(1)

式中：φ為堆積密實(shí)度；M為裝滿微粉的測(cè)量筒的質(zhì)量，g；M0為測(cè)量筒的質(zhì)量，g；V為測(cè)量筒的容積，mL；ρC為水泥的表觀密度，g/cm3；ρSL為超細(xì)礦渣粉的表觀密度，g/cm3；ωC,V為水泥的體積分?jǐn)?shù)，%；ωSL,V為超細(xì)礦渣粉的體積分?jǐn)?shù)，%。

圖2 微粉堆積密度測(cè)定儀Fig.2 Powder packing density tester

參照Puntke飽和點(diǎn)用水量法[12]測(cè)定超細(xì)礦渣粉不同摻量下水泥-超細(xì)礦渣粉體系堆積密實(shí)度。測(cè)試方法如下：將試樣在(105±5) ℃下烘干至恒重，準(zhǔn)確稱取50 g混合試樣置于容積約200 mL的平底盛料杯中，緩慢向盛料杯中加水并用玻璃棒拌和均勻后充分振實(shí)，直至振實(shí)后試樣表面已展平并呈現(xiàn)光澤，此時(shí)的用水量稱為飽和點(diǎn)用水量。體系堆積密實(shí)度按式(2)計(jì)算。

(2)

式中：φ為堆積密實(shí)度；ρ為試樣的表觀密度，g/cm3；M為飽和點(diǎn)用水量，g；MCM為膠凝材料的質(zhì)量，g。

參考LCPC提出的最小需水量法[13]測(cè)定超細(xì)礦渣粉不同摻量下水泥-超細(xì)礦渣粉體系堆積密實(shí)度。測(cè)定方法為：準(zhǔn)確稱取40 g水和7 g高效減水劑，將減水劑和約1/2的拌和水混合，攪拌均勻后加入攪拌鍋中，然后將剩余的拌和水分2次反復(fù)沖洗盛裝減水劑的容器并全部加入鍋中。準(zhǔn)確稱取總質(zhì)量為350 g的膠凝材料混合料并加入拌和水中，加入過程中應(yīng)避免拌和水及膠凝材料濺出。將攪拌鍋放置于鍋?zhàn)?，升至攪拌位置，啟?dòng)攪拌機(jī)，低速攪拌120 s后高速攪拌，并用滴管逐漸向攪拌鍋中加水，直至攪拌鍋中拌和物呈現(xiàn)球形。停止攪拌15 s，同時(shí)將葉片和鍋壁上的漿體刮入鍋中，再高速攪拌并用滴管向攪拌鍋中逐滴加水，直至拌和物呈現(xiàn)平坦均勻的漿體，全部用水量即為漿體最小需水量MW。攪拌過程中應(yīng)避免拌和水及膠材濺出，整個(gè)攪拌過程控制在6～8 min。體系堆積密實(shí)度按式(3)計(jì)算。

(3)

式中：φ為堆積密實(shí)度；ρ為試樣的表觀密度，g/cm3；MW為漿體最小需水量，g；MCM為膠凝材料的質(zhì)量，g。

采用漿體相對(duì)密度[16]指標(biāo)評(píng)價(jià)超細(xì)礦渣粉不同摻量下水泥-超細(xì)礦渣粉體系堆積密實(shí)度。方法如下：設(shè)定水膠比為0.22，減水劑摻量為膠凝材料總質(zhì)量的2%。按照GB/T 1346—2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安全性檢驗(yàn)方法》制備漿體試樣。將制備好的漿體立即倒入200 mL平底盛料筒中，用刮刀插搗10次后輕輕振動(dòng)10次，再用鋼尺從盛料筒開口端中間往兩邊各刮一次清除高出的漿體，用毛巾清理干凈附著在盛料筒外壁上的拌和物，測(cè)定拌和物的質(zhì)量M0。漿體相對(duì)密度按式(4)計(jì)算。

(4)

式中：d為漿體相對(duì)密度；ρ為試樣的表觀密度，g/cm3；MXB為200 mL新拌水泥復(fù)合膠凝材料漿體質(zhì)量，g；V0為盛料筒的容積，200 mL。

采用標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量比[17]評(píng)價(jià)超細(xì)礦渣粉不同摻量下水泥-超細(xì)礦渣粉體系堆積密實(shí)度。方法如下：按照GB/T 1346—2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安全性檢驗(yàn)方法》測(cè)定超細(xì)礦渣粉不同摻量下水泥-超細(xì)礦渣粉體系的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量。標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量比按式(5)計(jì)算。

