基于膜厚度理论对水泥基材料性能的研究进展

夏 勇 陈 哲 麦俊明 吴春丽 黄国栋

（广东省建筑材料研究院有限公司）

0 引言

水泥基是以水泥作为胶凝材料的工程材料，常见的水泥基材料有净浆、砂浆、混凝土等，由于水泥基材料具有良好的工作性能、力学性能以及耐久性能，且原材料来源广、价格低廉，因此水泥基材料被广泛用于土木建筑、水运交通等行业中。通常情况下，新拌水泥基材料的浆体是由固体、液体、气体混合而成的一种复杂体系，同时也是一种不均匀材质，这使得新拌水泥基材料浆体工作性能、流变特性、力学性能的影响因素较多，例如固体材料的比表面积、堆积密实度、空气量、水量、砂率、水灰比、灰砂比、浆体体积等[1-3]，因此对于水泥基材料性能主要控制因素的研究较为复杂。鉴于此，研究人员尝试将以上多个影响因素进行综合考虑，提出了诸如水膜厚度[4-6]、剩余水膜厚度[7]、泥浆膜厚度[8,9]、剩余浆膜厚度[7,10]、骨料裹浆厚度[11-12]、浆体厚度[13]、砂浆膜厚度[14-15]、砂浆层厚度[16]等概念，这些概念大同小异，可归纳统一为膜厚度理论。通过将膜厚度的量化结果与水泥基材料工作性能、流变特性、力学性能的测试结果进行回归分析、建立数学模型是一种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、泥浆膜厚度、砂浆膜厚度为例，阐述了固体颗粒填充密度的测量方法以及水膜厚度、泥浆膜厚度、砂浆膜厚度的物理意义，介绍了研究人员基于膜厚度理论对水泥基材料工作性能、流变特性、力学强度等方面的研究进展，最后提出了基于膜厚度理论进行配合比设计的技术路线图，为水泥基材料的配合比设计工作提供参考。

1 膜厚度理论

1.1 填充密度的研究

研究显示水泥基材料的性能往往会受到固体颗粒填充密度的影响，加拿大舍布鲁克大学Aïtcin教授[17]指出提高混凝土材料中固体颗粒填充密度是实现混凝土材料全面高性能化的研究方向。伊朗学者Reisi等[18]利用计算机模拟混凝土材料中固体颗粒的分布，发现提高固体颗粒填充密度有助于提高混凝土材料的性能，其他学者的研究亦表明提高固体颗粒填充密度有助于获得高性能混凝土[19-21]。

然而，对于固体颗粒填充密度的准确测量却一直困扰着科研人员，现阶段通常采用干堆积测量法，如美国ASTM C29、英国BS 812等规范，但干堆积测量法中固体颗粒的紧密填充状况与其在实际新拌混凝土固液二相条件下紧密填充状况相差甚远，利用干堆积测量法无法有效顾及固体颗粒之间的静电排斥作用、空气量、水量、减水剂等影响因素，各国规范关于固体颗粒填充密度的测量结果具有较大的差异，将其作为精准定量计算的数值会存在误差。因而有研究人员提出湿堆积密度测量法[22]，采用水测紧密值法[23-25]测量固体颗粒填充密度。水测紧密值法是指固体颗粒在不同水量下所测的填充率（即固体颗粒在浆体中所占体积的百分比）最大值即为固体颗粒填充密度。填充率最大值出现在固体颗粒刚好被液体包裹形成湿润的浆体（图1b），此时固体颗粒间距最小，浆体的密实程度最大；当水量较低时（图1a），没有足够的液体包裹全部的固体颗粒，导致无法形成浆体；当水量较高时（图1c），固体颗粒容易分散悬浮在浆液中，导致试样的密实度下降。

