熟料粒度分布與礦物組成對硅酸鹽水泥抗裂性的影響

開裂是現(xiàn)澆混凝土的頑癥，易誘發(fā)鋼筋銹蝕、隧道漏水等風險，直接影響混凝土結構的耐久性和服役壽命。針對混凝土開裂問題，許多學者做了大量研究。劉數(shù)華等研究發(fā)現(xiàn)摻入粉煤灰可以提高水工混凝土抗裂性；徐世烺等研究發(fā)現(xiàn)硅灰可以通過提高基體密實性，優(yōu)化孔結構，有效提高碾壓混凝土的抗裂性；林辰等研究發(fā)現(xiàn)摻入10%硅灰可以提高中強混凝土的抗拉強度。朱長華、王保江等借鑒國際內(nèi)養(yǎng)護技術，并復合保水、減縮組分，開發(fā)了高抗裂內(nèi)養(yǎng)護材料，成功解決了的蘭新線雙塊式無砟軌道道床板混凝土的開裂問題。MingLi等研發(fā)了水化溫升抑制劑，有效解決了隧道二襯混凝土早齡期開裂問題。采用上述措施，混凝土的開裂問題得到緩解，但沒有從根本上解決混凝土的開裂問題。作為配制混凝土的主要膠凝材料，硅酸鹽水泥的工作性能、水化性能、力學性能、干燥收縮性能對混凝土的抗裂性能影響極大?！禩hevisibleandinvisiblecrackingofconcrete》中也明確指出水泥是影響混凝土開裂的根本原因。GB175—2007《通用硅酸鹽水泥》中規(guī)定硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥的比表面積不小于300m2/kg，礦渣硅酸鹽水泥、火山灰硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥和復合硅酸鹽水泥的80μm方孔篩篩余量不大于10%或45μm方孔篩篩余量不大于30%；而報批版GB175—2020進一步限定了水泥細度，規(guī)定硅酸鹽水泥細度以比表面積表示，不低于300m2/kg，且不大于400m2/kg，普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥，粉煤灰硅酸鹽水泥、火山灰硅酸鹽水泥、復合硅酸鹽水泥的細度以45μm方孔篩篩余表示，不小于5%。明顯可以感受到，人們對水泥的認識發(fā)生了顯著改變，從以前的越細越好，逐漸轉變?yōu)橄拗扑嗉毝?，避免水泥過細造成其下端產(chǎn)品混凝土的抗裂性不良。同時，廉慧珍等也認為水泥細顆粒容易充分水化，產(chǎn)生更多的易于干燥收縮的凝膠和其他水化產(chǎn)物，影響混凝土的長期穩(wěn)定性能。除了水泥細度外，水泥熟料礦物組成對混凝土的抗裂性也具有較大的影響。王可良等對比研究了高貝利特水泥混凝土和普通硅酸鹽水泥混凝土的斷裂韌性和抗拉強度，發(fā)現(xiàn)高貝利特水泥混凝土界面過渡區(qū)厚度小，界面黏結強度高，抗拉強度高，起裂韌度和失穩(wěn)韌度高，抗裂性能好。WangL等對比研究了普通硅酸鹽水泥、中熱水泥和低熱水泥的收縮性能和抗裂性能，發(fā)現(xiàn)低熱水泥自收縮和干燥收縮小、抗裂性能好。綜上所述，硅酸鹽水泥細度和熟料礦物組成對水泥混凝土的抗裂性能影響較大。因此本文選擇了三種不同礦物組成的硅酸鹽水泥熟料，將其分別粉磨成三種粒度分布的熟料粉末，復配5%二水石膏，制備成硅酸鹽水泥樣品，系統(tǒng)探究熟料粒度分布與礦物組成對水泥工作性能、水化性能、力學性能、干燥收縮性能的影響，同時制備混凝土樣品，探究熟料粒度分布與礦物組成對混凝土抗裂性能的影響，以期為高抗裂硅酸鹽水泥的開發(fā)與制備提供參考。

