水泥的細度特征及提高水泥強度的措施

摘要：通過對目前我國水泥質(zhì)量與國際先進水平的比較，指出了我國水泥存在的主要差距。從粉體工程學的角度提出了提高我國水泥強度的技術措施。

關鍵詞：水泥強度 助磨劑 橢球形研磨體 混合粉磨 分別粉磨

粉體工程學是在現(xiàn)代科技綜合化趨勢下由相關學科交叉形成的，它從不同層次上對各專業(yè)學科所涉及的粉粒體及過程的共性問題進行研究。水泥作為粉體的一種，具有粉體的一些共性。

我國是水泥生產(chǎn)大國，2000年的水泥產(chǎn)量達5.76億t，占世界水泥總產(chǎn)量的1P3。作為三大建筑材料之一的水泥，不僅關系到建筑工程質(zhì)量的優(yōu)劣，而且關系到人民生命財產(chǎn)的安全。本文通過對我國水泥與國際先進水平的對比，找出目前我國水泥存在的差距，并從粉體的角度提出了解決的辦法。

1我國水泥與國際先進水平的差距

1.1水泥細度偏粗、顆粒級配不合理

水泥中的細粉含量和顆粒級配不僅影響水灰比，同時影響水泥的早期強度和強度增進率。如德國水泥的4900孔篩篩余都在1%以下(一般為0)，比表面積在左右；需要粗磨的道路水泥的比表面積Z350m2Pkg。我國水泥的細度普遍較粗，細粉含量低，而且水泥的顆粒級配及水泥中各組分的顆粒級配不合理。

1.2水泥的早期強度較低

由于我國水泥的細度較粗、細粉含量低，水泥的水化過程較慢，其早期強度較低。表1、表2分別為我國及德國幾種水泥的強度值。

由表1、表2可見，我國水泥的早期強度無論是絕對值還是相對值都比德國水泥低得多，我國早強型水泥的3d強度相對值至少也比德國水泥低10%~20%。

1.3水泥熟料率值不合理

水泥熟料質(zhì)量是水泥質(zhì)量的基礎，率值是影響水泥質(zhì)量的重要因素。我國除了新型干法廠以外，大多是采用高飽和比、高鐵的配料方案。表3是國內(nèi)外水泥生產(chǎn)的工藝參數(shù)對比。

2 水泥的細度特征

細度特征是粉體的重要性能，主要包括粒徑、粒度分布、粉體的比表面積及粉體的顆粒形狀。水泥作為粉體的一種也具有細度特征，從我國水泥與國際先進水平的對比發(fā)現(xiàn)，細度特征是影響我國水泥強度的重要因素之一。

2.1水泥熟料的細度

水泥顆粒大小與水化過程有著直接的關系，不同粒徑的水泥的水化速度及水化程度差異很大。>65Lm的顆粒對水泥水化及強度的作用甚微，僅起到填料的作用;過細的水泥可能結(jié)團或增大水泥的需水量，在漿體硬化之前已完成水化過程，對水泥齡期強度的增長無作用。例如<1Lm的顆粒在不到1d的時間內(nèi)已水化完全，因而對水泥強度的增進率幾乎不起作用。況且細小顆粒大多為混合材，非常細小的顆粒對水泥石的增長也不起作用。據(jù)報道，硅酸鹽水泥熟料的水化很慢，水化3d時的水化深度僅為3Lm，水化28d時的水化深度僅為8~10Lm?？梢娏?lt;6Lm的水泥熟料3d可以水化完全，而粒徑30Lm的水泥熟料28d時的水化深度為其半徑的70%左右，遺留下的未水化的內(nèi)核未對水泥水化發(fā)揮作用。對相同礦物組成的水泥，其活性及強度隨著水泥顆粒尺寸的變小和比表面積的增大而提高，尤其是對早期強度的影響更為顯著。因此，提高水泥的比表面積、增加水泥中的細粉含量，是提高水泥強度尤其是早期強度的有效途徑之一。從國內(nèi)外水泥的應用情況分析，水泥的比表面積控制在為宜。

2.2 水泥的顆粒級配

水泥是由大小不等的顆粒組成的混合粉體，從顆粒級配上來講趨于窄粒級。3~30Lm的顆粒是水泥的主要活性成分，對水泥強度的增進率起主導作用。例如比表面積或篩余相同的水泥，采用同一臺窯煅燒的熟料，由于粉磨后的顆粒級配不同，水泥水化速度的差別很大，水泥成品的質(zhì)量也不盡相同。表4是P#S425水泥中不同粒級的水泥顆粒對強度的貢獻。

在水泥粉磨過程中，不能完全消除>30Lm的顆粒，但應消除>60Lm的顆粒，同時又必然會產(chǎn)生<3Lm的顆粒。有關文獻提出的水泥最佳顆粒級配為:普通硅酸鹽水泥中3~30Lm顆粒應達到40%~50%；高強快硬硅酸鹽水泥中3~30Lm顆粒應達到50%~60%；超高強快硬硅酸鹽水泥中3~30Lm顆粒應達到70%以上?？傮w上來講，3~30Lm的顆粒含量應>65%，其中10~20Lm的顆粒對水泥性能尤為重要，其含量愈高愈好；>65Lm的顆?；钚院艿?，最好沒有；<3Lm的細顆粒因比表面積大，使需水量增加，最好Z10%。

