水泥的最佳颗粒分布及其评价方法

水泥的最佳颗粒分布及其评价方法水泥的粉体状态一般表达为磨细程度（细度和比表面积）、颗粒分布和颗粒形貌。水泥产品必须磨制到一定细度状态时，才具有胶凝性。水泥细度直接影响着水泥的凝结、水化、硬化和强度等一系列物理性能。细度状态可用以下方式表达：平均粒径法、筛析法、比表面积法、颗粒级配法。如细度指标（80μm和45μm筛筛余），主要反映水泥中粗颗粒含量（%）；再如比表面积指标（m2/kg），主要反映水泥中细颗粒含量；而颗粒级配分析可以全面反映水泥中粗细颗粒分布状态，是当前水泥企业调整、控制水泥性能的先进手段。在水泥粉磨过程中得到的水泥颗粒不是均匀的单颗粒，而是包含不同粒径的颗粒群体。水泥颗粒的平均粒径是表现水泥颗粒体系的重要几何参数，但其所能提供的粒度特性信息则非常有限，因为两个平均粒径相同的粒群，完全可能有不一样的粒度组成（颗粒级配）。我国水泥标准规定，水泥产品的细度0.08mm方孔筛筛余不得超过10%。控制细度的方法简单易行，在一定的粉磨工艺条件下，水泥强度与其细度有一定的相关关系。细度值是指0.08mm筛的筛余量，即水泥中≥80μm的颗粒含量（%）。众所周知，≥64μm的水泥颗粒的水化活性已经很低了，所以用≥80μm颗粒含量多少进行水泥质量控制，不能全面反映水泥的真实活性。现在，水泥普遍磨得很细，所以这条标准规定就失去了控制意义。国外水泥标准大多规定比表面积指标，采用勃氏比表面积仪测定水泥比表面积。我国的硅酸盐水泥和熟料的国家标准已与国外标准相一致。一般情况下，水泥比表面积与水泥性能都保持着较好的关系；但用比表面积控制水泥质量时，却有以下不足：（1）比表面积数值主要反映5μm以下的颗粒含量，数值比较单一。在固定的工艺条件下，控制水泥的45μm筛余量和比表面积在一个合理的水平上，限制3μm以下和45μm以上的颗粒，能够获得良好的水泥性能和较低的生产成本。（2）比表面积对水泥中细颗粒含量的多少反应很敏捷。有时比表面积并不是很高，但由于水泥颗粒级配合理，水泥强度却很高。（3）掺有混合材料的水泥，比表面积不能真实反映水泥的总比表面积。如掺有火山灰质混合材料，水泥比表面积往往会产生偏高现象。（4）大量的实践证明，掺助磨剂的水泥如果细度下降了，比表面积往往也下降。这可能与水泥的颗粒形貌有关。平均粒径法、筛析法及比表面积法单一地表示水泥颗粒细度状态，并不能真实准确地反映水泥性能。人们有时采取两种优化组合的方式来控制水泥细度状态，操作简便，控制有效。而颗粒级配对水泥颗粒群体用连续、分区间的尺寸范围来表示大小颗粒的百分含量，更加准确地反映了水泥细度状态，是水泥性能的决定性因素。水泥最佳性能的颗粒级配为3～32μm颗粒总量不能65%，3μm的细颗粒不要超过10%，65μm和1μm的颗粒越少越好，最好没有。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，含量越多越好。而3μm的细颗粒容易结团，1μm的小颗粒在加水搅拌中很快就水化，对混凝土强度作用很小，且影响水泥与外加剂的适应性，易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。至于65μm的颗粒则水化很慢，对水泥28天强度贡献很小。在水泥粉磨过程中加入助磨剂，可以改善水泥产品的颗粒组成。使用水泥助磨剂后，磨机中的过粉磨现象会减少或消失，因此水泥中3μm的颗粒含量会有所减少，大颗粒的比例也会因粉磨强度的增加而降低。但是，水泥企业要组合水泥的颗粒级配则需要结合其他工艺措施才能实现。不同厂家的水泥助磨剂，其配方、选料、生产工艺各不相同，即使同一厂家的助磨剂，也会因其目的不同，在粉磨过程中会有不同的效果。由于不同的助磨剂其性能存在较大的差异，水泥企业在使用时应针对本企业的实际情况进行科学选择。我国水泥标准同国际接轨后改进产品质量的分析【中国水泥网】作者:姚燕，王文义单位:中国建筑材料科学研究院【2007-04-09】摘要：水泥新标准实施已有2年时间，实施效果逐步显现出来，水泥生产工艺进行了和正在进行大的调整，水泥产品质量已明显提高。