完整版水泥细度对混凝土早期性能的影响建材专业毕业设计.docx
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完整版水泥细度对混凝土早期性能的影响建材专业毕业设计
重庆大学本科学生毕业设计（论文）
水泥细度对混凝土早期性能的影响
学生：
高阳
指导教师：
贾兴文
专业：
无机非金属材料工程
重庆大学材料科学与工程学院
二O一O年六月
GraduationDesign（Thesis）ofChongqingUniversity
Reasearchoftheeffectofcementfinenessontheearlypropertiesofconcrete
Undergraduate:
Gaoyang
Supervisor:
Dr.JiaXingwen
Major:
Inorganicnon-metallicmaterialsengineering
CollegeofMaterialScienceandEngineering
ChongqingUniversity
June2010
摘要
应用于大跨度预应力桥梁的水泥，由于施工要求早期强度，加之国家标准没有规定细度上限，因此越磨越细。
过高的细度已经开始对混凝土的各方面性能产生影响。
基于这个原因，针对用于桥梁工程的混凝土，作了细度对混凝土早期力学性能影响的实验研究。
通过采用统一配合比，改变水泥细度的方法成型混凝土试件，研究了细度对混凝土早期强度增长规律的影响，以及掺合料和减水剂的用量对混凝土强度与水泥细度相关规律的影响。
测定了不同细度水泥的标准稠度用水量，凝结时间，胶砂扩展度。
结果表明，混凝土的早期抗压强度随细度增大而增大，增长曲线逐渐平缓；早期抗拉强度也随细度增大而增加，但变化不明显，并且在水泥比表面积超过400㎡/kg时抗拉强度出现下降。
减水剂和少量矿物掺合料的掺入对比表面积350~400㎡/kg的水泥拌制的混凝土的强度提高较大，当矿物掺合料的用量增大时，则对比表面积较小的水泥的强度有较大提高，同时可以降低混凝土强度对水泥细度变化的敏感性。
水泥的标准稠度用水量随细度增加而增加，增幅不大，比表面积400㎡/kg时，标准稠度用水量约为26%；凝结时间随细度增大而缩短，幅度不大；
关键词：
水泥细度，早期强度，标准稠度用水量，凝结时间，胶砂扩展度
ABSTRACT
Asthedemandoftheearlystrengthofconcretegrows,whilethenationalstandardshasn'tfixedafinenesslimit,thefinenessofcementusedinlong-spanprestressedconcretebridgeincreaseswithoutcontrol.Excessivefinenessbeginstoaffecttheperformanceofallaspectsofconcrete.Forthatreason,inthispapertheaffectofcementfinenessontheearlypropertiesofconcreteisstudied.
Theresultsshowthatearlycompressivestrengthofconcreteincreaseswiththefineness，andgrowthcurveturnsfromsteeptoflat；Earlytensilestrengthofconcreteincreaseswiththefineness,andthegrowthismodest.Tensilestrengthdecreaseswhensurfaceareareaches400；Standardconsistencywatergrowsslowlywiththefineness.Settingtimegraduallyshortenedwithincreasingfineness.Theadditionofsuperplasticizerandmineraladmixturesimprovesthestrengthofconcretewhichusesfinecementbetter.
Accordingtotheexperimentalresults,theauthorrecommendstousefinecementwhosesurfacearearangesbetween350and400instructureswhichhasthedemandofearlystrength.
