夏 勇 陳 哲 麥俊明 吳春麗 黃國(guó)棟

（廣東省建筑材料研究院有限公司）

0 引言

水泥基是以水泥作為膠凝材料的工程材料，常見(jiàn)的水泥基材料有凈漿、砂漿、混凝土等，由于水泥基材料具有良好的工作性能、力學(xué)性能以及耐久性能，且原材料來(lái)源廣、價(jià)格低廉，因此水泥基材料被廣泛用于土木建筑、水運(yùn)交通等行業(yè)中。通常情況下，新拌水泥基材料的漿體是由固體、液體、氣體混合而成的一種復(fù)雜體系，同時(shí)也是一種不均勻材質(zhì)，這使得新拌水泥基材料漿體工作性能、流變特性、力學(xué)性能的影響因素較多，例如固體材料的比表面積、堆積密實(shí)度、空氣量、水量、砂率、水灰比、灰砂比、漿體體積等[1-3]，因此對(duì)于水泥基材料性能主要控制因素的研究較為復(fù)雜。鑒于此，研究人員嘗試將以上多個(gè)影響因素進(jìn)行綜合考慮，提出了諸如水膜厚度[4-6]、剩余水膜厚度[7]、泥漿膜厚度[8,9]、剩余漿膜厚度[7,10]、骨料裹漿厚度[11-12]、漿體厚度[13]、砂漿膜厚度[14-15]、砂漿層厚度[16]等概念，這些概念大同小異，可歸納統(tǒng)一為膜厚度理論。通過(guò)將膜厚度的量化結(jié)果與水泥基材料工作性能、流變特性、力學(xué)性能的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行回歸分析、建立數(shù)學(xué)模型是一種研究水泥基材料性能主要控制因素的新思路。

本文以水膜厚度、泥漿膜厚度、砂漿膜厚度為例，闡述了固體顆粒填充密度的測(cè)量方法以及水膜厚度、泥漿膜厚度、砂漿膜厚度的物理意義，介紹了研究人員基于膜厚度理論對(duì)水泥基材料工作性能、流變特性、力學(xué)強(qiáng)度等方面的研究進(jìn)展，最后提出了基于膜厚度理論進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)的技術(shù)路線圖，為水泥基材料的配合比設(shè)計(jì)工作提供參考。

1 膜厚度理論

1.1 填充密度的研究

研究顯示水泥基材料的性能往往會(huì)受到固體顆粒填充密度的影響，加拿大舍布魯克大學(xué)A?tcin教授[17]指出提高混凝土材料中固體顆粒填充密度是實(shí)現(xiàn)混凝土材料全面高性能化的研究方向。伊朗學(xué)者Reisi等[18]利用計(jì)算機(jī)模擬混凝土材料中固體顆粒的分布，發(fā)現(xiàn)提高固體顆粒填充密度有助于提高混凝土材料的性能，其他學(xué)者的研究亦表明提高固體顆粒填充密度有助于獲得高性能混凝土[19-21]。

然而，對(duì)于固體顆粒填充密度的準(zhǔn)確測(cè)量卻一直困擾著科研人員，現(xiàn)階段通常采用干堆積測(cè)量法，如美國(guó)ASTM C29、英國(guó)BS 812等規(guī)范，但干堆積測(cè)量法中固體顆粒的緊密填充狀況與其在實(shí)際新拌混凝土固液二相條件下緊密填充狀況相差甚遠(yuǎn)，利用干堆積測(cè)量法無(wú)法有效顧及固體顆粒之間的靜電排斥作用、空氣量、水量、減水劑等影響因素，各國(guó)規(guī)范關(guān)于固體顆粒填充密度的測(cè)量結(jié)果具有較大的差異，將其作為精準(zhǔn)定量計(jì)算的數(shù)值會(huì)存在誤差。因而有研究人員提出濕堆積密度測(cè)量法[22]，采用水測(cè)緊密值法[23-25]測(cè)量固體顆粒填充密度。水測(cè)緊密值法是指固體顆粒在不同水量下所測(cè)的填充率（即固體顆粒在漿體中所占體積的百分比）最大值即為固體顆粒填充密度。填充率最大值出現(xiàn)在固體顆粒剛好被液體包裹形成濕潤(rùn)的漿體（圖1b），此時(shí)固體顆粒間距最小，漿體的密實(shí)程度最大；當(dāng)水量較低時(shí)（圖1a），沒(méi)有足夠的液體包裹全部的固體顆粒，導(dǎo)致無(wú)法形成漿體；當(dāng)水量較高時(shí)（圖1c），固體顆粒容易分散懸浮在漿液中，導(dǎo)致試樣的密實(shí)度下降。