但是我们必须清醒的认识到，提高水泥产品质量的工作任重道远，特别是根据用户的要求改进产品质量，以至修订标准中不适应的规定等工作更是长期任务。这里根据我国水泥生产、使用实施新标准的经验教训，反映出来的新问题，就改进水泥产品质量的途径进行简要分析。水泥新标准实施已有2年时间，实施效果逐步显现出来，水泥生产工艺进行了和正在进行大的调整，水泥产品质量已明显提高。但是我们必须清醒的认识到，提高水泥产品质量的工作任重道远，特别是根据用户的要求改进产品质量，以至修订标准中不适应的规定等工作更是长期任务。这里根据我国水泥生产、使用实施新标准的经验教训，反映出来的新问题，就改进水泥产品质量的途径进行简要分析。1提高水泥熟料活性实施新标准前，同国外水泥熟料相比，我国水泥熟料普遍存在着硅酸盐矿物含量偏低，铁含量偏高的问题，它是熟料活性偏低的重要原因。2002年6月全国抽样调查表明，实施新标准后，有75.1%的企业调整了熟料配料方案，提高了熟料活性，这对于我国顺利实施水泥新标准起到了重要作用。但目前仍有许多中小型企业的熟料质量太差，在350m2/kg比表面积下熟料28d抗压强度不足48MPa。如何提高熟料的活性，应从影响熟料烧成的各个环节进行全面分析，找出主要影响因素适时解决。根据国内外的试验研究[1]和实施新标准的经验，归纳如下2个方面。1.1选择最佳熟料率值熟料配料的三率值决定了熟料的矿物组成和熟料的活性状况。企业应根据原燃材料实际、易烧性和窑炉的热工状况，选择最佳的熟料率值。在熟料率值选择和确定中应努力提高硅酸盐矿物(C3S+C2S)含量，回转窑可在75%以上，立窑可在72%以上。在这个基础上适当提高C3S含量，适当调整C3A含量，适当降低C4AF含量。我国不同窑型的典型率值见表1。表1不同窑型熟料典型率值窑型厂家KHnPC3SC2SC3AC4AF新型干法窑北京水泥厂0.902.71.65919810湿法窑安阳水泥厂0.922.41.36215712立窑齐银水泥厂0.962.01.46778131.2强化烧成快速冷却迅速升高烧成温度，使熟料矿物迅速形成，A矿和B矿晶体尺寸较小，约为10～30μm，且分布均匀时，熟料活性最高。相反，如果熟料易烧性差，如生料细度粗，有难烧的石灰石，或缓慢升高烧成温度，会使A矿尺寸增大到50～100μm，B矿尺寸增大到30～50μm，此时，熟料活性会降低，表2是我院部分研究结果[2]。表2A矿尺寸大小对熟料活性的影响窑型A矿结晶状况熟料28d抗压强度差值(RGB－RISO)/MPa立窑20～40μm，大小均齐3.2立窑20～70μm，大小欠均齐10.3回转窑20～50μm，大小均齐3.6回转窑40～70μm，粗大11.0熟料矿物都有不同的温度变体，各种变体的水化速度和强度是不同的。快速冷却可使A矿、B矿的高温变体在常温下稳定下来，对熟料活性有利。一般认为，熟料从1250～1150℃开始快速冷却可以获得最高的强度。快速冷却还可以形成一定的玻璃体，它对熟料活性有利。重视微量组分对熟料活性的影响。K2O、Na2O、SO3、Cl-等微量组分在数量较少时对熟料活性影响不明显，但超过一定数量后对熟料煅烧工艺和活性会造成很大影响。欠烧的熟料活性低是众所周知的。过烧的熟料，如熔融的熟料，其活性低于烧结的熟料。在还原气氛中，被还原的Fe2+进入C3S固溶体中取代Ca2+，并促使C3S在冷却时分解。Fe2+进入β-C2S固溶体中，能促使它向γ-C2S转变。2控制水泥的细度状态提高水泥粉磨细度是提高ISO强度的有效途径，在我国实施水泥新标准过程中，有近60%的企业调整了粉磨工艺，提高了水泥细度，明显提高了ISO强度。但是，不少建筑施工单位反映，水泥太细，需水性大，混凝土开裂严重等。目前我国水泥企业几乎都采用80μm筛余和比表面积控制水泥的粉磨细度，它对于控制水泥性能和充分发挥水泥各组分的作用是远远不够的。