图1 固体颗粒填充形态假设

1.2 水膜厚度、泥浆膜厚度、砂浆膜厚度的物理意义

科研人员综合考虑固体材料的填充密度、比表面积、空隙体积、剩余水量、剩余浆体体积等因素之后提出了水膜厚度、泥浆膜厚度、砂浆膜厚度的概念。假设水泥基材料中自由水先填充固体颗粒之间的空隙，剩余的自由水用于包裹固体颗粒，则剩余水的体积与固体颗粒总表面积之比即为水膜厚度，如图2(a)所示；假设水泥基材料中水泥浆料先填充骨料颗粒之间的空隙，剩余的水泥浆料用于包裹骨料颗粒，则剩余的水泥浆料体积与骨料颗粒总表面积之比即为泥浆膜厚度，如图2(b)所示；假设水泥基材料中砂浆先填充粗骨料颗粒之间的空隙，剩余的砂浆用于包裹粗骨料颗粒，则剩余的砂浆体积与粗骨料颗粒总表面积的比值即为砂浆膜厚度，如图2(c)所示。

图2 膜厚度示意图[26]

2 膜厚度对水泥基材料性能的影响

2.1 水膜厚度的影响研究

水泥基材料中的水可分为化学结合水与自由水，其中化学结合水与水泥、矿物掺和料等固体颗粒反应，而自由水则首先填充固体颗粒之间的空隙，剩余的自由水则包裹在固体颗粒表面形成一层薄膜，即水膜。因此，有学者将水膜厚度与水泥基材料的性能相关联，并展开了大量的研究。

Kwan等[4]探索了不同细骨料级配、灰砂比对砂浆流动性和流变特性的影响，结果显示砂浆的扩展度、流速与灰砂比呈正比关系，而屈服应力、塑性黏度与灰砂比呈反比关系，骨料比表面积越大，砂浆的扩展度和流速则较小，而屈服应力与塑性黏度则较大。为定量分析砂浆流动性和流变特性的控制因素，通过量化水膜厚度值并建立水膜厚度与流动性、流变特性之间的数学模型，结果显示水膜厚度可作为砂浆流动性与流变特性的主要控制因素。Kwan及其团队成员在后续工作中继续基于水膜厚度开展了对复合砂浆性能控制因素的研究，结果均表明水膜厚度可作为砂浆流动性、流变特性、黏聚性、粘附性、筛析指数等性能的主要控制因素。其中Li等[27-30]通过试验研究了水膜厚度与纤维砂浆、海水砂浆的流动性、黏聚性、粘附性、筛析指数等工作性能之间的关系，结果揭示了纤维砂浆的工作性能受到水膜厚度与纤维因子（纤维长度、纤维体积、纵横比）的共同控制作用，而海水砂浆的工作性能受到水膜厚度的控制作用。

河砂、水泥作为水泥基材料的主要原材料，而目前河砂资源短缺是亟需解决的问题，水泥在生产过程中需要排放大量的CO2，对生态环境造成不利影响。因此，掺入矿物掺和料替代水泥或河砂对水泥基材料性能的研究一直以来受到研究人员的青睐。Chen等[31]利用花岗岩抛光废料替换河砂对砂浆性能展开了探索，量化出水膜厚度结果，并与砂浆性能测试结果建立相关数学模型进行分析，结果显示砂浆的流动性、粘附性、吸水系数可由水膜厚度单一因素控制，而筛析指数与28d抗压强度则由水膜厚度与花岗岩抛光废料替换率共同控制。另一方面，Chen等[32]研究了超细沸石粉替换水泥对砂浆流动性、筛析指数的影响，通过设计不同的超细沸石粉替换量、胶砂比以及水灰比，采用相同的研究方法，结果表明砂浆的流动性受到水膜厚度单一因素的控制，而筛析指数受到水膜厚度、胶砂比的共同控制。肖佳等[5]采用石灰石替代部分砂浆中水泥，通过测试浆体的屈服应力以及计算水膜厚度，试验结果显示水膜厚度与屈服应力之间具有良好的关系，并进一步利用BP神经网络将预测值与实测值进行比较，最终建立了浆体屈服应力与水膜厚度之间的数学模型。