Keywords：
cementfineness,earlystrength,standardwaterconsistency,settingtime,mortarfluidity
中文摘要Ⅰ
ABSTRACTⅡ
5结论和展望27
参考文献28
1绪论
1.1研究背景
预应力连续刚构桥梁这一结构形式由于其用料省、自重轻、行车平稳、跨越能力强等显著的优越性，在实际工程中得到了越来越广泛的应用。
由于施工工艺和工程进度的要求，桥梁混凝土经常需要达到较高的早期强度，因此工程中多采用比表面积较大的早强型水泥。
我国自1979年开始的数次水泥标准修订都把早期强度放在了越来越重要的位置[1]：
第一次修订是将我国使用了20多年的“硬练”强度检验方法和标准改为“软练”强度和标准。
这次变化较大,主要变化如表1.1所示：
水泥标准从“硬练”改为“软练”的主要变化
表1.1
变化因素
GB175-63
GB175-77
孰料的石灰饱和系数（KH）
0.85左右
0.90左右
C3A含量
5%~7%
＞8%
检验强度所用灰砂比
1:
3
1:
2.5
检验强度所用加水量
P/4+2.6
固定0.44
用相同熟料检验28d抗压强度的差别
497kg/cm2
613kg/cm2
425kg/cm2
525kg/cm2
细度
4900孔/cm2筛余≤15%
0.08mm筛余≤15%
由表中可见，这次修订水泥标准的结果是增加了熟料中的C3S和C3A的含量，水泥的比表面积从平均300㎡/kg增加到平均330㎡/kg，提高了水泥强度，尤其是早期强度；第二次修订后的GB175-92、GB1344-92等强调了水泥的早期强度,28d强度提高了2%,增加了R型水泥品种。
该标准强化了3d早期强度意识,倡导多生产R型水泥。
普通水泥的细度进一步变细,从筛析法的<12%改为<10%。
第三次修订后的规范GB175-1999、GB1344-1999等把强度检验的水灰比改为0.50,取消了GB175-92中的325号水泥。
水泥的强度进一步提高,迫使水泥厂以提高C3S、C3A和比表面积来提高水泥的强度。
由于国家标准对于水泥的细度上限没有作规定，导致实际工程中采用的水泥比表面积越来越偏大，80μm筛余量大多都小于3%，甚至没有筛余，水泥比表面积已高达400㎡/kg。
我国水泥在40多年前的最高强度（GB175-63《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》）相当于20世纪末的425号《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》（GB175-92），相当于目前的32.5级[2]。
人们对于这种细水泥的特性了解的还不够深入，因此当它应用于桥梁工程时，已经对混凝土的性能产生了诸多影响，诸如耐久性迅速降低，后期强度增长缓慢甚至倒缩等。
因此有必要提出一个适合大跨度预应力混凝土连续刚构桥梁的水泥细度上限值，确保混凝土的中长期性能。
1.1.1预应力连续刚构桥梁对水泥的要求
用于预应力连续刚构桥梁的高性能混凝土，其性能要求要高于一般的普通混凝土，除了拌合物需要有良好的工作性以外，较高的强度和优越的耐久性也是必不可少的。
其中强度的要求包括两个方面，早期强度和中长期强度。
从工程应用上讲，结构的早期强度和耐久性存在着矛盾，甚至于早期强度和中长期强度也存在着一定程度上的矛盾：
许多工程实例和研究结果显示，过高的早期强度往往和裂缝的过早产生和后期强度的倒缩有着一定的联系。
因此在早期强度和中长期性能这两者之间寻找一个平衡点是个至关重要的问题，因为这两者分别代表了工程进度和工程质量这两个关键因素对混凝土和水泥的要求。
1.1.2研究水泥细度与桥梁混凝土力学性能关系的必要性
在工程进度和工程质量这两者的矛盾中，水泥的细度起着重要的控制作用：
细度过小，则水化速度慢，早期强度达不到要求，施工进度慢，严重影响模板、场地和施工机械的周转效率，延长工期，增加工程投资，带来不必要的浪费；细度过大，则初期水化速度过快，放热量大，收缩增加，产生过大的温度应力和收缩裂缝，影响结构的耐久性，而且细度过大还可能导致混凝土后期强度增长缓慢乃至倒缩。
所以有必要通过实验研究水泥细度与桥梁混凝土力学性能的关系，找到一个最合适的水泥细度限值，既能满足混凝土早期强度的需要，保证工程进度，又不至于影响结构的中长期强度。
1.2国内外研究现状
1.2.1水泥细度对工作性能的影响
（1）标准稠度用水量
国内外普遍认为水泥的标准稠度用水量随着细度的增加而增加。
表1.1是包先成等人[3]引用陕西声威集团建材有限公司某月的数据：
水泥细度与净浆流动度和标准稠度用水量的关系
表1.1
序号
细度/%
比表面积/（㎡/kg）
标准稠度用水量/%
净浆流动度/mm
80μm筛筛余
45μm筛筛余
初始
60min
1
2
3
4
5
6
7
1.2
1.0
2.4
2.7
1.1
4.5
5.8
6.7
6.7
11.0
11.2
8.0
13.0
16.0
360
360
407
361
343
309
301
28.9
28.2
29.8
29.2
27.1
24.5
25.1
120
147
206
195
195
133
190
140
222
235
（2）净浆流动度
净浆的流动度随着水泥细度的增加而不断减小。
石小芳[4]等人研究了筛余及比表面积对水泥净浆流动度的影响，实验结果见表1.2：
水泥净浆流动度与比表面积和80μm筛余的关系
表1.2.