圖1 固體顆粒填充形態(tài)假設(shè)

1.2 水膜厚度、泥漿膜厚度、砂漿膜厚度的物理意義

科研人員綜合考慮固體材料的填充密度、比表面積、空隙體積、剩余水量、剩余漿體體積等因素之后提出了水膜厚度、泥漿膜厚度、砂漿膜厚度的概念。假設(shè)水泥基材料中自由水先填充固體顆粒之間的空隙，剩余的自由水用于包裹固體顆粒，則剩余水的體積與固體顆粒總表面積之比即為水膜厚度，如圖2(a)所示；假設(shè)水泥基材料中水泥漿料先填充骨料顆粒之間的空隙，剩余的水泥漿料用于包裹骨料顆粒，則剩余的水泥漿料體積與骨料顆?？偙砻娣e之比即為泥漿膜厚度，如圖2(b)所示；假設(shè)水泥基材料中砂漿先填充粗骨料顆粒之間的空隙，剩余的砂漿用于包裹粗骨料顆粒，則剩余的砂漿體積與粗骨料顆粒總表面積的比值即為砂漿膜厚度，如圖2(c)所示。

圖2 膜厚度示意圖[26]

2 膜厚度對(duì)水泥基材料性能的影響

2.1 水膜厚度的影響研究

水泥基材料中的水可分為化學(xué)結(jié)合水與自由水，其中化學(xué)結(jié)合水與水泥、礦物摻和料等固體顆粒反應(yīng)，而自由水則首先填充固體顆粒之間的空隙，剩余的自由水則包裹在固體顆粒表面形成一層薄膜，即水膜。因此，有學(xué)者將水膜厚度與水泥基材料的性能相關(guān)聯(lián)，并展開(kāi)了大量的研究。

Kwan等[4]探索了不同細(xì)骨料級(jí)配、灰砂比對(duì)砂漿流動(dòng)性和流變特性的影響，結(jié)果顯示砂漿的擴(kuò)展度、流速與灰砂比呈正比關(guān)系，而屈服應(yīng)力、塑性黏度與灰砂比呈反比關(guān)系，骨料比表面積越大，砂漿的擴(kuò)展度和流速則較小，而屈服應(yīng)力與塑性黏度則較大。為定量分析砂漿流動(dòng)性和流變特性的控制因素，通過(guò)量化水膜厚度值并建立水膜厚度與流動(dòng)性、流變特性之間的數(shù)學(xué)模型，結(jié)果顯示水膜厚度可作為砂漿流動(dòng)性與流變特性的主要控制因素。Kwan及其團(tuán)隊(duì)成員在后續(xù)工作中繼續(xù)基于水膜厚度開(kāi)展了對(duì)復(fù)合砂漿性能控制因素的研究，結(jié)果均表明水膜厚度可作為砂漿流動(dòng)性、流變特性、黏聚性、粘附性、篩析指數(shù)等性能的主要控制因素。其中Li等[27-30]通過(guò)試驗(yàn)研究了水膜厚度與纖維砂漿、海水砂漿的流動(dòng)性、黏聚性、粘附性、篩析指數(shù)等工作性能之間的關(guān)系，結(jié)果揭示了纖維砂漿的工作性能受到水膜厚度與纖維因子（纖維長(zhǎng)度、纖維體積、縱橫比）的共同控制作用，而海水砂漿的工作性能受到水膜厚度的控制作用。

