水泥熟料与辅助性胶凝材料的优化匹配

　　我国作为现今发展中的工业大国，随着科学技术的快速发展，其工业技术和规模还有待发展和创新。在工业工程当中，通过复合水泥初始浆体结构的优化和水化进程的优化匹配，实现了复合水泥浆体结构合理、有序形成和颗粒间“有效粘接”，在降低水泥熟料用量、提高辅助性胶凝材料（特别是低活性辅助性胶凝材料）掺量的同时，显著改善了复合水泥的强度、体积稳定性等性能。具体工作包括：研究了水泥熟料与辅助性胶凝材料粒度区间与组成、性能的关系。

　　

　　1　水泥熟料与辅助性胶凝材料的优化匹配原则高活性辅助性胶凝材料、水泥熟料和低活性辅助性胶凝材料或惰性填料应分别置于复合水泥的细（<8μm）、中（8~24μm）

　　

　　和粗粒度区间（>24μm）。在“区间窄分布，整体宽分布”颗粒级配模型和优化匹配原则的指导下，实验室内仅采用25%（体积分数）的水泥熟料制备了42.5 强度等级的复合水泥。该水泥浆体具有较低的需水量、较高的初始堆积密度和合理的水化进程，硬化浆体结构合理、有序形成并逐渐密实化。与硅酸盐水泥浆体相比，复合水泥浆体中剩余Ca（OH）2 量较少，C-S（A）-H 凝胶数量、未水化组分含量和总孔隙率相差不大，但有害大孔较少、无害孔较多，从而使复合水泥的早期和后期强度得到了显著提高。采用简化的颗粒级配模型（三区间）及在硅酸盐水泥中掺加粗、细辅助性胶凝材料的方法，均可不同程度地提高复合水泥的早期和后期强度。低熟料用量、高性能复合水泥具有良好的体积稳定性和耐久性，其主要原因是：（1）复合水泥的水化产物多为外部水化产物，引起的化学收缩较小，K~+、Na~+ 进入C-A-S-H 凝胶层间，水化产物层间结合力增强，从而提高了水化产物抵抗体积变形的能力。

　　

　　（2）水化早期少量水泥熟料水化，使浆体逐渐硬化（浆体结构形成），后期水化持续进行且速率较大（矿渣开始水化），大量水化产物填充于浆体孔隙中，使浆体结构较为均匀、密实，浆体内部应力较小且分布均匀，从而改善了复合水泥浆体体积稳定性和耐久性。

　　

　　2　水泥熟料与辅助性胶凝材料的优化匹配水泥熟料与辅助性胶凝材料的优化匹配研究，是改善复合水泥基材料性能、提高胶凝材料使用效率、降低水泥工业环境负荷的基础研究，也是水泥基材料领域研究热点和前沿领域。

　　

　　水泥熟料与辅助性胶凝材料的优化匹配，可分为：（1）物理方面，主要通过调整水泥熟料和辅助性胶凝材料的颗粒级配，提高复合水泥浆体初始堆积密度，减小水泥浆体初始孔隙率（该部分将在文章重点阐述和分析）。

　　

　　（2）化学方面，主要通过调整水泥熟料和辅助性胶凝材料的种类、粒度、掺量和配伍等，高效发挥高活性组分的胶凝性能，实现水泥浆体结构的合理、有序形成，孔隙得到逐渐、有效填充（该部分将在后文重点阐述和分析），最终在降低水泥熟料用量、提高辅助性胶凝材料掺量的同时，显著改善复合水泥的早期强度等性能。复合材料的强度理论认为，硬化水泥浆体强度一般不超过100MPa，远低于硅酸盐分子键的强度水平，说明水泥混凝土强度主要与其亚、微观结构有关。孔隙率是影响强度的决定性因素，减小孔隙率就意味着提高强度。利用紧密堆积理论与颗粒分布技术，将微细颗粒填充于胶凝材料浆体孔隙中，减小水泥浆体的初始孔隙率，提高颗粒间的范德华力，可达到改善水泥基材料宏观性能的目的。在这些致密材料中，胶凝材料的水化程度只有20%~50%，而强度却很容易达到200MPa，甚至超过600MPa，说明颗粒堆积状态对水泥基材料性能的影响非常大。关于水泥颗粒分布与性能的关系，国外学者和专家做了许多研究工作，在理论和实际应用中取得了许多成果，提出了一些堆积模型。国内学者和水泥生产、应用企业对水泥熟料和辅助性胶凝材料的颗粒级配认识和重视程度仍然不足，严重影响了辅助性胶凝材料在水泥、混凝土中的大规模、高效、科学应用。下面综述、分析颗粒堆积模型和水泥基材料颗粒级配理论，并介绍作者课题组在复合水泥颗粒级配方面的研究成果。

　　

　　3　颗粒级配模型的建立（1）按照Horsfield 模型（间断级配紧密堆积模型）的要求，假定胶凝材料颗粒的最大粒径为80μm，各级填充粒径应分别为33.12μm、18.00μm、14.16μm、9.28μm 和3.84μm。为便于操作，将各级填充粒径简化为63μm、32μm、16μm、6μm、3μm。

　　

　　（2）按照各级填充粒径，将胶凝材料划分为5 个区间，分别为0~4μm、4~8μm、8~24μm、24~45μm 和45~80μm。各区间颗粒分布应较窄，且集中于相应填充粒径的周围，以消除小颗粒填充过程中引起的“松动效应”及大颗粒填充过程中引起的“墙壁效应”，从而获得较高的堆积密度。

　　

　　4　结语复合水泥性能较差的本质原因为：颗粒级配较差；各胶凝组分水化效能较低。现有颗粒级配模型均不能够很好的适用于复合水泥体系；采用“区间窄分布，整体宽分布”颗粒级配模型，可显著提高复合水泥浆体的初始堆积密度，进而改善其性能；“区间窄分布，整体宽分布”颗粒级配模型可进一步简化，使其更加贴近水泥工业化生产，在降低复合水泥中熟料用量、高效利用胶凝材料、推动水泥工业节能减排、降低水泥生产成本等方面具有极大的潜力和前景。

　　

　　参考文献：[1] 乔龄山.水泥的最佳颗粒分布及其评价方法[J].水泥[2] 乔龄山.水泥颗粒特性参数及其对水泥和混凝土性能的影响[J].水泥[3] 乔龄山.关于水泥颗粒分布及其作用的部分研究成果介绍[J].水泥