[摘要] 本文分別采用水泥膠砂耐磨性試驗方法與混凝土及其制品耐磨性試驗方法（滾珠軸承式）研究了不同顆粒分布的水泥膠砂及其混凝土的耐磨性能，并通過壓汞法檢測了不同顆粒分布的水泥配制的混凝土砂漿的孔隙率。實驗結果表明：顆粒分布較寬的水泥，其砂漿與混凝土的耐磨性能均優于顆粒分布較集中的水泥。較寬的顆粒分布使水泥砂漿或混凝土具有良好的密實性及孔結構，有利于耐磨性的提高。
[關鍵詞] 水泥顆粒分布耐磨性
Influence of particle size distribution of cement on the performance of abrasion resistance of concrete
[Abstracts] The abrasion resistance of mortar and concrete prepared by cement with different particle size distribution (PSD) is studied in this paper, which is tested through the method of wear abrasion for cement mortar and abrasion resistance of concrete (Ball bearing method). Also the porosity of mortar separated from the concrete is measured by mercury intrusion method. The results showed that the abrasion resistance of cement mortar and concrete produced by the cement with wide PSD was better than that with the narrow. Cement with wide PSD could increase the compactibility, reduce the porosity, and further enhance the abrasion resistance of cement mortar and concrete.
[Key words] cement; particle size distribution; abrasion resistance
作為混凝土耐久性性能之一的耐磨性正隨著人們對混凝土表面性能的關注及道路、機場等建設工程的增多而日益得到重視。尤其是商品混凝土的大量推廣使用以后，當施工或養護工作欠規范時，往往易造成混凝土表面結構較疏松，耐磨性能很差。因此，混凝土耐磨性已成為評價混凝土性能優劣的一項重要指標。以往對混凝土耐磨性的研究主要從水泥熟料礦物組成、骨料耐磨性、摻合料品種及混凝土配制技術方面著手，并取得了較好的結果。這些研究從不同的角度對影響混凝土耐磨性的因素進行了探索，但是忽視了水泥的物理形態對混凝土耐磨性的影響，尤其是水泥顆粒分布對混凝土耐磨性影響的研究成果較少。本文采用礦物組成相同、顆粒分布不同的水泥，配制成砂漿及混凝土進行對比實驗，研究它們在耐磨性方面的差異，實驗中使用的滾珠軸承式耐磨試驗機能夠模擬車輪行駛狀態下混凝土表面受到的磨損，與真實地交通運輸磨損狀況相符合，使研究成果更具有實踐意義。
1.原材料及實驗方法
1.1 材料
（1）水泥：選用廣州珠江水泥廠生產的同一熟料不同粉磨工藝磨制的兩種粵秀牌P.II 42.5R 水泥。水泥的球磨形式及顆粒分布見表1，28 天齡期的化學結合水見表2，水泥熟料的化學成分見表3，水泥的物理性能指標見表4。
1.2 實驗方法
1 （1）坍落度測試：按照GB/T 50080-2002 標準進行測試。
2 （2）抗壓強度測試：按照GB/T 50081-2002 混凝土抗壓強度方法進行測試。
3 （3）耐磨性能測試：采用國標GB/T16925-1997 《混凝土及其制品耐磨性試驗方法（滾珠軸承式）》的測試方法。本實驗采用同濟大學附屬工廠生產的NS2 型滾珠軸承式耐磨試驗機，其結構如圖1 所示。實驗以耐磨度表征混凝土的耐磨性能，耐磨度越大，混凝土耐磨性越好。樣品要求：混凝土拌和均勻后成型為150×150×150mm 的立方體試件，標準養護至28d 齡期；混凝土中篩分出的砂漿成型為100×100×100mm 的立方體試件，標準養護至28d 齡期。
1 （4）水泥膠砂耐磨性試驗：按照JC/T421-2004 《水泥膠砂耐磨性試驗方法》進行測試。磨損結果采用3 塊試體磨損量的平均值表征。磨損量小，水泥的耐磨性好；磨損量大，水泥的耐磨性差。
2 （5）水泥顆粒分布的測定：使用上海衡平儀器儀表廠生產的TZC-4 型顆粒測定儀。
3 （6）壓汞法測試：本實驗采用美國康塔公司的壓汞儀 PoreMaster 60 。
1 2. 實驗結果與討論