1、試驗1.1原材料試驗采用了華新水泥股份有限公司、山東山水水泥集團有限公司和嘉華特種股份有限公司生產(chǎn)的硅酸鹽水泥熟料，熟料的化學成分及礦物組成見表1，其中熟料礦物組成由Bouge法計算而得。由表1可知：華新熟料C3S含量最高，山水熟料次之，嘉華熟料C3S含量最低；相應地，C2S含量呈現(xiàn)相反的變化趨勢，嘉華熟料C2S含量最高，山水熟料次之，華新熟料C2S含量最低。將三種硅酸鹽水泥熟料粉磨成三種不同粒度分布的熟料粉，并采用Mastersizer2000激光粒度分析儀測試熟料粉的粒度分布。熟料粉的粒度分布曲線如圖1所示。根據(jù)激光粒度儀測試結果，將熟料粉的特征粒徑、篩余量等粒度分布參數(shù)列于表2。試驗中進行標準稠度用水量、凝結時間、水化熱、力學性能、干燥收縮試驗的水泥樣品，均為95%硅酸鹽水泥熟料粉末和5%二水石膏混合而成，其樣品編號如表3所示。1.2測試方法參照GB/T1346—2011《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》測試水泥的標準稠度用水量和凝結時間。采用美國TA公司生產(chǎn)的TAMAir水化熱測量儀測試水泥的水化速率和水化放熱量，水泥水膠比為0.38，測試溫度為20℃。參照GB/T17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》測試水泥砂漿3d、7d、28d、56d、90d和120d的抗折強度和抗壓強度，并計算砂漿的強度增長率和折壓比。參照JC/T603—2004《水泥膠砂干縮試驗方法》測試水泥砂漿1d、2d、3d、7d、14d、28d、56d、90d和120d的干燥收縮。采用圓環(huán)約束收縮試驗評價混凝土的抗裂性。圓環(huán)約束收縮試驗裝置尺寸示意圖如圖2所示，圓環(huán)約束收縮試驗用混凝土配合比見表4，成型時控制不同組混凝土坍落度相同。圖2圓環(huán)約束收縮試驗裝置示意圖

2、結果與分析2.1熟料粒度分布與礦物組成對水泥工作性能的影響熟料粒度分布與礦物組成對水泥標準稠度用水量和凝結時間的影響如圖3所示。由圖3（a）可知，水泥的標準稠度用水量隨著熟料粒徑的減小，呈現(xiàn)增大的趨勢，而熟料的礦物組成對水泥的標準稠度用水量影響不明顯。由圖3（b）和圖3（c）可知，水泥的凝結時間隨熟料粒徑的減小，呈現(xiàn)減小的趨勢，隨著熟料中C3S含量的降低、C2S含量升高，呈現(xiàn)增大的趨勢。造成該現(xiàn)象的原因是，熟料粒徑越小，比表面積越大，達到相同流動度時，用水量越多；同時，比表面積越大，熟料水化活性越高，與水反應速率越快，相同時間內(nèi)產(chǎn)生的水化產(chǎn)物越多，因此初凝時間和終凝時間相應縮短。水泥標準稠度用水量是影響水泥與混凝土性能的重要因素之一，水泥標準稠度用水量每增加1%，配制相同流動性能混凝土的需水量將增加6~8kg/m3，而混凝土需水量高對抗裂性能不利，因此降低水泥標準稠度用水量對混凝土抗裂性能有利。2.2熟料粒度分布與礦物組成對水泥水化性能的影響熟料粒度分布與礦物組成對水泥水化速率和水化放熱量的影響如圖4所示。水泥水化熱測試結果見表5。