| [摘要] 本文通过测定复合水泥各组分的粒径分布、测定和计算复合水泥的堆积密度，测定水泥砂浆的强度，得出：水泥石强度并不一定随水泥细度的增加、组分水化活性的提高而提高。水泥颗粒越细，水化活性越高，同时体系的堆积密度也越小；相反提高粒径，增加堆积密度也要牺牲水化活性。复合水泥的最佳粒径分布应该使体系的堆积密度和水泥颗粒的水化活性相匹配，使体系获得尽可能大堆积密度，同时所产生的水化物足以使体系的原隙被完全填充。
一．前言
水泥由于 其原料来源广泛、制备加工方便、生产成本较低等显著优点，仍将成为21世纪最主要的和不可替代的建筑材料。随着国民经济的发展和科学的进步，水泥混凝土构筑物出现大型化、复杂化的趋势，其使用环境日趋复杂和苛刻。从而对水泥材料性能提出一系列新的要求。传统的小组特兰水泥在性能上难以满足工程建设对水泥提出的越来越高的技术要求。同时，传统的波特兰水泥在生产过程中，要消耗大量资源和能源，也造成严重的环境污染。因此，水泥工来的可持续发展和对水泥性能不断增长的要求呼唤新一代高性能水泥的诞生。
复合水泥技术是研究开发新一代高性能水泥的重要技术途径之一。所谓高性能复合水泥是：以水泥浆体的组成和结构的优化进行设计，将不同的、分别具有特定性能、各自水化物相互之间可以相容和世配、性能互补的水泥组分，采用一定的复合技术、按适当的比例复合而构成的高性能。通过调整复合水泥组分的种类、各组分的数量和细度，可以实现调控水泥浆体液相诸离子浓度的时空分布，使水泥-水体系中溶解--扩散-反应、成核与生长相互匹配；调控水化物的类型、数量、形态和分布；调控原始浆体部颗粒的密堆积程度，从而实现水泥石组成与结构优化的目的，进而制备出高性能水泥。目前，可用高活性的水泥熟料、磨细矿渣、优质粉煤灰和硅灰等组分按照科学的设计方法和复合技术制备这类高性能水泥。
水泥的粒径分布对水泥石和混凝土的性能有较大的影响。复合水泥体系应具有怎样的粒径分布，是一个需要解决的问题。本文试图通过测定复合水泥各组分的粒径分布、测定和计算复合水泥的堆积密度、测定水泥砂浆的强度，对复合水泥的粒径分布对强度的影响进行初步地探讨。
二．试验方法和试验结果
将各原材料按表3所示配比配制水泥试样，固定其它组分和矿渣总量，通过改变不同细度矿渣的比例，调整矿渣的水化活性和体系的粒径分布与堆积密度。
水泥PPC、PCX为华新水泥厂熟料掺加5%石膏后磨细。矿渣SLC、SLE、SLG和SL为武汉钢铁公司生产，除SL外，均为该公司提供的成品磨细矿渣。粉煤灰Fa为阳逻发电厂产一级粉煤灰。CA制备方法为，用化学纯AI2O3和CaCO3
按CA分子式配料磨细，用混料机混合30min，加适量水加压成型， 在1380℃煅烧6小时。用X射线衍射分析证明是CA。用甘油酒精法测得f-CaO<0.5%，用振动磨磨细至全部通过0.08mm筛，密封保存备用。石膏G为工业生产用二水石膏。水泥熟料、矿渣、粉煤灰、石膏等组分的化学成为和矿物组成见表1，各级分用激炮粒度测定仪测得粒径分布见表2。
按表3所示配比，用混料机混合30min将各组试样混合均匀，按GB177-85水泥胶砂强制检验方法进行水泥砂浆试件制作和强度试验。水泥砂浆的强度试验结果见表3。
一． 试验结果分析与讨论
1．堆积密度的计算公式
F．DELARRARD等提出了多粒径颗粒堆积密度的线性模型和计算公式。该模型不考虑静电力、范德化力和其它的颗粒之间凝聚和排斥力。对于复合水泥这一由细微颗粒构成的体系，这些因素的影响是不能忽略的，而且颗粒越细，这些因素的影响越大。笔者在上述模型的基础上做了改进，得取如下计算公式：
按式（1）-（4）对表2所示各组分分别进行了堆积密度计算，计算结果见2。为了验证上述计算公式的适用性，分别取如表2所示各组分按下述方法测定了堆积密度；将材料放入直径为4cm的200ml量筒中，先用振动台振动
2min，然后手工反复礅击，直至礅击200次量筒内材料下沉量小于1ml，然后用天平称重，得到材料容重。根据该材料的质量密度，堆积密度测定结果也示于表2。可以看出各组分的堆积密度计算值与测定值相当吻合。说明式（1）-（4）比较好的反应了随粒径变小，颗粒间相互影响对堆积密度的影响，可以较好的模拟诸如水泥、磨细矿渣等细颗粒的堆积密度。可以用来计算和预测复合水泥的堆积密度。
2．试验结果分析
水泥的粒径分别在两方面影响水泥的性能，既影响颗粒的水化活性和堆积密度。颗粒越细，水化活性越高，可以尽早的生成有效的水化物；；颗粒越粗，水化越慢，同样时间提供的水化物越汪，甚至其中一部分只能作为惰性颗粒存在于水泥石中。另一方面从堆积密度的角度考虑，最密集堆积要求粒径间有足够大的差距，使大颗粒所遗留的孔隙由少量的小颗粒填充。由此确定的粒径分布不能保证各组分充水化所要求的颗粒细度。在现有技术水平下，随着颗粒细度的增加，颗粒粒径间的差距变小，同时颗粒间的静电力、范德化力等相互排斥作用增加，从而降低了体系的堆积密度。