河砂、水泥作為水泥基材料的主要原材料，而目前河砂資源短缺是亟需解決的問(wèn)題，水泥在生產(chǎn)過(guò)程中需要排放大量的CO2，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成不利影響。因此，摻入礦物摻和料替代水泥或河砂對(duì)水泥基材料性能的研究一直以來(lái)受到研究人員的青睞。Chen等[31]利用花崗巖拋光廢料替換河砂對(duì)砂漿性能展開(kāi)了探索，量化出水膜厚度結(jié)果，并與砂漿性能測(cè)試結(jié)果建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，結(jié)果顯示砂漿的流動(dòng)性、粘附性、吸水系數(shù)可由水膜厚度單一因素控制，而篩析指數(shù)與28d抗壓強(qiáng)度則由水膜厚度與花崗巖拋光廢料替換率共同控制。另一方面，Chen等[32]研究了超細(xì)沸石粉替換水泥對(duì)砂漿流動(dòng)性、篩析指數(shù)的影響，通過(guò)設(shè)計(jì)不同的超細(xì)沸石粉替換量、膠砂比以及水灰比，采用相同的研究方法，結(jié)果表明砂漿的流動(dòng)性受到水膜厚度單一因素的控制，而篩析指數(shù)受到水膜厚度、膠砂比的共同控制。肖佳等[5]采用石灰石替代部分砂漿中水泥，通過(guò)測(cè)試漿體的屈服應(yīng)力以及計(jì)算水膜厚度，試驗(yàn)結(jié)果顯示水膜厚度與屈服應(yīng)力之間具有良好的關(guān)系，并進(jìn)一步利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，最終建立了漿體屈服應(yīng)力與水膜厚度之間的數(shù)學(xué)模型。

Wu等[6]開(kāi)展了關(guān)于聚羧酸減水劑、水膜厚度對(duì)漿體流動(dòng)性的研究，研究指出漿體中剩余水量包裹的并非是獨(dú)立的粉體顆粒而是若干個(gè)粉體顆粒組成的的絮凝體，在絮凝體表面形成水膜使其成為一個(gè)獨(dú)立的個(gè)體，進(jìn)而對(duì)漿體的流動(dòng)性產(chǎn)生了較大的影響，研究結(jié)果表明水膜厚度與漿體流動(dòng)性呈正相關(guān)。日本學(xué)者M(jìn)iyake和Matsushita[7]提出了剩余水膜厚度的概念，分別以碎石屑、海砂、河砂為原材料制備了三種砂漿，設(shè)計(jì)了若干組不同水灰比與灰砂比的砂漿試樣，測(cè)試砂漿試樣的坍落度、擴(kuò)展度并計(jì)算剩余水膜厚度以及剩余水膜與固體顆粒粒徑的比值，結(jié)果顯示剩余水膜厚度與固體顆粒粒徑的比值和砂漿坍落度、擴(kuò)展度之間具有良好的相關(guān)性，提出將剩余水膜厚度與固體顆粒粒徑的比值作為砂漿稠度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.2 泥漿膜厚度的影響研究

