一、引言
水泥作為土木工程領域最基礎的膠凝材料，其性能優化對工程質量與效率具有重要意義。隨著材料制備技術的發展，超細水泥(尤其是2500目及以上細度)因具有比表面積大、反應活性高、填充性優異等特點，在注漿加固、微細裂縫修復、高性能混凝土制備等場景中展現出獨特優勢。然而，超細水泥的超細顆粒特性使其流變性能與傳統水泥存在顯著差異，易出現高黏度、剪切增稠或觸變現象，影響施工可操作性；同時，超細顆粒的水化反應動力學、產物微觀結構及長期性能演化規律尚未明確，制約了其工程應用的精準調控。本文通過實驗研究，系統分析2500目超細水泥的流變性能參數(如黏度、屈服應力、觸變性等)及其影響因素，并結合水化熱、XRD、SEM等測試手段，探究超細顆粒的水化進程與微觀機制，為超細水泥的工程應用提供理論依據與技術支撐。
二、2500目超細水泥流變性能實驗分析
(一)實驗材料與方法
1. 原材料：選用2500目超細水泥(比表面積約800~1000 m2/kg，平均粒徑3~5 μm)，其化學成分為CaO 62.5%、SiO? 21.3%、Al?O? 5.8%、Fe?O? 3.2%，燒失量2.1%；實驗用水為去離子水，水灰比(w/c)范圍設定為0.3~0.6(覆蓋實際工程常用區間)；減水劑選用聚羧酸系高效減水劑(固含量20%)，摻量為水泥質量的0.5%~2.0%。
2. 實驗設備：采用安東帕MCR 302旋轉流變儀，配置同軸圓筒轉子(CC27)，測試溫度控制為25±0.5℃；測試模式包括：①穩態剪切實驗(剪切速率0.1~100 s?1，獲取黏度-剪切速率曲線)；②動態剪切實驗(頻率0.1~10 Hz，應變0.1%~10%，測定儲能模量G'、損耗模量G'')；③觸變性測試(在低剪切速率(1 s?1)與高剪切速率(100 s?1)下交替切換，記錄黏度隨時間的恢復特性)。
3. 樣品制備：按設計配比將水泥、水、減水劑混合，采用磁力攪拌器(轉速1500 r/min)攪拌2 min，靜置1 min后倒入流變儀樣品杯，避免氣泡產生。
(二)流變性能結果與分析
1. 剪切速率對黏度的影響：
o 在w/c=0.3時，超細水泥漿體呈現顯著的剪切增稠特性：剪切速率從0.1 s?1增至100 s?1過程中，黏度從850 Pa·s升至1200 Pa·s，這是由于超細顆粒在低剪切下形成松散絮凝結構，高剪切時顆粒碰撞加劇，絮凝體解體后自由顆粒間摩擦力增大；
o 當w/c提高至0.5時，漿體轉變為剪切變稀行為，黏度隨剪切速率增大從320 Pa·s降至45 Pa·s，此時水分充足，顆粒間距增大，剪切作用破壞顆粒間弱鍵(范德華力、氫鍵)，結構解體導致黏度下降；
o w/c=0.6時，剪切變稀趨勢減弱，黏度整體降低(0.1 s?1時黏度為180 Pa·s，100 s？1時為25 Pa·s)，表明過量水分削弱了顆粒間相互作用。
2. 減水劑摻量的調控作用：
o 未摻減水劑時(w/c=0.4)，漿體黏度極高(0.1 s?1時黏度>1500 Pa·s)，無法滿足施工流動性要求；
o 減水劑摻量0.5%時，黏度降至520 Pa·s(0.1 s?1)，剪切變稀特性顯現；摻量1.0%時，黏度進一步降至180 Pa·s，且在剪切速率50~100 s?1區間黏度趨于穩定(30~40 Pa·s)；
o 當摻量超過1.5%后，黏度下降幅度減緩(1.5%時0.1 s?1黏度為120 Pa·s，2.0%時為110 Pa·s)，表明減水劑分子已充分吸附于顆粒表面，過量摻量易導致氣泡引入。
3. 動態黏彈性能：
o 在w/c=0.4、減水劑1.0%條件下，當應變〈1%時，g'(約800 200="">5%后，G'與G''均下降，漿體表現為黏性流體；
