熟料粒度分布与矿物组成对硅酸盐水泥抗裂性的影响

开裂是现浇混凝土的顽症，易诱发钢筋锈蚀、隧道漏水等风险，直接影响混凝土结构的耐久性和服役寿命。针对混凝土开裂问题，许多学者做了大量研究。刘数华等研究发现掺入粉煤灰可以提高水工混凝土抗裂性；徐世烺等研究发现硅灰可以通过提高基体密实性，优化孔结构，有效提高碾压混凝土的抗裂性；林辰等研究发现掺入10%硅灰可以提高中强混凝土的抗拉强度。朱长华、王保江等借鉴国际内养护技术，并复合保水、减缩组分，开发了高抗裂内养护材料，成功解决了的兰新线双块式无砟轨道道床板混凝土的开裂问题。MingLi等研发了水化温升抑制剂，有效解决了隧道二衬混凝土早龄期开裂问题。采用上述措施，混凝土的开裂问题得到缓解，但没有从根本上解决混凝土的开裂问题。作为配制混凝土的主要胶凝材料，硅酸盐水泥的工作性能、水化性能、力学性能、干燥收缩性能对混凝土的抗裂性能影响极大。《Thevisibleandinvisiblecrackingofconcrete》中也明确指出水泥是影响混凝土开裂的根本原因。GB175—2007《通用硅酸盐水泥》中规定硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的比表面积不小于300m2/kg，矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥的80µm方孔筛筛余量不大于10%或45µm方孔筛筛余量不大于30%；而报批版GB175—2020进一步限定了水泥细度，规定硅酸盐水泥细度以比表面积表示，不低于300m2/kg，且不大于400m2/kg，普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥，粉煤灰硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥的细度以45µm方孔筛筛余表示，不小于5%。明显可以感受到，人们对水泥的认识发生了显著改变，从以前的越细越好，逐渐转变为限制水泥细度，避免水泥过细造成其下端产品混凝土的抗裂性不良。同时，廉慧珍等也认为水泥细颗粒容易充分水化，产生更多的易于干燥收缩的凝胶和其他水化产物，影响混凝土的长期稳定性能。除了水泥细度外，水泥熟料矿物组成对混凝土的抗裂性也具有较大的影响。王可良等对比研究了高贝利特水泥混凝土和普通硅酸盐水泥混凝土的断裂韧性和抗拉强度，发现高贝利特水泥混凝土界面过渡区厚度小，界面黏结强度高，抗拉强度高，起裂韧度和失稳韧度高，抗裂性能好。WangL等对比研究了普通硅酸盐水泥、中热水泥和低热水泥的收缩性能和抗裂性能，发现低热水泥自收缩和干燥收缩小、抗裂性能好。综上所述，硅酸盐水泥细度和熟料矿物组成对水泥混凝土的抗裂性能影响较大。因此本文选择了三种不同矿物组成的硅酸盐水泥熟料，将其分别粉磨成三种粒度分布的熟料粉末，复配5%二水石膏，制备成硅酸盐水泥样品，系统探究熟料粒度分布与矿物组成对水泥工作性能、水化性能、力学性能、干燥收缩性能的影响，同时制备混凝土样品，探究熟料粒度分布与矿物组成对混凝土抗裂性能的影响，以期为高抗裂硅酸盐水泥的开发与制备提供参考。

1、试验1.1原材料试验采用了华新水泥股份有限公司、山东山水水泥集团有限公司和嘉华特种股份有限公司生产的硅酸盐水泥熟料，熟料的化学成分及矿物组成见表1，其中熟料矿物组成由Bouge法计算而得。由表1可知：华新熟料C3S含量最高，山水熟料次之，嘉华熟料C3S含量最低；相应地，C2S含量呈现相反的变化趋势，嘉华熟料C2S含量最高，山水熟料次之，华新熟料C2S含量最低。将三种硅酸盐水泥熟料粉磨成三种不同粒度分布的熟料粉，并采用Mastersizer2000激光粒度分析仪测试熟料粉的粒度分布。熟料粉的粒度分布曲线如图1所示。根据激光粒度仪测试结果，将熟料粉的特征粒径、筛余量等粒度分布参数列于表2。试验中进行标准稠度用水量、凝结时间、水化热、力学性能、干燥收缩试验的水泥样品，均为95%硅酸盐水泥熟料粉末和5%二水石膏混合而成，其样品编号如表3所示。1.2测试方法参照GB/T1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》测试水泥的标准稠度用水量和凝结时间。采用美国TA公司生产的TAMAir水化热测量仪测试水泥的水化速率和水化放热量，水泥水胶比为0.38，测试温度为20℃。