编号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
80μm筛筛余
比表面积/（㎡/kg）
5min流动度
4.8
341
201
4.0
363
192
3.6
342
195
3.4
361
178
3.0
361
170
2.8
356
180
2.4
337
170
2.4
364
165
2.2
355
165
作者认为:
水泥的净浆流动度同80μm筛筛余有较好的相关性。
试验水泥的比表面积变化不大，应该通过放大筛余来调整水泥的适应性。
为此将球磨机的钢球级配进行了调整，将42.5水泥的细度指标由原来的≦3.0调整到1.5%~3.0%，水泥的标准稠度用水量下降到27.0%左右，水泥的流动度达到了180mm，使水泥性能得到了很大的改善。
图1.1.不同细度水泥浆体的流变曲线（磨细熟料加5%石膏，水灰比为0.25）①-201㎡/kg；②-248.5㎡/kg；③-307㎡/kg；④-403㎡/kg；⑤-511㎡/kg
图1.1是不同细度水泥浆体的流变曲线，它来自R.A.Heimuth[美][5]关于新拌水泥浆体的一篇学术论文。
其中的屈服应力是按照维卡仪穿透20mm所需要的力来计算的，它表明水泥浆体在凝结的各个阶段的的屈服应力都随水泥细度的增大呈现出增加的趋势。
周立霞[19]等人对粉煤灰水泥细度的研究表明，粉煤灰水泥的胶砂需水量（比）与粉煤灰及水泥颗粒细度为负关联，而流动度（比）则与粉煤灰及水泥颗粒细度为正关联。
即细度增加会导致胶砂需水量减小，流动度增加。
因此，在配制粉煤灰混凝土时，可以通过适当提高粉煤灰颗粒细度来减少混凝土拌合用水量，提高混凝土的流动性。
（3）凝结时间
水泥细度的增加会缩短水泥的凝结时间[6]，如图1.2所示，水泥细度由3220cm2/g增至5560cm2/g时，混凝土的初凝和终凝时间分别缩短了1h20min和1h40min。
因此水泥细度的增加及比表面积的提高会加速混凝土的凝结。
图1.2.水泥细度与凝结时间的关系
（4）浆体泌水量
混凝土的泌水特性也会受到水泥细度的影响[6]，如图1.3所示，随着水泥细度的增加，其泌水量相应减小。
另外，水泥初始水化快，泌水会相应减小。
图1.3.水泥细度与浆体泌水量的关系
1.2.2水泥细度对混凝土力学性能的影响
杨静[17]等人认为：
（1）水泥颗粒的粒径分布与Andreasen最紧密堆积理论的要求尚有很大差距，因此掺入比水泥颗粒更细的矿物掺合料，可以起到改善胶凝材料颗粒级配的作用。
（2）不同细度的矿物掺合料复合掺配时，它们的颗粒可以相互补充，使胶凝材料颗粒的粒径分布更接近紧密堆积状态的要求，从而提高水泥浆体的密实度。
（3）砂浆中胶凝材料的颗粒级配在接近Andreasen颗粒最紧密堆积理论要求时，砂浆强度最高，水泥凝胶体的微观结构也比较致密。
这时，适当增加矿物掺合料替代水泥的百分率不会明显影响强度。
黄新[18]等则认为，水泥石的性能很大程度上取决于水泥石的孔结构，而水泥石的孔结构又决定于水泥浆体原始的堆积密度和水泥水化物对原始孔隙的填充程度。
水泥颗粒的状态对水泥石的结构有较大影响。
一方面，水泥的比表面积决定同时间产生的水化物的量；另一方面，水泥的粒径分布决定水泥浆体中的水泥颗粒堆积的密实程度。
适当的水泥粒径分布可以使水泥浆体初始结构具有最佳的堆积密度，同时使水泥水化物的生成量与水泥浆初始孔隙量相匹配，从而得到空隙率和孔径较小的密实均匀的水泥石，使水泥石的性能提高。
陈云波[7]等人研究了不同粉磨方法和不同粉磨细度的水泥的各龄期抗压强度和抗折强度，结果如表1.3所示：
不同粉磨方法和不同粉磨细度的水泥的各龄期抗压强度和抗折强度
表1.3
试样编号
比表面积
抗折强度
抗压强度
1d
3d
28d
1d
3d
28d
A1
250
2.8
5.2
8.7
12.6
28.6
58.2
A2
307
5
7.2
9.7
22.3
41.2
69.2
A3
350
5.7
7.8
9.8
25.4
45.7
72.2
A4
387
6
7.8
10.3
29.4
50.6
73.6
A5
450