由圖4和表5可知：當華新熟料粒徑減小時，水泥的水化誘導期由約2.5h降至1h左右，水化速率峰值由2.46mW/g提高至4.79mW/g，峰值出現(xiàn)時間由13.5h降至10.4h，縮短了3.1h，3d水化放熱量由235J/g增至344J/g，提高了109J/g，7d水化放熱量由271J/g增至363J/g，提高了92J/g；當山水熟料粒徑減小時，水泥的水化誘導期由約3h降至1.5h左右，水化速率峰值由1.60mW/g提高至3.43mW/g，峰值出現(xiàn)時間由15.6h降至13.5h，縮短了2.1h，3d水化放熱量由182J/g增至297J/g，提高了115J/g，7d水化放熱量由210J/g增至318J/g，提高了108J/g；當嘉華熟料粒徑減小時，水泥的水化誘導期由約8.5h降至2h左右，水化速率峰值由2.08mW/g提高至3.30mW/g，峰值出現(xiàn)時間由19.2h降至16.9h，縮短了2.3h，3d水化放熱量由178J/g增至230J/g，提高了52J/g，7d水化放熱量由215J/g增至258J/g，提高了43J/g。表5水泥水化熱測試結果由此可知，減小熟料粒度，縮短了水泥水化誘導期，提高了水化速率峰值，使峰值出現(xiàn)時間提前，同時提高了3d和7d水化放熱量。然而，熟料粒度改變對水泥水化影響程度受熟料礦物組成影響較大。當熟料中C3S含量較高時，熟料粒度變化對水泥水化誘導期影響程度較小，但對水化速率峰值和水化放熱量影響較大；當熟料中C2S含量較高時，熟料粒度變化對水泥水化誘導期影響程度較大，但對水化速率峰值和水化放熱量影響較小。混凝土抗裂性能與水泥水化放熱密切相關。尤其是對于大體積混凝土而言，混凝土內(nèi)部溫度過高容易誘發(fā)溫度應力產(chǎn)生從而導致混凝土開裂。因此，在制備抗裂硅酸鹽水泥時，熟料粒度不宜過細，建議D10控制在5μm以上，C3S含量不宜過高，建議控制在40%~60%。2.3熟料粒度分布與礦物組成對水泥力學性能的影響熟料粒度分布與礦物組成對水泥抗折強度和抗壓強度的影響如圖5所示。由圖5可知：當華新熟料粒徑減小時，水泥3d抗折強度可從3.2MPa增長至7.5MPa，抗壓強度從19.3MPa增長至45.9MPa；當山水熟料粒徑減小時，水泥3d抗折強度可從2.8MPa增長至6.5MPa，抗壓強度從13.8MPa增長至38.0MPa；當嘉華熟料粒徑減小時，水泥3d抗折強度可從2.4MPa增長至4.6MPa，抗壓強度從9.8MPa增長至20.1MPa。但是，華新熟料和山水熟料配制的水泥后期強度增長不明顯。華新細粒度熟料制備的水泥抗折強度增長率始終未超過20%，抗壓強度增長率在120d才到達50%；山水細粒度熟料制備的水泥抗折強度增長率120d也沒有超過50%，抗壓強度增長率始終低于100%。由此可知，當水泥熟料中C3S含量較高時，減小水泥熟料粒徑，水泥早期強度增長顯著，后期增長不明顯。圖5水泥抗折強度和抗壓強度同時，還發(fā)現(xiàn)嘉華細粒度熟料制備的水泥120d抗折強度增長率超過100%，120d抗壓強度增長率高達250%。由此可知，當熟料中C2S含量較高時，細粒度熟料在水化后期依舊具有較高的強度增長率。相關文獻表明，高C2S含量的水泥雖然早期強度不高，但后期強度仍能持續(xù)增。華新熟料和山水熟料中C2S含量相對較低，其制備的水泥120d抗壓強度最大增長率僅為200%和275%，而嘉華熟料制備的水泥120d抗壓強度最大增長率卻高達550%，試驗結果充分證明該觀點的正確性。綜上所述，水泥力學性能由水泥熟料礦物組成和顆粒尺寸共同決定，當熟料C3S含量較高時，減小熟料顆粒尺寸，有利于早期強度發(fā)揮，但后期強度增長幅度不大；當熟料中C2S含量較高，減小熟料顆粒尺寸，不僅能夠提高熟料早期強度，后期強度也能穩(wěn)定發(fā)展。熟料粒度分布與礦物組成對水泥折壓比的影響如圖6所示。由圖6可知，水泥熟料粒度分布和礦物組成對折壓比的影響較大，水泥的折壓比隨著水泥熟料粒徑減小而減小，隨水泥熟料中C3S含量降低、C2S含量升高而增大。