2 顆粒分布對水泥膠砂耐磨性的影響
分別按照JC/T421-2004 及GB/T16925-1997 的方法檢測了C-1、C-2 水泥配制的標準砂漿與混凝土拌和物篩分出的砂漿的耐磨性，實驗結果如表5、表6 所示。
從表5 結果可見：C-1 水泥的膠砂磨損量比C-2 水泥的磨損量小，這表明C-1 水泥的耐磨性優于C-2 水泥。從表6 中的結果可以看出，低水灰比的水泥砂漿耐磨度比高水灰比的高，既耐磨度隨著水灰比的降低而提高；配方相同時，兩種水灰比情況下，采用C-1 水泥所配制的砂漿的耐磨度均高于C-2 水泥配制的水泥砂漿；高水灰比條件下，C-1 水泥砂漿的耐磨度比C-2 水泥高出6.13％，低水灰比條件下，C-1 樣品的耐磨度比C-2 高出13.2％，即低水灰比條件下，兩者耐磨度的差異更加顯著。與表5 的結果對比可知，采用JC/T421-2004 《水泥膠砂耐磨性試驗方法》和GB/T16925-1997 《混凝土及其制品耐磨性試驗方法（滾珠軸承式）》所得結果的規律性一致。
2.2 混凝土實驗
分別使用C-1、C-2 兩個水泥，采用3 個不同的水灰比配制混凝土，混凝土配合比及拌和物的塌落度、擴展度如表7 所示。混凝土抗壓強度及耐磨度數據如表8 所示。
由表8 可見：同一種水泥配制的混凝土，抗壓強度越高，其耐磨度也越大，混凝土的耐磨度與抗壓強度均隨著水灰比降低而提高；在混凝土配合比相同時候，采用C-1 水泥所配制的混凝土在三種水灰比條件下的耐磨度均大于C-2 水泥配制的混凝土。0.51 水灰比條件下，耐磨度提高3.7%；0.41 水灰比條件下，耐磨度提高8.1％；0.31 水灰比條件下，耐磨度提高16.2％。耐磨度的差距隨水灰比的降低而增大。
實驗中的水泥樣品C-1 、C-2 使用的熟料相同，兩者在化學成分及礦物組成上沒有區別，只是水泥的顆粒分布存在差異。C-1 水泥與C-2 水泥相比，其顆粒分布相對較均勻，其中微顆粒（﹤5.5 um）較C-2 水泥多11.33%，而中間顆粒（5.5～30um）及大顆粒（＞30 um）所占比例則分別要比C-2 水泥少7.38%及3.95% 。由于微顆粒的數量較多，C-1 水泥的比表面積要比C-2 水泥大33 m2/Kg；但是，又由于微顆粒能夠填充在大顆粒的空隙中，使水泥顆粒的堆積體系更加緊密，用于填充水泥顆粒間空隙的拌和水量更少，因此C-1 水泥的標準稠度用水量比C-2 水泥更小。采用壓汞法測得樣品1-1、2-1 兩個硬化混凝土漿體的孔直徑分布如表9 及圖2 所示。
由圖2 可見：樣品1-1 的總孔隙率小于樣品2-1 的總孔隙率，樣品1-1 的總孔隙率僅有樣品2-1 的75%，但是樣品1-1 中小于20nm 的微孔數量比樣品2-1 多17.6% 。吳中偉教授[12] 提出：混凝土的孔分為四級，d＜20nm 的為無害孔級，d=20-100nm 的為少害孔級，d=100-200nm 的為有害孔級，d＞200nm 的為多害孔級。方大明[13] 認為：孔隙率小的混凝土，內部粒子間距小，粒子間接觸較牢固，有利于混凝土的強度提高；在相同的孔隙率下，孔級配不同，對混凝土的強度影響也較大。綜合國內外所發表的孔結構說，可以認為當孔隙率相同，平均孔徑小的混凝土強度高，孔徑小于3.2nm 的凝膠孔對提高混凝土的強度有益無害。
樣品1-1 與樣品2-1 比較，呈現出總孔隙率小，無害孔數量多、有害孔數量少的特點。由此可見，使用C-1 水泥配制的混凝土不僅密實性較高，而且孔結構也更優良。良好的密實性及孔結構對于混凝土力學性能的改善具有重要意義，上述兩種水泥在耐磨性方面的差異也不例外。另外，從表2 的實驗數據可知，兩種水泥28 天齡期的化學結合水量分別為31.4572% 及32.8412% ，其中C-2 比C-1 略大1.384%，因差距較小，可忽略不計，兩者近似相等。這表明兩種水泥雖然在比表面積及顆粒分布上存在差異，但兩者的28 天水化程度基本接近。在水泥熟料相同的條件下，比表面積及顆粒分布的差異對28 天齡期的水化程度影響不大。因此，上述兩種水泥在耐磨性方面的差異主要是由砂漿或混凝土的孔隙率及孔結構所決定的。開路磨系統與閉路磨系統比較，水泥顆粒的分布相對較寬，顆粒分布較寬的水泥配制的砂漿或混凝土的密實性及孔結構均優于顆粒分布較窄的水泥，這有利于耐磨性的提高，也是C-1 水泥的耐磨性優于C-2 水泥的原因。
4. 結論
1 1．顆粒分布較寬的水泥，在水灰比及外加劑用量相同的情況下，配制的水泥砂漿或混凝土具有良好的密實性及孔結構，其砂漿與混凝土的耐磨性能均優于顆粒分布較集中的水泥。較寬的顆粒分布使水泥砂漿或混凝土具有更小的孔隙率及良好的孔結構，這有利于耐磨性的提高，也是顆粒分布較寬的水泥耐磨性優于顆粒分布較窄水泥的主要原因。
2 2．混凝土的密實性及孔結構對耐磨性的改善具有重要意義。孔隙率小的混凝土，有利于混凝土耐磨性的提高；孔徑小于20nm 的孔對混凝土的耐磨性沒有不良影響，屬于無害孔。
