水泥性能與粒度分布關系的數(shù)值窮析與應用

　　0  前言
　　水泥廠的工程實踐表明，通過優(yōu)化水泥的粉磨工藝，改善粒度分布，可以顯著改善水泥性能。通過調(diào)整水泥粒度分布還可以滿足顧客對水泥性能的不同要求。近年對水泥、混凝土性能與水泥粒度分布的關系進行了廣泛研究,已經(jīng)基本闡明從水泥性能角度提出的對水泥粒度分布的要求。國內(nèi)一些水泥廠進行了改善水泥粒度分布的嘗試。本文在比表面積、均勻性系數(shù)和特征粒徑中固定某一個參數(shù)，改變另外二個參數(shù)，探討了水泥強度、標準稠度用水量與粒度分布之間的定量關系。在水泥廠進行工業(yè)試驗，觀察凝結時間與均勻性系數(shù)的關系。在此基礎上，根據(jù)實際生產(chǎn)控制經(jīng)驗，提出了水泥粉磨工藝細度、均勻性系數(shù)的控制方法。本文的細度一詞，使用了GB/T4131一1997《水泥的命名、定義和術語》中的定義，某一孔徑的篩余、比表面積和粒度分布都作為細度的表示方法之一。

　　1 水泥粒度分布與物理性能的數(shù)值分析
　　1.1粒度分布特性對強度的影響
　　使用水泥廠正常生產(chǎn)的熟料在試驗室閉路磨機和間歇式磨機．制得一系列不同均勻性系數(shù)、特征粒徑和比表面積的水泥，檢驗其強度、標準稠度用水量和凝結時間等物理性能，以觀察物理性能與粒度分布之間的關系。粒度分布特性對強度影響的定量關系見圖1～圖3。

　　(1)試驗中保持比表面積為220m²/kg不變時，水泥抗壓強度與均勻性系數(shù)、特征粒徑與均勻性系數(shù)的關系見圖1。圖1顯示，在相同的比表面積下，3，7，28 d抗壓強度均與均勻性系數(shù)具有良好的正比線性關系。均勻性系數(shù)提高0.1時，3，7，28d抗壓強度分別提高1.6，3.6，4.8 MPa，其中28d抗壓強度對均勻性系數(shù)的變化更加敏感。在相同的比表面積下，隨均勻性系數(shù)增加，特征粒徑以近于乘冪關系降低。特征粒徑曲線表明，相同的比表面積的水泥，其粒度分布參數(shù)可以在一個非常大的范圍內(nèi)變化。換言之，比表面積不是均勻性系數(shù)或特征粒徑的單值函數(shù)。均勻性系數(shù)的提高意味著較粗和較細的顆粒都減少：特征粒徑降低意味著顆粒平均粒徑降低，水化速率較慢的大顆粒減少；二者綜合效果是提高了水化速率和水化程度，從而提高了水泥強度。

　　(2)試驗中保持水泥的特征粒徑為18μm不變時，水泥抗壓強度與均勻性系數(shù)、比表面積與均勻性系數(shù)的關系見圖2。圖2顯示，在相同的特征粒徑下，3d抗壓強度與均勻性系數(shù)具有良好的反比線性關系。均勻性系數(shù)提高0.1時，3d抗壓強度降低2.4 MPa。7.28 d抗壓強度與均勻性系數(shù)相關性非常微弱。在相同的特征粒徑下，隨均勻性系數(shù)增加，比表面積以近于乘冪關系降低。均勻性系數(shù)的提高意味著較粗和較細的顆粒都減少；比表面積降低意味著水化速率較快的細顆粒減少；二者綜合效果是降低了早期水化速率，導致早期強度明顯下降。

　　(3)試驗中保持水泥的均勻性系數(shù)為0.80時，水泥抗壓強度與特征粒徑、比表面積與特征粒徑的關系見圖3。圖3顯示，在相同的均勻性系數(shù)下，3，7，28 d抗壓強度均與特征粒徑具有良好的反比線性關系。特征粒徑提高1μm，3，7，28 d抗壓強度分別降低0.80，0．83，0.78MPa。在相同的均勻性系數(shù)下，隨特征粒徑增加．比表面積以近于乘冪關系降低。特征粒徑增加意味著顆粒普遍變粗，水化速率很慢的大顆粒增加；比表面積降低意味著水化速率較陜的細顆粒減少；綜合效果是降低了水化速率，導致強度下降。