Wu等[6]开展了关于聚羧酸减水剂、水膜厚度对浆体流动性的研究，研究指出浆体中剩余水量包裹的并非是独立的粉体颗粒而是若干个粉体颗粒组成的的絮凝体，在絮凝体表面形成水膜使其成为一个独立的个体，进而对浆体的流动性产生了较大的影响，研究结果表明水膜厚度与浆体流动性呈正相关。日本学者Miyake和Matsushita[7]提出了剩余水膜厚度的概念，分别以碎石屑、海砂、河砂为原材料制备了三种砂浆，设计了若干组不同水灰比与灰砂比的砂浆试样，测试砂浆试样的坍落度、扩展度并计算剩余水膜厚度以及剩余水膜与固体颗粒粒径的比值，结果显示剩余水膜厚度与固体颗粒粒径的比值和砂浆坍落度、扩展度之间具有良好的相关性，提出将剩余水膜厚度与固体颗粒粒径的比值作为砂浆稠度的评价指标。

2.2 泥浆膜厚度的影响研究

基于对水膜厚度的大量研究，科研人员进一步开展了泥浆膜厚度对水泥基材料性能的影响研究。Kwan等[8]测试了不同水灰比和灰砂比下砂浆试样的流动性、流变特性、筛析指数、石棒粘附性，结果表明水灰比与灰砂比对流动性、筛析指数具有正面影响，而对屈服应力、塑性黏度具有负面影响，在水灰比较大时，石棒粘附性随灰砂比增大而减小，但当水灰比较小时，石棒粘附性随灰砂比增大呈现先增大后减小的趋势。为定量探索不同配合比下砂浆性能的控制因素，将水膜厚度和泥浆膜厚度的量化结果与砂浆性能的测试结果进行回归分析，并建立相关数学模型，结果显示水膜厚度与泥浆膜厚度可作为砂浆性能的共同控制因素。此外，Kwan等[9]采用石灰石粉料置换细骨料来探索浆体体积对砂浆流动性、筛析指数、抗压强度的影响，采用相同的研究方法，结果显示水膜厚度与泥浆膜厚度依然可作为砂浆性能的共同控制因素。因此，水膜厚度与泥浆膜厚度可作为多种配合比下砂浆性能的关键控制因素。

日本学者Miyake和Matsushita[8]在进行了剩余水膜厚度的研究之后，提出了剩余浆膜厚度并通过试验发现剩余浆膜厚度与砂浆的坍落度、扩展度成正比关系。同时，日本学者Mihashi和Ishikawa[10]开展了剩余浆体厚度对混合纤维增强水泥材料性能的研究，将剩余浆体厚度、纤维掺量与屈服应力、塑性黏度、延性指数进行回归分析并建立数学模型，结果显示剩余浆体厚度与纤维掺量和混合纤维增强水泥材料性能之间具有良好的相关性。

有研究人员还提出了骨料裹浆厚度、浆体厚度等与泥浆膜厚度相类似的概念[11-13]，其物理意义均表示包裹在固体颗粒表面的泥浆厚度。焦登武等[11]研究了混凝土坍落度、流变特性与骨料裹浆厚度之间的关系，结果显示随着骨料裹浆厚度的增加，坍落度呈线性升高，而屈服应力、塑性黏度、静态屈服应力和触变性则逐渐下降。张建智等[12]探索了混凝土力学性能、耐久性与骨料裹浆厚度（厚度分别为10μm、20μm、30μm）之间的关系，结果发现骨料裹浆层厚度较大时，混凝土的早期强度较高，但当龄期达56d以后，骨料裹浆厚度较小时，混凝土的强度、电阻率、抗氯离子渗透能力都有较佳的表现。Sun等[13]探讨了高密度的硫铝酸盐水泥混凝土性能与浆体厚度（厚度分别为10μm、20μm、30μm）之间的关系，结果显示浆体厚度的增加将导致1d、3d和28d抗压强度增加，但电阻率下降，此研究结果与张建智等研究结果相似，这表明骨料裹浆厚度或者浆体厚度对于混凝土性能的影响与其所使用的水泥种类没有影响。