基于對(duì)水膜厚度的大量研究，科研人員進(jìn)一步開(kāi)展了泥漿膜厚度對(duì)水泥基材料性能的影響研究。Kwan等[8]測(cè)試了不同水灰比和灰砂比下砂漿試樣的流動(dòng)性、流變特性、篩析指數(shù)、石棒粘附性，結(jié)果表明水灰比與灰砂比對(duì)流動(dòng)性、篩析指數(shù)具有正面影響，而對(duì)屈服應(yīng)力、塑性黏度具有負(fù)面影響，在水灰比較大時(shí)，石棒粘附性隨灰砂比增大而減小，但當(dāng)水灰比較小時(shí)，石棒粘附性隨灰砂比增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。為定量探索不同配合比下砂漿性能的控制因素，將水膜厚度和泥漿膜厚度的量化結(jié)果與砂漿性能的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行回歸分析，并建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型，結(jié)果顯示水膜厚度與泥漿膜厚度可作為砂漿性能的共同控制因素。此外，Kwan等[9]采用石灰石粉料置換細(xì)骨料來(lái)探索漿體體積對(duì)砂漿流動(dòng)性、篩析指數(shù)、抗壓強(qiáng)度的影響，采用相同的研究方法，結(jié)果顯示水膜厚度與泥漿膜厚度依然可作為砂漿性能的共同控制因素。因此，水膜厚度與泥漿膜厚度可作為多種配合比下砂漿性能的關(guān)鍵控制因素。

日本學(xué)者M(jìn)iyake和Matsushita[8]在進(jìn)行了剩余水膜厚度的研究之后，提出了剩余漿膜厚度并通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)剩余漿膜厚度與砂漿的坍落度、擴(kuò)展度成正比關(guān)系。同時(shí)，日本學(xué)者M(jìn)ihashi和Ishikawa[10]開(kāi)展了剩余漿體厚度對(duì)混合纖維增強(qiáng)水泥材料性能的研究，將剩余漿體厚度、纖維摻量與屈服應(yīng)力、塑性黏度、延性指數(shù)進(jìn)行回歸分析并建立數(shù)學(xué)模型，結(jié)果顯示剩余漿體厚度與纖維摻量和混合纖維增強(qiáng)水泥材料性能之間具有良好的相關(guān)性。

有研究人員還提出了骨料裹漿厚度、漿體厚度等與泥漿膜厚度相類(lèi)似的概念[11-13]，其物理意義均表示包裹在固體顆粒表面的泥漿厚度。焦登武等[11]研究了混凝土坍落度、流變特性與骨料裹漿厚度之間的關(guān)系，結(jié)果顯示隨著骨料裹漿厚度的增加，坍落度呈線性升高，而屈服應(yīng)力、塑性黏度、靜態(tài)屈服應(yīng)力和觸變性則逐漸下降。張建智等[12]探索了混凝土力學(xué)性能、耐久性與骨料裹漿厚度（厚度分別為10μm、20μm、30μm）之間的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)骨料裹漿層厚度較大時(shí)，混凝土的早期強(qiáng)度較高，但當(dāng)齡期達(dá)56d以后，骨料裹漿厚度較小時(shí)，混凝土的強(qiáng)度、電阻率、抗氯離子滲透能力都有較佳的表現(xiàn)。Sun等[13]探討了高密度的硫鋁酸鹽水泥混凝土性能與漿體厚度（厚度分別為10μm、20μm、30μm）之間的關(guān)系，結(jié)果顯示漿體厚度的增加將導(dǎo)致1d、3d和28d抗壓強(qiáng)度增加，但電阻率下降，此研究結(jié)果與張建智等研究結(jié)果相似，這表明骨料裹漿厚度或者漿體厚度對(duì)于混凝土性能的影響與其所使用的水泥種類(lèi)沒(méi)有影響。

2.3 砂漿膜厚度的影響研究

基于水膜厚度和泥漿膜厚度對(duì)水泥基材料性能的影響研究，研究人員對(duì)混凝土中砂漿膜厚度展開(kāi)了研究。Kwan等[14]進(jìn)行了水膜厚度、泥漿膜厚度以及砂漿膜厚度對(duì)混凝土工作性能的研究，通過(guò)測(cè)試水灰比、漿體體積和砂率對(duì)混凝土擴(kuò)展度、流速、篩析指數(shù)、U型箱填充高度的影響，得出擴(kuò)展度、流速、篩析指數(shù)、U型箱填充高度均與水灰比、漿體體積呈正比關(guān)系而與砂率呈反比關(guān)系。為定量分析混凝土擴(kuò)展度、流速、篩析指數(shù)、U型箱填充高度的主要控制因素，量化出水膜厚度、泥漿膜厚度和砂漿膜厚度的結(jié)果，將其與混凝土工作性能的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行回歸分析并建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型，結(jié)果表明水膜厚度、泥漿膜厚度和砂漿膜厚度可作為混凝土工作性能的控制因素。