　　與特征粒徑比較，均勻性系數(shù)對強度具有更加顯著的影響。獲得提高均勻性系數(shù)0.1對應的3，7，28 d抗壓強度的增加值，如果依靠降低特征粒徑，則特征粒徑降低的數(shù)值分別是：2.0，4.3，6.2μm。特征粒徑對于28 d抗壓強度更加敏感，為了獲得相同的28 d抗壓強度提高幅度，可以使均勻性系數(shù)降低0.1，或者使特征粒徑降低6.2μm。在實際生產(chǎn)中后者的難度和付出的代價更高，前者則會帶來需水量增加的弊端。

　　1.2 粒度分布特性對標準稠度用水量影響的定量關系
　　保持相同比表面積為220m^2_/kg時，水泥標準稠度用水量與均勻性系數(shù)、特征粒徑與均勻性系數(shù)的關系見圖4。圖4顯示，在相同的比表面積下，標準稠度需水量與均勻性系數(shù)具有良好的正比線性關系。均勻性系數(shù)提高0.1，標準稠度需水量提高0.77%。均勻性系數(shù)提高導致水泥顆粒的堆積密度降低，顆粒間的填充水增加；特征粒徑降低意味著水化速率較快的小顆粒增加，初期水化程度增加，初期水化需要的水量增加。二者綜合效果是提高了水泥標準稠度用水量。

　　1.3粒度分布特征對凝結時間影響的定量關系
　　在一臺閉路水泥磨進行了均勻性系數(shù)對凝結時間影響的試驗。調(diào)整粉磨工藝參數(shù)，保持水泥32μm篩余沒有大幅度變化，改變水泥均勻性系數(shù)。水泥凝結時間與均勻性系數(shù)的關系見圖5。圖5表明，水泥的初凝時間、終凝時間均與均勻性系數(shù)具有良好的正比線性關系。均勻性系數(shù)增加0.1，水泥初凝時間延長0.22 h，終凝時間延長0.32 h。較小的均勻性系數(shù)意味著水泥的粒度分布較寬，粗顆粒和細顆粒均較多，其中<3μm的細熟料顆粒對水泥的凝結時間具有顯著影響。因此隨均勻性系數(shù)的增加，水泥凝結時間延長。

　　2 水泥粉磨的適宜控制參數(shù)
　　我國水泥廠的水泥粉磨早期使用80μm篩余作為控制指標，2001年隨著新水泥標準的實施開始重視比表面積，近年來逐步以45μm篩余代替80μm篩余。這是一個技術進步的過程。但是，對與水泥性能密切相關的粒度分布沒有足夠的關注，以單一參數(shù)作為水泥粉磨工藝細度控制指標的現(xiàn)象依然非常普遍。一些購買了激光粒度分析儀的水泥廠，并沒有將粒度分布作為水泥粉磨的控制指標。

　　前述定量分析表明，水泥的粒度分布與水泥性能具有很好的相關性，已有的文獻也肯定了這個論斷。單一的某一粒徑篩余或比表面積，如果與粒度分布沒有很高的相關性，則不能精細控制水泥性能。或者更準確地說。水泥性能不是某一粒徑篩余或比表面積的單值函數(shù)，水泥粒度分布也不是某一粒徑篩余或比表面積的單值函數(shù)。計算得到的4組水泥粒度分布和對應的80，45和32μm篩余值見表1。

　　表1不同粒度分布和對應的80，45和32μm篩余值表1顯示，當水泥的粒度分布發(fā)生顯著變化時．45μm和32μm篩余均有明顯變化，而80μm篩余卻可以保持不變。這充分顯示了80 μm篩余不宜用作水泥粉磨日?？刂埔罁?jù)的原因。使用80μm篩余控制水泥磨生產(chǎn)，當粒度分布發(fā)生了明顯變化，80μm篩余卻只有微小變化。有時根本無法判斷這種微小的變化是來自樣品自身。還是來自檢驗誤差，也就無法發(fā)現(xiàn)粒度分布的變化。

　　發(fā)達國家水泥廠已經(jīng)普遍重視對水泥粉磨粒度分布的控制。文獻推薦水泥粉磨使用45μm篩余和比表面積二個控制參數(shù)；文獻介紹了某合資廠水泥粉磨細度控制的經(jīng)驗，該廠以32μm篩余和比表面積作為日?？刂浦笜?，同時定期檢驗45μm篩余，通過32 μm篩余和45μm篩余控制粒度分布。