5.9
7.8
10.2
31
50.7
76.5
A6
586
6.5
8.6
11.4
38
58.2
82.6
B1
248
2.9
5.6
8.1
12.8
27.8
53.7
B2
313
3.9
6.5
9.3
16.8
33.8
59.9
B3
353
4.9
6.7
9.1
22.1
37.3
61.2
B4
382
5.5
7.1
9.7
23.6
40.4
70.2
B5
470
6
7.5
9.6
29.4
44.9
71.8
B6
600
6.1
7.9
9.6
36
50.4
74.8
C1
311
4.2
5.9
8.4
16.6
29.8
55.8
C2
361
4.9
6.5
9.2
21.8
35.2
61.2
C3
387
5.1
6.3
8.9
23.2
35.6
61.6
C4
439
5.8
7
9.2
27.8
40.8
64.6
D1
244
2.2
4.5
8.7
8.8
23.9
52.2
原文作者认为，同一磨机磨出来的水泥，比表面积越大，强度就越大，但是强度增长并不符合统一规律，处于中间比表面积（约380㎡/kg）的水泥28d增幅较小，抗折强度甚至持平，如A4和A5，B4和B5，C2和C3号对比样；有的水泥早期强度增长比后期快，如B5和B6号对比样，有的则正好相反，如B3和B4号对比样。
R.E.Davis等人的研究表明，水泥细度对早期7d抗压强度影响较大，对后期抗压强度影响较小[8]：
早期7d，水泥细度对水泥抗压强度的贡献值为1.52MPa；龄期由7d至90d（365d），水泥细度对水泥抗压强度的贡献率仅增长了0.69MPa（0.62MPa）。
即水泥表面积对早期强度的影响远大于后期强度。
这是因为细水泥的早期水化反应速率较快，对早期强度作用明显；随着细水泥水化反应的继续进行，包围在水泥颗粒周围的水化产物结构变得更密实，阻碍了拌合水的扩散，所以提高粉磨细度对后期强度的影响有一定局限性，不如对早期强度提高的幅度大[9]。
图1.4是来自E.W.Benntee和B.C.Collings的ProceedingsoftheInstitutionofCivilEngineers的一张图表[10]，图中反映了不同龄期时水泥的抗压强度随细度变化的趋势。
从图中可以看出，细度对强度的影响程度随着龄期的增长不断地减弱，细度小的水泥后期强度会逐渐赶上细度大、早期强度高的水泥：
图1.4.不同龄期水泥细度与抗压强度的关系
1.2.3水泥细度对混凝土耐久性的影响
水泥细度对于混凝土耐久性的影响很重要的一点在于：
水泥细度增加，水化率增大，导致强度增长率及水化放热速率均较高。
同时，细度增加能导致泌水减少，但在高细度的情况下，对非引气混凝土来说，为满足工作性必须增加需水量，并导致干缩增加。
此外，高细度的水泥使混凝土的抗冻融循环能力降低[10]。
水泥细度对砂浆抗裂性影响非常明显。
Harold采用砂浆环开裂试验方法，水灰比0.46、灰砂比1:
2.34、存放于21℃和50%相对湿度下时，比表面积约为240㎡/kg的粗水泥的初裂时间为14天，是比表面积约为380平米/kg的细水泥的初裂时间（7天）的2倍[11]。
不同细度水泥的混凝土暴露于自然条件下一年的抗冻试验也表明，水泥越粗，砂浆内部的微裂纹越少，其混凝土抗冻融循环能力越强[11]。
美国的Withy分别于1901年、1923年和1937年成型了5000多个水泥净浆，砂浆和混凝土试件，在室外暴露，1975年由Washa和Wendt发表了暴露试验的结果如图所示。
图1.5表明，用7M水泥配制的混凝土50年后抗压强度达到了52MPa,而用I型水泥（当时的快硬水泥）配制的混凝土在10年后强度开始倒缩；1937年按快硬水泥生产的I型水泥与现今水泥的平均水平很相似[12]。
图1.5室外暴露条件下不同细度水泥强度随龄期的变化
1.2.4颗粒分布对水泥性能的影响
根据ZurStrassen[13]的意见，水化作用是从熟料颗粒的均一表面像核心的扩散反映。
对波特兰水泥中纯C3S进行测定，得到下列反应渗透深度值：
龄期/天
1
3
7
28
渗透深度/μm