o 頻率掃描顯示，G'與G''隨頻率升高而增大，且G'始終大于G''，表明超細水泥漿體具有弱凝膠結構，高頻下彈性響應增強，低頻下黏性主導。
4. 觸變性：
o 漿體在高剪切(100 s?1)作用10 s后黏度降至35 Pa·s，切換至低剪切(1 s?1后，黏度在30 s內恢復至初始值的85%(約150 Pa·s)，60 s后基本穩定(170 Pa·s)，表明超細水泥漿體觸變恢復能力較強，有利于注漿施工中漿體在裂縫內的保形與填充。
(三)流變性能影響機制
· 顆粒級配與比表面積：2500目超細水泥比表面積是42.5級普通水泥(約350 m2/kg)的2~3倍，顆粒表面能高，易通過范德華力、靜電力形成絮凝體，導致初始黏度升高；
· 水灰比：低w/c時，自由水不足，絮凝體難以解體，表現為剪切增稠；高w/c時，自由水包裹顆粒形成潤滑層，剪切作用下結構易破壞，呈現剪切變稀；
· 減水劑作用：減水劑分子通過靜電斥力(羧酸根離子)與空間位阻效應分散絮凝體，降低顆粒間內聚力，有效改善流動性，且聚羧酸系減水劑的長側鏈可增強潤滑作用。
三、2500目超細水泥顆粒水化實驗研究
(一)實驗設計與測試方法
1. 水化熱測試：采用TAM Air八通道微量熱儀，樣品量5 g，w/c=0.5，溫度25℃，連續測試72 h，記錄水化放熱速率與累計放熱量；
2. 水化產物與結構表征：
o XRD分析：取水化1 d、3 d、7 d、28 d的樣品，經無水乙醇終止水化、真空干燥后，采用Bruker D8 Advance X射線衍射儀(Cu Kα靶，掃描范圍5°~70°，步長0.02°)分析物相組成，通過Rietveld法計算未水化水泥熟料(C?S、C?S)含量；
o SEM觀察：樣品經噴金處理后，使用Zeiss Sigma 300場發射掃描電鏡觀察水化產物微觀形貌(如C-S-H凝膠、Ca(OH)?晶體、AFt等)；
o 孔結構測試：采用壓汞儀(AutoPore IV 9500)測試水化28 d樣品的孔徑分布與總孔隙率。
(二)水化進程與產物演化規律
1. 水化熱特征：
o 超細水泥水化放熱曲線分為四個階段：①初始水解期(0~10 min)，放熱速率達峰值(1.2 mW/g)，源于水泥顆粒表面離子快速溶解；②誘導期(10 min~2 h)，放熱速率降至0.15 mW/g，為水化產物成核準備階段；③加速期(2~12 h)，放熱速率再次上升，10 h左右出現第二放熱峰(0.8 mW/g)，對應C?S大量水化生成C-S-H與Ca(OH)?；④減速期(12~72 h)，放熱速率緩慢下降至0.05 mW/g；
o 72 h累計放熱量為350 J/g，顯著高于普通水泥(約250 J/g)，表明超細水泥水化反應更充分。
2. XRD物相分析：
o 水化1 d時，C?S特征峰(2θ=32.2°)強度下降35%，C?S(2θ=34.1°)下降15%，生成Ca(OH)?(2θ=18.0°、34.2°)與AFt(2θ=9.1°)；
o 水化7 d時，C?S峰強度下降70%，C?S下降40%，Ca(OH)?峰強度達最大值；
o 水化28 d時，C?S、C?S基本完全水化，Ca(OH)?峰強度略有降低(部分參與二次水化反應生成C-S-H)。
3. 微觀形貌演化：
o 水化1 d：超細水泥顆粒表面生成絮狀C-S-H凝膠，呈無定形網絡結構，局部可見針狀AFt晶體穿插其中；
o 水化7 d：C-S-H凝膠密集生長，包裹未水化顆粒，Ca(OH)?晶體呈六方片狀，尺寸約2~5 μm，分布于凝膠孔隙中；
o 水化28 d：C-S-H凝膠進一步致密化，形成連續基質，Ca(OH)?晶體部分細化或被凝膠包裹，孔隙率顯著降低，結構更均勻。
4. 孔結構特征：