(5)

式中：ξ為標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量比；N為混合體系標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量，g；X為水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度的用水量，g；Y為超細(xì)礦渣粉標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量，g；ωC，m為水泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；ωSL,m為超細(xì)礦渣粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

2 結(jié)果與討論

圖3是微粉堆積密度測(cè)定儀法、Puntke飽和點(diǎn)用水量法、LCPC最小需水量法測(cè)定的堆積密實(shí)度隨超細(xì)礦渣粉摻量的變化情況。由圖3可見，在試驗(yàn)測(cè)定范圍內(nèi)，隨著超細(xì)礦渣粉摻量增加，微粉堆積密度測(cè)定儀測(cè)得的水泥-超細(xì)礦渣粉體系堆積密實(shí)度逐漸減小。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因:一是大顆粒的阻礙作用,水泥顆粒表面粗糙，粒形不規(guī)則，顆粒之間的空隙通常較小，礦物細(xì)摻料在進(jìn)入水泥顆粒間的空隙過程中受阻礙；二是小顆粒粒徑發(fā)生虛假變化,由于超細(xì)礦渣粉比表面積大、比表面能高，顆粒間易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，形成二次粒子，改變了顆粒尺寸，導(dǎo)致其密實(shí)填充性能降低。受以上兩方面因素的影響，微粉堆積密度測(cè)定儀不適用于測(cè)試膠凝材料體系堆積密實(shí)度。

圖3 超細(xì)礦渣粉摻量對(duì)體系堆積密實(shí)度的影響Fig.3 Effect of superfine slag powder contenton packing density of system

Puntke飽和點(diǎn)用水量法和LCPC最小需水量法測(cè)得的水泥-超細(xì)礦渣粉體系堆積密實(shí)度隨超細(xì)礦渣粉摻量增加而增大。當(dāng)摻量為20%(體積分?jǐn)?shù)，下同)時(shí)，體系堆積密實(shí)度達(dá)到最大。此后，進(jìn)一步增大超細(xì)礦渣粉摻量，體系堆積密實(shí)度逐漸減小。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：當(dāng)超細(xì)礦渣粉摻量較小時(shí)，超細(xì)礦渣粉填充在水泥顆粒間的空隙中，起到提高體系堆積密實(shí)度的作用；當(dāng)超細(xì)礦渣摻量大于填滿水泥顆粒間空隙需求量時(shí)，水泥顆粒會(huì)彼此分離，從而造成體系堆積密實(shí)度降低。

由圖3還可以看出，超細(xì)礦渣粉摻量對(duì)Puntke飽和點(diǎn)用水量法和LCPC最小需水量法測(cè)得的水泥-超細(xì)礦渣粉體系堆積密實(shí)度影響較小，即這兩種方式不能敏感地反映出體系堆積密實(shí)度的變化。此外，采用LCPC最小需水量法測(cè)得的堆積密實(shí)度比Puntke飽和點(diǎn)用水量測(cè)得的體系堆積密實(shí)度大，這主要是因?yàn)椴捎肔CPC最小需水量法測(cè)定體系堆積密實(shí)度時(shí)摻加了高效減水劑，釋放了絮凝結(jié)構(gòu)禁錮水并減少了顆粒表面水膜層的厚度，導(dǎo)致達(dá)到試驗(yàn)終點(diǎn)時(shí)用水量明顯減少，體系堆積密實(shí)度絕對(duì)值更大。

超細(xì)礦渣粉摻量對(duì)漿體相對(duì)密度的影響如圖4所示。由圖4可知，試驗(yàn)測(cè)定范圍內(nèi)，隨著超細(xì)礦渣粉摻量增加，復(fù)合漿體的相對(duì)密度逐漸增大，當(dāng)超細(xì)礦渣粉摻量超過20%時(shí)，漿體相對(duì)密度趨于平穩(wěn)，即超細(xì)礦渣粉摻量達(dá)到20%時(shí)，水泥-超細(xì)礦物粉體系的堆積密實(shí)度達(dá)到最大。

圖4 超細(xì)礦渣粉摻量對(duì)漿體相對(duì)密度的影響Fig.4 Effect of superfine slag powder content onpaste relative density