参照GB/T17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》测试水泥砂浆3d、7d、28d、56d、90d和120d的抗折强度和抗压强度，并计算砂浆的强度增长率和折压比。参照JC/T603—2004《水泥胶砂干缩试验方法》测试水泥砂浆1d、2d、3d、7d、14d、28d、56d、90d和120d的干燥收缩。采用圆环约束收缩试验评价混凝土的抗裂性。圆环约束收缩试验装置尺寸示意图如图2所示，圆环约束收缩试验用混凝土配合比见表4，成型时控制不同组混凝土坍落度相同。图2圆环约束收缩试验装置示意图

2、结果与分析2.1熟料粒度分布与矿物组成对水泥工作性能的影响熟料粒度分布与矿物组成对水泥标准稠度用水量和凝结时间的影响如图3所示。由图3（a）可知，水泥的标准稠度用水量随着熟料粒径的减小，呈现增大的趋势，而熟料的矿物组成对水泥的标准稠度用水量影响不明显。由图3（b）和图3（c）可知，水泥的凝结时间随熟料粒径的减小，呈现减小的趋势，随着熟料中C3S含量的降低、C2S含量升高，呈现增大的趋势。造成该现象的原因是，熟料粒径越小，比表面积越大，达到相同流动度时，用水量越多；同时，比表面积越大，熟料水化活性越高，与水反应速率越快，相同时间内产生的水化产物越多，因此初凝时间和终凝时间相应缩短。水泥标准稠度用水量是影响水泥与混凝土性能的重要因素之一，水泥标准稠度用水量每增加1%，配制相同流动性能混凝土的需水量将增加6~8kg/m3，而混凝土需水量高对抗裂性能不利，因此降低水泥标准稠度用水量对混凝土抗裂性能有利。2.2熟料粒度分布与矿物组成对水泥水化性能的影响熟料粒度分布与矿物组成对水泥水化速率和水化放热量的影响如图4所示。水泥水化热测试结果见表5。由图4和表5可知：当华新熟料粒径减小时，水泥的水化诱导期由约2.5h降至1h左右，水化速率峰值由2.46mW/g提高至4.79mW/g，峰值出现时间由13.5h降至10.4h，缩短了3.1h，3d水化放热量由235J/g增至344J/g，提高了109J/g，7d水化放热量由271J/g增至363J/g，提高了92J/g；当山水熟料粒径减小时，水泥的水化诱导期由约3h降至1.5h左右，水化速率峰值由1.60mW/g提高至3.43mW/g，峰值出现时间由15.6h降至13.5h，缩短了2.1h，3d水化放热量由182J/g增至297J/g，提高了115J/g，7d水化放热量由210J/g增至318J/g，提高了108J/g；当嘉华熟料粒径减小时，水泥的水化诱导期由约8.5h降至2h左右，水化速率峰值由2.08mW/g提高至3.30mW/g，峰值出现时间由19.2h降至16.9h，缩短了2.3h，3d水化放热量由178J/g增至230J/g，提高了52J/g，7d水化放热量由215J/g增至258J/g，提高了43J/g。表5水泥水化热测试结果由此可知，减小熟料粒度，缩短了水泥水化诱导期，提高了水化速率峰值，使峰值出现时间提前，同时提高了3d和7d水化放热量。然而，熟料粒度改变对水泥水化影响程度受熟料矿物组成影响较大。当熟料中C3S含量较高时，熟料粒度变化对水泥水化诱导期影响程度较小，但对水化速率峰值和水化放热量影响较大；当熟料中C2S含量较高时，熟料粒度变化对水泥水化诱导期影响程度较大，但对水化速率峰值和水化放热量影响较小。混凝土抗裂性能与水泥水化放热密切相关。尤其是对于大体积混凝土而言，混凝土内部温度过高容易诱发温度应力产生从而导致混凝土开裂。因此，在制备抗裂硅酸盐水泥时，熟料粒度不宜过细，建议D10控制在5µm以上，C3S含量不宜过高，建议控制在40%~60%。2.3熟料粒度分布与矿物组成对水泥力学性能的影响熟料粒度分布与矿物组成对水泥抗折强度和抗压强度的影响如图5所示。由图5可知：当华新熟料粒径减小时，水泥3d抗折强度可从3.2MPa增长至7.5MPa，抗压强度从19.3MPa增长至45.9MPa；当山水熟料粒径减小时，水泥3d抗折强度可从2.8MPa增长至6.5MPa，抗压强度从13.8MPa增长至38.0MPa；当嘉华熟料粒径减小时，水泥3d抗折强度可从2.4MPa增长至4.6MPa，抗压强度从9.8MPa增长至20.1MPa。但是，华新熟料和山水熟料配制的水泥后期强度增长不明显。