相同筛余或比表面积的水泥性能会有很大差别，为此应全面考虑磨制水泥的细度状态，包括:细度(筛余和比表面积)、颗粒分布、颗粒形貌和堆积密度。2.1水泥颗粒分布对水泥性能的影响对于相同组分(熟料、混合材和石膏)水泥而言，水泥的颗粒分布决定水泥的性能，如水化速度、水化热、强度、需水量等，表3是80年代我院施娟英的试验结果。表3水泥颗粒级配与水泥性能关系编号颗粒级配/%平均粒径/μm比表面积/(m2/kg)标准稠度用水量/%C3S/%小试体胶砂强度①/MPa10μm10～30μm30～60μm60μm1d3d28d1ad198.51.5004.7692043.056.727.329.838.642.0e113.286.80016.5620028.554.93.57.117.634.1F11.423.675.0039.497428.051.52.55.17.514.3H12.73.05.389.074.054028.046.81.42.73.97.6原水泥27.742.025.15.1－30028.052.76.411.916.426.5注：①试体为Φ1.6cm×1.6cm小试体，数据只作参考。由表3看出，10μm为主的水泥，比表面积达920m2/kg，水泥标准稠用水量高达43.0%，水泥早期强度很高。10～30μm为主的水泥，比表面积降至200m2/kg，水泥标准稠度用水量正常，早期强度下降。水泥颗粒级配对水泥性能产生的各种影响，主要是因为不同大小颗粒的水化速度不同，施娟英的测定结果是:0～10μm颗粒，1d水化达75%，28d接近完全；10～30μm颗粒，7d水化接近一半；30～60μm颗粒，28d水化接近一半；60μm颗粒，3个月后水化还不到一半。学者Meric认为，粒径1μm的小颗粒，在加水拌和中很快水化了，对混凝土强度作用很小，反而造成混凝土体积较大收缩。一个20μm颗粒硬化1个月只水化了54%，水化进入深度才5.48μm，剩留的熟料核只能起骨架作用，潜在活性没有发挥。国内外试验研究证明，水泥颗粒级配对水泥性能有直接影响，目前比较公认的水泥最佳颗粒级配为:3～32μm颗粒对强度增长起主要作用，其间粒度分布是连续的，总量不低于65%。16～24μm的颗粒对水泥性能尤为重要，含量愈多愈好。3μm的细颗粒，易结团，不要超过10%。65μm的颗粒活性很小，最好没有。1998～2001年在世界水泥检测大对比中选用了不同强度等级的法国水泥，国际试验室的检测结果列于表4中。表4法国水泥颗粒级配与性能时间强度等级水泥品种颗粒级配(累计通过量)/%抗压强度/MPa密度/(g/cm3)比表面积/(m2/kg)标准稠度用水量/%2μm4μm8μm16μm32μm40μm50μm63μm80μm2d28d199852.5R波特兰13.624.339.659.085.190.995.798.699.338.068.13.1040826.0200052.5波特兰17.026.235.046.963.365.674.580.186.329.958.13.1634825.6200142.5波特兰矿渣(36%～64%)9.517.029.348.573.085.290.894.799.717.052.83.0033429.0199732.5R波特兰复合(6%～20%)10.018.030.449.274.885.190.795.397.721.441.13.0937423.0表5为2001年我院对我国部分水泥企业不同粉磨工艺下的实物水泥进行的颗粒级配测定结果。表5我国部分水泥企业的水泥颗粒级配(平均值)序号企业类型粉磨工艺水泥品种颗粒级配(累计通过量)/%统计个数3μm8μm16μm24μm32μm45μm60μm1大中型一般闭路磨P·O42.51631435265829192大中型高效选粉机闭路磨P·O42.51729435161839263大中型带辊压机闭路磨P·O42.51834495671929664大中型开路磨P·O42.