超細(xì)礦渣粉摻量對(duì)標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量比的影響如圖5所示。由圖5可知，隨著超細(xì)礦渣粉摻量增加，水泥-超細(xì)礦渣粉體系標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量比逐漸降低，當(dāng)超細(xì)礦渣粉摻量超過20%時(shí)，體系標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量比又逐漸上升。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：摻加超細(xì)礦渣粉后，體系堆積密實(shí)度增大，二元混合粉體達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)稠度時(shí)的需水量小于各粉體標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量的加權(quán)平均值，當(dāng)超細(xì)礦渣粉摻量過大時(shí)，體系堆積密實(shí)度逐漸減小，造成標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量比逐漸增大。以上試驗(yàn)結(jié)果表明，超細(xì)礦渣粉摻量20%時(shí)，體系堆積密實(shí)度最大，對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量比最小。當(dāng)超細(xì)礦渣粉摻量超過20%時(shí)，體系堆積密實(shí)度逐漸減小，對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量比逐漸增大。

圖5 超細(xì)礦渣粉摻量對(duì)標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量比的影響Fig.5 Effect of superfine slag powder content onwater requirement ratio of normal consistency

對(duì)比圖3～圖5可見，除微粉堆積密度測(cè)定儀方法外，Puntke飽和點(diǎn)用水量法、LCPC最小需水量法、漿體相對(duì)密度法、標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量比4種方法測(cè)試結(jié)果均顯示，當(dāng)超細(xì)礦渣粉摻量為20%時(shí)，水泥-超細(xì)礦物粉體系的堆積密實(shí)度最大，低于或高于該摻量，都會(huì)造成體系堆積密實(shí)度的降低。與Puntke飽和點(diǎn)用水量法和LCPC最小需水量法兩種方法相比較，漿體相對(duì)密度法和標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量比等方法對(duì)膠凝材料體系堆積密實(shí)度的變化更為敏感，更適用于表征膠凝材料體系的堆積密實(shí)度。

圖6給出了通過Reschke理論計(jì)算、Andreasen緊密堆積方程-灰色關(guān)聯(lián)分析、Aim-Goff模型預(yù)測(cè)得到的超細(xì)礦渣粉摻量對(duì)水泥-超細(xì)礦渣粉體系堆積密實(shí)度的影響。

由圖6可見，Reschke理論計(jì)算和Andreasen緊密堆積方程-灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果顯示，超細(xì)礦渣粉摻量為10%時(shí)，體系堆積密實(shí)度達(dá)到最大，與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值存在一定差異。與采用Puntke飽和點(diǎn)用水量法和LCPC最小需水量法等試驗(yàn)方法測(cè)定值相比，Reschke理論計(jì)算得到的水泥-超細(xì)礦渣粉體系堆積密實(shí)度比偏?。慌c采用漿體相對(duì)密度法和標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量比等試驗(yàn)方法測(cè)定值相比，Reschke理論計(jì)算得到的超細(xì)礦渣摻量對(duì)體系堆積密實(shí)度的影響敏感度更低。Aim-Goff模型預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，隨著超細(xì)礦渣粉摻量的增加，水泥-超細(xì)礦渣粉體系堆積密實(shí)度的變化規(guī)律與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果基本一致，且堆積密實(shí)度的變化也較為敏感，因此，建議采用Aim-Goff模型預(yù)測(cè)膠凝材料體系堆積密實(shí)度的變化規(guī)律。

圖6 超細(xì)礦渣粉摻量對(duì)體系堆積密實(shí)度的影響Fig.6 Effect of superfine slag powder content onpacking density of system

3 結(jié) 論

(1)采用不同測(cè)試或分析方法得到的水泥-超細(xì)礦渣粉體系堆積密實(shí)度差異較大，但水泥-超細(xì)礦粉體系堆積密實(shí)度隨超細(xì)礦渣粉摻量變化的趨勢(shì)基本一致。

(2)微粉堆積密度測(cè)定儀不適用于測(cè)試膠凝材料體系堆積密實(shí)度，漿體相對(duì)密度法和標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量比等方法對(duì)膠凝材料體系堆積密實(shí)度的變化更為敏感，更適用于表征膠凝材料體系的堆積密實(shí)度。

(3)Aim-Goff模型預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果基本一致，且堆積密實(shí)度的變化也較為敏感，建議采用Aim-Goff模型預(yù)測(cè)膠凝材料體系堆積密實(shí)度的變化規(guī)律。