华新细粒度熟料制备的水泥抗折强度增长率始终未超过20%，抗压强度增长率在120d才到达50%；山水细粒度熟料制备的水泥抗折强度增长率120d也没有超过50%，抗压强度增长率始终低于100%。由此可知，当水泥熟料中C3S含量较高时，减小水泥熟料粒径，水泥早期强度增长显著，后期增长不明显。图5水泥抗折强度和抗压强度同时，还发现嘉华细粒度熟料制备的水泥120d抗折强度增长率超过100%，120d抗压强度增长率高达250%。由此可知，当熟料中C2S含量较高时，细粒度熟料在水化后期依旧具有较高的强度增长率。相关文献表明，高C2S含量的水泥虽然早期强度不高，但后期强度仍能持续增。华新熟料和山水熟料中C2S含量相对较低，其制备的水泥120d抗压强度最大增长率仅为200%和275%，而嘉华熟料制备的水泥120d抗压强度最大增长率却高达550%，试验结果充分证明该观点的正确性。综上所述，水泥力学性能由水泥熟料矿物组成和颗粒尺寸共同决定，当熟料C3S含量较高时，减小熟料颗粒尺寸，有利于早期强度发挥，但后期强度增长幅度不大；当熟料中C2S含量较高，减小熟料颗粒尺寸，不仅能够提高熟料早期强度，后期强度也能稳定发展。熟料粒度分布与矿物组成对水泥折压比的影响如图6所示。由图6可知，水泥熟料粒度分布和矿物组成对折压比的影响较大，水泥的折压比随着水泥熟料粒径减小而减小，随水泥熟料中C3S含量降低、C2S含量升高而增大。水泥基材料的折压比与其韧性有关，折压比越小，说明水泥的韧性越差，脆性越高，抗裂性越差。因此在水泥制备过程中，应当控制水泥熟料矿物组成和粒径在合理范围内，不能为了追求高强度而导致熟料C3S含量偏高、粒径偏细，韧性降低，抗裂性不足。因此，为了保证水泥强度能够满足使用要求，在制备抗裂硅酸盐水泥时，建议水泥熟料D10保持在5~7µm，D90在45µm左右，熟料中C3S含量维持在40%~60%，C2S含量维持在10%~30%。图6水泥抗折强度和抗压强度比值2.4熟料粒度分布与矿物组成对水泥干燥收缩性能的影响熟料粒度分布与矿物组成对水泥干燥收缩和失水率的影响如图7所示。由图7可知，水泥的干燥收缩和失水主要发生在28d之前，28d之后水泥的收缩和失水变化不明显。同时还发现，除华新中粒度熟料制备的水泥干缩率小于粗粒度熟料制备的水泥样品外，其他水泥样品的干缩率均随着水泥熟料粒径的减小，呈现出增大的趋势；水泥的失水率均随着水泥熟料粒径的减小，呈现减小的趋势。虽然基体凝胶孔失水是引起干燥收缩的主要原因，但并不是所有孔隙失水均会引起体系收缩，只有5~50nm的凝胶孔失水才会引起系统收缩[17]。因此，试验结果显示，细粒径熟料制备的砂浆虽然失水率小，但收缩很大，其原因是熟料颗粒尺寸小，水化活性高，生成的水化产物多，基体孔隙呈现小孔多、大孔少的分布状态，因此细粒径熟料制备的水泥表现出强度高、但干缩大的宏观性能。试验结果还显示，嘉华熟料制备的水泥干缩率明显小于华新熟料和山水熟料制备的水泥样品，其28d至120d的干缩值始终维持在600~700µε，该干缩值对提高混凝土抗裂性是十分有利的；值得关注的是，三种不同粒度分布的嘉华熟料，其对应的砂浆干缩率和失水率比较接近。熟料的干燥收缩也与熟料矿物组成密切相关。熟料中C3S含量高，C2S含量低，则早期水化速率快，水化产物多，引起系统失水收缩的小孔多，而水泥的失水主要发生在早期，导致的结果则是系统干缩增大。由于嘉华熟料本身早期水化活性不高，虽然减小熟料颗粒尺寸可以在一定程度上激发熟料的水化活性，但由于激发程度有限，因此导致嘉华熟料的颗粒尺寸发生变化时，砂浆的干缩变化不明显。图7水泥干燥收缩和失水率2.5熟料粒度分布与矿物组成对混凝土抗裂性能的影响不同粒度分布与矿物组成的水泥熟料制备的混凝土圆环约束收缩试验结果如图8所示。由图8可知，山水粗粒度熟料和中粒度熟料、华新粗粒度熟料和中粒度熟料制备的混凝土圆环均未出现开裂情况，而华新细粒度熟料制备的混凝土圆环在30d左右出现开裂现象。由此可知，水泥基材料的抗裂性能与熟料粒度分布和矿物组成密切相关。一方面，熟料C3S含量较高、粒径较小时，水化速率较快，水化放热量较高，容易导致混凝土因内部温度分布不均产生温度应力，导致混凝土开裂；另一方面，熟料C3S含量较高、粒径较小时，早期水化产物较多，水泥基材料内部容易出现5~50nm的凝胶孔较多、大于50nm的凝胶孔较少的孔径分布，而基体中5~50nm的凝胶孔的失水是导致基体发生干缩并产生开裂的主要原因。嘉华熟料制备的水泥干缩率小，适合制备抗裂硅酸盐水泥。但是，该熟料中C