2.3 砂浆膜厚度的影响研究

基于水膜厚度和泥浆膜厚度对水泥基材料性能的影响研究，研究人员对混凝土中砂浆膜厚度展开了研究。Kwan等[14]进行了水膜厚度、泥浆膜厚度以及砂浆膜厚度对混凝土工作性能的研究，通过测试水灰比、浆体体积和砂率对混凝土扩展度、流速、筛析指数、U型箱填充高度的影响，得出扩展度、流速、筛析指数、U型箱填充高度均与水灰比、浆体体积呈正比关系而与砂率呈反比关系。为定量分析混凝土扩展度、流速、筛析指数、U型箱填充高度的主要控制因素，量化出水膜厚度、泥浆膜厚度和砂浆膜厚度的结果，将其与混凝土工作性能的测试结果进行回归分析并建立相关数学模型，结果表明水膜厚度、泥浆膜厚度和砂浆膜厚度可作为混凝土工作性能的控制因素。

何小兵[15]等研究了砂浆膜厚对自密实混凝土流变特性、工作性能以及抗压强度的影响，结果显示自密实混凝土初始屈服剪切应力随砂浆膜厚增加而下降，坍落扩展度、J环扩展度以及抗压强度均随砂浆膜厚增加而增大，并获得了相关的预测公式，因此在一定程度上可将砂浆膜厚作为自密实混凝土性能的控制因素。王啸夫等[16]指出混凝土中砂浆与粗骨料的体积比对强度具有显著的影响，因此量化出砂浆层厚度并研究了与混凝土强度的关系，结果显示砂浆层厚度与混凝土强度呈开口朝下的抛物线形式，砂浆层厚度过低使得界面不完善，而砂浆层厚度过大则使得混凝土体系不均匀性增加，都导致了强度下降。

3 膜厚度对水泥基材料配合比设计的研究

由于水泥基材料的性能是相互关联的，在改善某一个性能的同时往往会造成其他性能的劣化，为获取性能优异的水泥基材料，通常需要进行配合比设计以及大量试配工作。有研究人员基于膜厚度理论对水泥基材料性能的研究，提出膜厚度理论有助于进行水泥基材料配合比设计及优化工作[15,16,26,33]，其中NG和Li等[26,33]根据固体颗粒的填充密度以及膜厚度理论进行了砂浆与混凝土的配合比设计。通过查阅文献，本文提出了基于膜厚度进行水泥基材料配合比设计工作的技术路线图，如图3所示。在进行水泥基材料配合比设计工作时，一方面可根据相关规范进行配合比设计，另一方面可通过计算膜厚度对配合比进行优化设计，减少试配工作量。

图3 水泥基材料配合比设计技术路线图

4 结论与展望

⑴采用湿堆积测量法测试固体材料填充密度能够更好地模拟固体材料在新拌水泥基材料中的紧密填充状态，与实际状况更符合。

⑵将膜厚度量化结果与水泥基材料流动性、流变特性、力学性能测试结果进行回归分析并建立数学模型，结果显示膜厚度与水泥基材料性能之间具有良好的相关性，膜厚度可作为水泥基材料流动性、流变特性、力学性能的主要控制因素。

⑶虽然研究人员普遍认为膜厚度有助于进行水泥基材料的配合比设计工作，然而目前基于膜厚度进行水泥基材料配合比设计工作的具体研究却开展得较少，本文提出了水泥基材料配合比设计的技术路线图，但仍需开展大量相关试验以验证其科学性、准确性。