o 水化28 d時，超細水泥漿體總孔隙率為18.5%，普通水泥為28.3%；
o 孔徑分布以無害孔(〈20 50="">50 nm)僅占10%，而普通水泥有害孔占比達35%，表明超細水泥水化產物結構更致密，小孔徑占比高。
(三)超細顆粒水化機制
· 動力學加速效應：超細顆粒粒徑小，縮短了水分擴散路徑與離子遷移距離，且高比表面積提供了更多水化反應活性位點，使誘導期縮短、加速期提前，水化速率顯著提高；
· 產物填充效應：超細顆粒水化生成的C-S-H凝膠更細小(平均粒徑<100 nm)，可填充于較大孔隙中，細化孔徑分布；同時，顆粒間緊密堆積減少了初始孔隙，協同提升結構致密性；
· 二次水化反應：超細水泥中活性SiO?、Al?O?與Ca(OH)?發生火山灰反應，生成額外C-S-H與C-A-H凝膠，進一步降低Ca(OH)?含量，優化產物組成，改善長期強度與耐久性。
四、結論與展望
(一)主要結論
1. 流變性能：2500目超細水泥漿體流變特性受水灰比與減水劑摻量顯著影響：低w/c(≤0.3)時呈剪切增稠，高w/c(≥0.5)時呈剪切變稀；減水劑摻量1.0%~1.5%可有效調控黏度至施工適用范圍(100 s?1時黏度30~50 Pa·s)，且觸變恢復能力強，利于工程應用。
2. 水化特性：超細顆粒因高比表面積與活性，水化放熱速率與累計放熱量均高于普通水泥，72 h累計放熱量達350 J/g；水化產物以C-S-H凝膠為主，Ca(OH)?含量低，28 d總孔隙率18.5%，孔徑分布以無害孔為主，結構致密。
3. 關聯機制：超細顆粒的高表面能導致流變性能對水灰比敏感，需通過減水劑優化分散；而水化進程的加速與產物填充效應則源于其小粒徑與高反應活性，二者共同決定了超細水泥的工程適用性。
(二)工程應用建議
· 注漿加固：推薦w/c=0.4~0.5，減水劑摻量1.2%~1.5%，利用其高流動性與觸變恢復能力，提高裂縫填充率；
· 高性能混凝土：可作為礦物摻合料(替代10%~20%水泥)，改善混凝土工作性與界面過渡區結構，提升抗壓強度與耐久性；
· 注意事項：超細水泥易吸潮結塊，需密封儲存；施工時應縮短攪拌至注漿的間隔時間，避免早期水化導致黏度升高。
(三)未來展望
· 探索納米改性劑(如納米SiO?、石墨烯)對超細水泥流變-水化協同調控的影響；
· 結合分子模擬與原位表征技術，揭示超細顆粒水化動力學與產物生長的原子級機制；
· 開展長期耐久性(碳化、腐蝕)研究，完善超細水泥工程應用的壽命預測模型。
關鍵詞：2500目超細水泥；流變性能；剪切速率；水化熱；C-S-H凝膠；孔隙結構；觸變性
中科中創控股集團新材料研發高級工程師寧國福，1986年生于甘肅蘭州，本科畢業于中國政法大學，主要研究超細水泥、鐵路隧道注漿料新材料新技術研發。現任國家建筑材料工業技術情報研究所外加劑復配工程師、中志協應急委物資保障部 副主任、中國共產黨中央委員會社會工作部兩彈一星科普教育工作委員會政治事務部副主任，曾獲中國建材工業經濟研究會產品質量專委會質量特種砂漿生產與質量技術結業并城市更新優秀模范等榮譽。
張興凱，中國科學院蘭州化學物理研究所項目研究員、碩士生導師、中國科學院青年創新促進會會員。主要從事潤滑與耐磨材料、材料表面防護及工程應用方面等領域的研究工作。先后主持國家自然科學基金面上項目與青年基金、甘肅省自然科學基金，以及華為公司技術開發項目、中國工程物理研究院技術開發項目等10多項，發表論文50多篇，授權發明專利10多項(美國專利1項)。曾獲第十一屆“中表鍍-安美特”優秀青年教師、第二屆中國創新挑戰賽(杭州)金點子獎等。
轉自：鷹潭新聞網
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