水泥基材料的折壓比與其韌性有關，折壓比越小，說明水泥的韌性越差，脆性越高，抗裂性越差。因此在水泥制備過程中，應當控制水泥熟料礦物組成和粒徑在合理范圍內(nèi)，不能為了追求高強度而導致熟料C3S含量偏高、粒徑偏細，韌性降低，抗裂性不足。因此，為了保證水泥強度能夠滿足使用要求，在制備抗裂硅酸鹽水泥時，建議水泥熟料D10保持在5~7μm，D90在45μm左右，熟料中C3S含量維持在40%~60%，C2S含量維持在10%~30%。圖6水泥抗折強度和抗壓強度比值2.4熟料粒度分布與礦物組成對水泥干燥收縮性能的影響熟料粒度分布與礦物組成對水泥干燥收縮和失水率的影響如圖7所示。由圖7可知，水泥的干燥收縮和失水主要發(fā)生在28d之前，28d之后水泥的收縮和失水變化不明顯。同時還發(fā)現(xiàn)，除華新中粒度熟料制備的水泥干縮率小于粗粒度熟料制備的水泥樣品外，其他水泥樣品的干縮率均隨著水泥熟料粒徑的減小，呈現(xiàn)出增大的趨勢；水泥的失水率均隨著水泥熟料粒徑的減小，呈現(xiàn)減小的趨勢。雖然基體凝膠孔失水是引起干燥收縮的主要原因，但并不是所有孔隙失水均會引起體系收縮，只有5~50nm的凝膠孔失水才會引起系統(tǒng)收縮[17]。因此，試驗結果顯示，細粒徑熟料制備的砂漿雖然失水率小，但收縮很大，其原因是熟料顆粒尺寸小，水化活性高，生成的水化產(chǎn)物多，基體孔隙呈現(xiàn)小孔多、大孔少的分布狀態(tài)，因此細粒徑熟料制備的水泥表現(xiàn)出強度高、但干縮大的宏觀性能。試驗結果還顯示，嘉華熟料制備的水泥干縮率明顯小于華新熟料和山水熟料制備的水泥樣品，其28d至120d的干縮值始終維持在600~700με，該干縮值對提高混凝土抗裂性是十分有利的；值得關注的是，三種不同粒度分布的嘉華熟料，其對應的砂漿干縮率和失水率比較接近。熟料的干燥收縮也與熟料礦物組成密切相關。熟料中C3S含量高，C2S含量低，則早期水化速率快，水化產(chǎn)物多，引起系統(tǒng)失水收縮的小孔多，而水泥的失水主要發(fā)生在早期，導致的結果則是系統(tǒng)干縮增大。由于嘉華熟料本身早期水化活性不高，雖然減小熟料顆粒尺寸可以在一定程度上激發(fā)熟料的水化活性，但由于激發(fā)程度有限，因此導致嘉華熟料的顆粒尺寸發(fā)生變化時，砂漿的干縮變化不明顯。圖7水泥干燥收縮和失水率2.5熟料粒度分布與礦物組成對混凝土抗裂性能的影響不同粒度分布與礦物組成的水泥熟料制備的混凝土圓環(huán)約束收縮試驗結果如圖8所示。由圖8可知，山水粗粒度熟料和中粒度熟料、華新粗粒度熟料和中粒度熟料制備的混凝土圓環(huán)均未出現(xiàn)開裂情況，而華新細粒度熟料制備的混凝土圓環(huán)在30d左右出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。由此可知，水泥基材料的抗裂性能與熟料粒度分布和礦物組成密切相關。一方面，熟料C3S含量較高、粒徑較小時，水化速率較快，水化放熱量較高，容易導致混凝土因內(nèi)部溫度分布不均產(chǎn)生溫度應力，導致混凝土開裂；另一方面，熟料C3S含量較高、粒徑較小時，早期水化產(chǎn)物較多，水泥基材料內(nèi)部容易出現(xiàn)5~50nm的凝膠孔較多、大于50nm的凝膠孔較少的孔徑分布，而基體中5~50nm的凝膠孔的失水是導致基體發(fā)生干縮并產(chǎn)生開裂的主要原因。嘉華熟料制備的水泥干縮率小，適合制備抗裂硅酸鹽水泥。但是，該熟料中C