2.3水泥的顆粒形狀

水泥的顆粒形狀影響水泥的比表面積，因而會影響水泥強度檢驗時的成型需水量，需水量過大則使水泥強度下降。在粉體工程學中，將面積等于顆粒投影面積的圓的直徑與顆粒投影圖最小外接圓的直徑的比值稱為球形度。球形度不同的水泥顆粒在水化過程中的變化是不同的。若水泥中長條形、圓柱形顆粒多，則水泥顆粒之間的相互連生、搭接有助于早期強度的提高;但這也使顆粒之間的摩擦系數(shù)大，要達到一定的流動度的需水量就大，使后期強度及后期強度增進率較球形度高的水泥顆粒低。球形度高的水泥顆粒的比表面積小，這不僅使形成一定厚度的水膜所需的水量少，而且能減少顆粒間的相互摩擦，產(chǎn)生能夠提高流動度的滾珠效應。不同球形度水泥的性能對比見表5。

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3 提高我國水泥強度的主要措施

細度特征是影響水泥強度的重要因素。粒度分布處于3~30Lm、比表面積為并且球形度高的水泥最理想。從粉體的角度來分析，提高水泥強度主要可采取以下措施。

3.1采用助磨劑

采用助磨劑可以改善水泥熟料、混合材等物料的易磨性，提高磨機的粉磨效率，從而可提高水泥產(chǎn)品的比表面積和細度，因而可以提高水泥的強度。

粉體的流動性直接影響到研磨介質(zhì)的運動狀態(tài)和粉碎作用的發(fā)揮，添加助磨劑是改善粉體流動性、提高粉磨效率的重要措施。助磨劑的作用機理是:助磨劑隨物料加入磨內(nèi)后，助磨劑分子在新生表面的吸附可以減小裂紋擴展所需的外應力，促進裂紋擴展;在裂紋擴展的過程中，助磨劑沿顆粒表面吸附擴散使其表面能降低;隨著裂紋的形成和不斷擴展，助磨劑分子進一步進入裂紋內(nèi)表面產(chǎn)生/劈契作用0，阻止裂紋愈合，加快粉磨過程的進行。與此同時，助磨劑的加入改善了顆粒的表面特性，使物料表面產(chǎn)生選擇性吸附和電性中和，消除了靜電效應，減小了微細顆粒聚集的能力和機會，使粉體的流動性得到提高，減少了磨內(nèi)粘球和糊襯板的現(xiàn)象，提高了磨機的粉磨效率。

3.2 采用橢球形研磨體

鋼球是水泥行業(yè)最常用的研磨體，它對物料主要有沖擊和研磨兩個作用，可通過調(diào)整級配從而改變鋼球在磨機中的運動狀態(tài)來實現(xiàn)上述作用。對于同體積、同材質(zhì)、不同形狀的球體來講，圓形球的表面積最小，所以，在研磨體重量相同的前提下，采用橢圓球可獲得較大的表面積，對提高球的研磨能力有利。實踐證明，橢圓球綜合了圓球、鋼棒膠囊球、鋼鍛的優(yōu)點，對改善水泥顆粒級配、提高水泥實物質(zhì)量及提高磨機的臺時產(chǎn)量、降低電耗，具有圓球所不可比擬的優(yōu)勢。主要表現(xiàn)在以下幾點提高了研磨能力，從而可提高水泥的細度。由于橢圓球之間是弧線接觸而非圓球之間的點接觸，球與球之間壓迫物料的概率增大。與相同直徑的圓球相比，橢圓球的質(zhì)量增加70%以上，使沖擊力增強，而且橢圓球提升的高度比圓球高，提高了破碎能力;橢圓球的有效面積比圓球增加20%~30%，使研磨體與物料的接觸面積增大，從而提高了研磨能力，使成品的比表面積提高，改善了成品的質(zhì)量。另外，由于研磨體之間的空隙減少，對噪聲也有很好的抑制作用。

具有/篩分0作用，可使水泥顆粒的級配更為合理。從幾何學角度分析，由于橢圓球之間的弧線接觸，各點曲率均不相同，球與球之間接觸面的夾角均不同，因而對物料具有選擇性粉磨和篩分作用，產(chǎn)品粒度均勻，減少了過粉磨現(xiàn)象，使物料的顆粒級配更趨合理。

減少靜電作用，起到助磨劑的作用。由于橢圓球的幾何尺寸的特殊性，在研磨物料時靜電集中于兩端，能減輕微粉的吸附，使橢圓球的抗靜電、抗潮濕的能力遠大于圓球，大大減少了包球及飽磨的可能，提高了物料的易磨性。

3.3 混合粉磨與分別粉磨

對不同窯型的水泥熟料共同粉磨或采取水泥熟料與礦渣等分別粉磨的辦法，可以提高物料的易磨性，從而提高水泥的細度。對共同粉磨不同窯型熟料的水泥的研究表明，用回轉(zhuǎn)窯熟料和立窯熟料混合粉磨制得的水泥，其性能上具有一定的互補性?；旌戏勰ゲ粌H改善了水泥的易磨性，而且可使泌水性得到明顯改善，水泥強度特別是3d抗壓強度和抗折強度提高。這主要是因為兩種熟料的微觀結(jié)構(gòu)不同，水化時的礦物晶體具有匹配性和互補性。但水泥熟料與礦渣等混合粉磨時，由于兩者易磨性的差異，導致礦渣的顆粒較粗，其水硬活性難以發(fā)揮，只能起到微集料的作用。若采取分別粉磨的辦法可使礦渣等混合材的膠凝活性得到較充分的發(fā)揮，從而提高水泥的強度。

4 結(jié)語

我國通用水泥標準的修訂是水泥行業(yè)與國際接軌的第一步，這對我國水泥行業(yè)來說既是機遇又是挑戰(zhàn)。我們要把握向新經(jīng)濟時代定位轉(zhuǎn)型的機遇，運用前瞻的理念，逐步實現(xiàn)傳統(tǒng)水泥企業(yè)向環(huán)保補償型綠色企業(yè)、可持續(xù)發(fā)展型企業(yè)的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型。

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