表3所示试验结果表明：C01、C05、C12、C23试样的矿渣最细，因此水化活性最高，但是其堆积密茺较低，C02、C06、C13、C24试样含有一部分较粗粒径的矿渣，其水化活性次于前者，而堆积密度高于前者。最终反映在强度上，后者强茺与前者持平，甚至高于前者。C03、C07、C14、C26虽然堆积密度最高，孙隙量最少，但是由于
矿渣粒度较大，活性较低，产生的水化物不足以充分填充孔隙，致使水泥砂浆强度较低。
这说明：水泥石强度并不一定随水泥细度的增加、组分水化活性的提高而提高。虽然增加矿渣细度可以产生较多的水化物，但同时需要水化物填充的孔隙量也相应增加；另一方面，有研究表明：如果水泥石完全由CSH凝胶构成，并不能得到最高的强度，一定数量的微集料的存在可以提供水泥石的强度。相反提高粒径，增加堆积密度也要牺牲水化活性。复合水泥的最佳粒径分布应该使体系的堆积密度和水泥颗粒的水化活性相匹配，使体系获得尽可能大堆积密度，同时所产生的水化物足以使颗粒间的孔隙被完全填充，而且水泥石中CSH凝胶和微集料有适当的比例。
在复合水泥中，不同的组分的获取成本不同、水化活性不同、起的作用也不同。因此可以装饰他们分别磨细为不同的粒径。例如可将水泥熟产磨细，使之28天可充分水化，这不仅可以使付出了昂贵的能源、资源和环境代价获得的水泥熟料能够得以充分地利用，而且加快早期水化速度，弥补矿渣、粉煤灰早期水化速度低的不足，为水泥提供早中期强度。通过调整矿渣的细度，可以调整其水化速度，为水泥的中后期强度的增长提供保证。可使矿渣大部分水化，部分未水化矿渣料子可作为微集料。优质粉煤灰水化速度较慢，但是其质地坚硬，表面水化可生成与水泥基质相同的CSH水化物，具有极好的界面特性，是非常好的微集料。粉煤灰只需表面水化，主要作为微集料，并为水泥后期强度的增长提供保证，粉煤灰的细度可保持其玻璃微珠的状态。
四．结状
水泥石温度并不一定随水泥细度的增加、组分水化活性的提高而提高。水泥的粒径分别在两方面影响水泥的性能，既影响颗粒的水化活性和堆积密度。颗粒越细，水化活性越高，同时体系的堆积密度也越小；相反提高粒径，增加堆积密度也要牺牲水化活性。复合水泥的最佳粒径颁应该使体系的堆积密度和水泥颗粒的水化活性相匹配，使体系获得尽可能大堆积密度，同时所产生的水化物足以使颗粒间的孔隙被完全填充，而且水泥石中CSH凝胶和微集料有适当的比例。
A Tentative Research on the Effect of Particle Size Distribution of Composite
Cement on Strength
Huang Xin Long Shizong Yuan Ruzhang
(Wuhan University of Technology)
Abstract: Based on measuring the distribution of the components of composite
cement, measuring and calculating the packing density of the composite
cement and of its components, and testing compressive strength of the
cement paste, it is revealed that: strength of the cement paste do not
always enhance with the increase of fineness of the cement. With the increase
of the fineness of the cement, the hydration activity of cement increases
but, at the other hand, the packing density of the cement decreases, and
vice versa. The optimized particle distribution of composite cement should
make the packing density and the hydration activity of the cement a good
match so that proper packing density will be gained and enough hydrates
will be produced to fill up the voids of the cement paste.
Key words: composite cement, particle distribution, packing density, strength.
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