何小兵[15]等研究了砂漿膜厚對(duì)自密實(shí)混凝土流變特性、工作性能以及抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果顯示自密實(shí)混凝土初始屈服剪切應(yīng)力隨砂漿膜厚增加而下降，坍落擴(kuò)展度、J環(huán)擴(kuò)展度以及抗壓強(qiáng)度均隨砂漿膜厚增加而增大，并獲得了相關(guān)的預(yù)測(cè)公式，因此在一定程度上可將砂漿膜厚作為自密實(shí)混凝土性能的控制因素。王嘯夫等[16]指出混凝土中砂漿與粗骨料的體積比對(duì)強(qiáng)度具有顯著的影響，因此量化出砂漿層厚度并研究了與混凝土強(qiáng)度的關(guān)系，結(jié)果顯示砂漿層厚度與混凝土強(qiáng)度呈開(kāi)口朝下的拋物線形式，砂漿層厚度過(guò)低使得界面不完善，而砂漿層厚度過(guò)大則使得混凝土體系不均勻性增加，都導(dǎo)致了強(qiáng)度下降。

3 膜厚度對(duì)水泥基材料配合比設(shè)計(jì)的研究

由于水泥基材料的性能是相互關(guān)聯(lián)的，在改善某一個(gè)性能的同時(shí)往往會(huì)造成其他性能的劣化，為獲取性能優(yōu)異的水泥基材料，通常需要進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)以及大量試配工作。有研究人員基于膜厚度理論對(duì)水泥基材料性能的研究，提出膜厚度理論有助于進(jìn)行水泥基材料配合比設(shè)計(jì)及優(yōu)化工作[15,16,26,33]，其中NG和Li等[26,33]根據(jù)固體顆粒的填充密度以及膜厚度理論進(jìn)行了砂漿與混凝土的配合比設(shè)計(jì)。通過(guò)查閱文獻(xiàn)，本文提出了基于膜厚度進(jìn)行水泥基材料配合比設(shè)計(jì)工作的技術(shù)路線圖，如圖3所示。在進(jìn)行水泥基材料配合比設(shè)計(jì)工作時(shí)，一方面可根據(jù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，另一方面可通過(guò)計(jì)算膜厚度對(duì)配合比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少試配工作量。

圖3 水泥基材料配合比設(shè)計(jì)技術(shù)路線圖

4 結(jié)論與展望

⑴采用濕堆積測(cè)量法測(cè)試固體材料填充密度能夠更好地模擬固體材料在新拌水泥基材料中的緊密填充狀態(tài)，與實(shí)際狀況更符合。

⑵將膜厚度量化結(jié)果與水泥基材料流動(dòng)性、流變特性、力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果進(jìn)行回歸分析并建立數(shù)學(xué)模型，結(jié)果顯示膜厚度與水泥基材料性能之間具有良好的相關(guān)性，膜厚度可作為水泥基材料流動(dòng)性、流變特性、力學(xué)性能的主要控制因素。

⑶雖然研究人員普遍認(rèn)為膜厚度有助于進(jìn)行水泥基材料的配合比設(shè)計(jì)工作，然而目前基于膜厚度進(jìn)行水泥基材料配合比設(shè)計(jì)工作的具體研究卻開(kāi)展得較少，本文提出了水泥基材料配合比設(shè)計(jì)的技術(shù)路線圖，但仍需開(kāi)展大量相關(guān)試驗(yàn)以驗(yàn)證其科學(xué)性、準(zhǔn)確性。