0.5
2
3~4
6~7
ZurStrassen对C2S进行测定得到以下数值：
龄期/天
40
60
80
渗透深度/μm
1
2
3
这表明阿利特含量高的水泥当中，30μm颗粒在28d水化87.5%，而小于3μm的颗粒在拌合后短时间即已完全水化。
由此得到两条结论[13]：
（1）0~3μm颗粒部分（这部分颗粒使水泥具有较高的比表面积）对于早期强度时必不可少的，但对后期强度则不起作用。
（2）3~30μm颗粒部分是对后期强度起唯一重要作用的部分。
超过30μm的颗粒只是部分水化，它们对强度所起的作用是很小的。
赵飞[20]等人认为：
（1）不同大小的颗粒，其水化活性有很大差异，粒径越小，水化活性越高，具体表现在，随着颗粒的细化，对水分子的吸附能力及离子溶出能力大大提高，浆体的极化能力增强，浆体初始结构形成时间缩短，早期硬化浆体结构形成时间提前，形成速度加快，水化放热曲线的诱导期缩短，加速期的反应速度加快，放热速率和放热量增大。
（2）不同大小的颗粒，各自强度的发挥也很不相同。
0~30μm颗粒的强度发挥正常，粗颗粒在早期只达到很低的强度，0~10μm和0~5μm的细颗粒在早期就达到较高的强度，但后期强度几乎没有增长，甚至产生倒缩。
（3）致使0~10μm和0~5μm细颗粒的后期强度发挥不好的原因是它们的水化反应速度太快，水化产物的胶结性能不好，胶结点的牢固程度较低，早期浆体结构易通过溶解和再结晶而破坏。
目前比较公认的水泥最佳性能的颗粒级配为[14]:
3~32μm颗粒总量不低于65%，＜3μm细颗粒不超过10%，＞65μm和＜1μm的颗粒越少越好。
因为3~32μm的颗粒对强度增长起主要作用，特别是16~24μm的颗粒对水泥性能尤为重要，含量应当最多，＜3μm的细颗粒容易结团，＜1μm的小颗粒在加水搅拌中很快就能水化，对混凝土强度作用很小，且影响水泥与外加剂的适应性，影响水泥性能而导致混凝土开裂，严重影响混凝土的耐久性；＞65μm的颗粒水化很慢，对28d强度贡献很小[14]。
1.3本文要研究的内容
（1）水泥细度对标准稠度用水量、凝结时间和胶砂流动度的影响
测试了4种不同细度水泥的标准稠度用水量和胶砂流动度随细度的变化情况；
测试了6种另一粉磨方式的不同细度的水泥的胶砂流动度随细度变化的情况。
（2）水泥细度对混凝土早期强度增长的影响
测试了4种不同细度水泥按照统一配合比成型的两种配合比高性能混凝土试块的7d、28d、56d立方体抗压强度和7d、28d劈裂抗拉强度；
测试了6种不同细度水泥按照统一配合比成型的胶砂试块的5d、8d、12d立方体抗压强度
（3）掺合料和减水剂对水泥细度和混凝土早期力学性能相关规律的影响
测试了4种不同细度水泥在不掺减水剂、单掺减水剂、掺入减水剂和不同掺量的矿渣几种情况下的7d、28d立方体抗压强度；
2原材料和试验方法
2.1原材料
（1）水泥：
水泥粉磨所用的熟料为润江水泥厂出产。
熟料中SO3含量为0.8%（厂家数据），理论计算得到水泥中SO3为2.98%，水泥密度为3.05g/cm2。
本次实验采用不同的粉磨方法制备两种水泥，编号为A和B。
磨制A、B水泥的熟料相同，A、B水泥的石膏掺量也相同。
将熟料掺入5%的石膏，采用球磨机磨制20min，将粒径大于5mm的颗粒筛出，与下一次料一同加入磨机，粒径小于5mm的颗粒一部分经过0.4mm方孔筛，得到A1水泥。
另一部分用振动磨分别磨制5min、10min和20min，得到A2、A3、A4三种不同细度的水泥。
A1、A2、A3、A4这四种水泥的实测比表面积分别为：
255㎡/kg，342㎡/kg，360㎡/kg，393㎡/kg。
根据课题的要求，这里使用名义比表面积250㎡/kg、300㎡/kg、350㎡/kg、400㎡/kg表征A1~A4水泥的细度。
将熟料过5mm方孔筛之后，加入振动磨中粉磨，分别在5min，10min，20min，30min，40min和50min的时候打开振动磨的卸料口卸料20~30s，将6次卸出的熟料分别经过0.4
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