水泥粒度分布特征及对其强度的影响

摘要 关于水泥颗粒分布对水泥性能影响:首先是研究熟料粒度分布对水泥强度的影响. 不同的颗粒分布对水泥的强度的作用不同.关于水泥的颗粒分布与水泥性能之间的相互关系,中外学者和专家作了许多工作和研究,提出了多种水泥堆积模型和相关理论。

关键词 硬化水泥石;堆积模型;孔隙率;水泥水化

1硬化水泥石的组成和结构

水泥石的强度取决于硬化水泥石的结构。硬化水泥石的孔结构和界面结构决定着其强度。水泥石强度随时间的变化最终归结为硬化水泥石的结构随时间的变化。硬化水泥石(砂浆)主要由水泥细集料(标准砂)、未水化的水泥熟料颗粒、水化水泥产物、水和少量空气,以及由水和空气占据的孔隙网组成,是由气、液、固组成的三相多孔体系^[1]。孔隙率对水泥石的强度有着决定性的影响,孔的其它属性(孔径、孔的分布、孔形与取向)对水泥石的强度也有影响。水泥石的孔隙率越小,强度越高。当孔隙率相同时,平均孔径小则强度高。各种孔径尺度对水泥石强度降低作用不同,大孔使水泥石强度降低多,而小于某一尺度的孔对强度影响很小,甚至无影响。

水泥基复合材料有许多不同层次的界面^[2],重点讨论水泥浆体同集料之间的界面,可以简单地将硬化水泥砂浆可以看作是由水泥浆体、细集料、浆体与集料之间界面区三相组成。界面区是水泥浆体与集料之间的过渡区,其结构与硬化水泥浆体和集料差别很大,是硬化水泥石结构中的薄弱环节。研究表明^[2],,界面区含有的CH晶体和钙矾石比基体多,CH晶体在集料周围定向分布,造成界面区比基体多孔、结构不均匀。界面区还存在孔隙率变化梯度,孔隙率随着离集料表面距离的增大而降低。内泌水和水泥颗粒有效堆积的”墙壁”效应是导致界面区特殊组成和微结构的主要原因。增加界面区的CSH凝胶的含量,减少界面区CH晶体、钙矾石和孔隙的数量,增加界面区的密实度,可以保证集料和基体之间的有效粘结,增加水泥石的强度。

硬化水泥石的结构与水泥浆体的初始结构有关,同时受水泥水化的影响。随着新拌水泥砂浆逐渐凝结,水泥试体逐渐失去流动性和可塑性。当水泥浆体达到终凝时,则完全失去流动性和可塑性而具有一定的机械强度,同时水泥浆体也转化成硬化水泥石。在硬化水泥石中,各固体颗粒的相对位置一定,颗粒之间只能发生相对位置移动而不能发生颗粒间的位置交换。也就是说,固体颗粒组成的空间结构是相对稳定的。随着水泥水化的进行,水泥石的体积逐渐减小,固体颗粒之间相互靠近。水泥的水化产物一部分在颗粒表面沉积,使固体颗粒逐渐变大,造成固体颗粒间相互粘连、挤压,另一部分则堆积在颗粒间的孔隙中。这都减小了水泥石的孔隙率,增加了水泥石的密实度,也就增大了水泥的强度。

从对硬化水泥石结构的影响方面,探求形成低孔隙率的高强度水泥石,从水泥颗粒的原始堆积状态、水化产物的密实填充等作用,将水泥颗粒分布对水泥石强度的影响概括为最紧密堆积模型、最快水化速度模型和水化速度与堆积综合模型。

2最紧密堆积理论

硬化水泥石的结构与水泥浆体的初始结构有关^[3],同时受水泥水化的影响。随着新拌水泥组分的水化和凝结,水泥浆体逐渐失去流动性和可塑性。当水泥浆体达到终凝时,则完全失去流动性和可塑性而具有一定的机械强度,同时水泥浆体也转化成硬化水泥石。在硬化水泥石中,各固体颗粒的相对位置一定,颗粒之间只能发生相对位置移动而不能发生颗粒间的位置交换。也就是说,固体颗粒组成的空间结构是相对稳定的。随着水泥水化的进行,水泥石的体积逐渐减小,固体颗粒之间相互靠近。水泥的水化产物一部分在颗粒表面沉积,使固体颗粒逐渐变大,造成固体颗粒间相互粘连、挤压,另一部分则堆积在颗粒间的孔隙中。这都减小了水泥石的孔隙率,增加了水泥石的密实度,也就增大了水泥的强度。