　　根據(jù)前述水泥粒度分布與性能關系的試驗結果，并結合實際生產(chǎn)經(jīng)驗，對于水泥粉磨細度控制提出以下建議。
　　(1)單一粒徑篩余不能確定粒度分布；比表面積也不能確定粒度分布。水泥粉磨不宜以單一粒徑篩余作為細度控制指標，也不宜單獨以比表面積作為細度控制指標。單一粒徑篩余或比表面積與水泥性能的相關性依賴于粒度分布是否改變。在粒度分布的均勻性系數(shù)基本不變的前提下。單一粒徑篩余(特別是比表面積)才能與水泥性能具有相關性。

　　(2)30～60μm區(qū)間的單一粒徑篩余輔之比表面積可以大致地控制粒度分布，但不能確定粒度分布的均勻性系數(shù)和特征粒徑的具體數(shù)值。30～60μm區(qū)間的單一粒徑篩余輔之比表面積是一個勉強可以接受的細度控制方法，必須同時定期檢驗粒度分布，以確定單一篩余、比表面積與粒度分布的關系。

　　(3)為了提高水泥粉磨質(zhì)量。獲得預期的水泥性能，粒度分布是最佳的描述水泥細度的參數(shù)。30～60 μm區(qū)間的任意二個有一定間隔的篩余值，可以確定粒度分布的均勻性系數(shù)和特征粒徑。以45μm篩余作為日常生產(chǎn)控制參數(shù)，同時定期檢驗30～35 μm或55～60μm區(qū)間內(nèi)某一個粒徑的篩余，可以大致確認粒度分布。以二個篩余數(shù)據(jù)確定的均勻性系數(shù)和特征粒徑，可能存在較大誤差。應該以較低的頻率使用激光顆粒分析儀檢驗粒度分布，在l0～60 μm的粒徑范圍選擇5～7個篩余數(shù)據(jù)使用回歸分析的方法確定RRSB方程的均勻性系數(shù)和特征粒徑，用以確認二個篩余數(shù)據(jù)計算的均勻性系數(shù)和特征粒徑的誤差。筆者認為這是目前最值得推薦的水泥粉磨細度控制方法。

　　(4)單獨使用80μm篩余最糟糕的是水泥粉磨控制方法。原因在于80μm篩余處于RRB分布曲線的端部，其數(shù)值對粒度分布的改變不敏感；同時由于多數(shù)水泥的80μm篩余數(shù)值很小，檢驗的相對誤差很大。

　　(5)激光粒度分析儀不適宜作為水泥粉磨工藝的日常質(zhì)量控制檢驗手段，原因在于儀器操作過于復雜。操作不當時很容易出現(xiàn)誤差，但其重要作用不容忽視。無論選擇那種控制方式，均應該以激光粒度分析儀或類似儀器定期檢驗粒度分布，以確定控制方法的有效性。

　　3  水泥粒度分布的控制方法
　　在水泥粉磨中提高粉磨細度即可降低特征粒徑，比較起來控制均勻性系數(shù)則困難的多。文獻介紹了國外一些對水泥粒度分布的控制方法。本文進一步研究了選粉機選粉效率、助磨劑和分別粉磨對均勻性系數(shù)的影響。

　　3.1選粉機選粉效率對粒度分布的影響
　　在一臺裝有0一Sepa選粉機的水泥磨上，改變選粉機的選粉效率，以觀察對水泥粒度分布的影響。當選粉效率由47%提高到88%時，對粒度分布的影響如圖6所示，水泥的粒度分布參數(shù)見表2。

　　圖6和表2顯示，在其它條件基本不變的條件下，選粉效率由47%提高到88%，水泥均勻性系數(shù)由0.88提高到1.16。選粉效率的提高，一方面意味著成品中粗顆粒的減少；另一方面意味著回粉中細顆粒的減少，從而減少了磨內(nèi)的過粉磨，減少了出磨水泥(選粉機喂料)的細顆粒數(shù)量。導致成品中的細顆粒數(shù)量降低。改變選粉效率，得到的與均勻性系數(shù)的關系如圖7所示。

　　圖7顯示，隨著選粉效率提高，均勻性系數(shù)提高。影響粒度分布參數(shù)改變的條件眾多，盡管力圖保持其它條件基本不變，但實際上很難做到也就很難準確地確定單一因素的影響程度。因此圖7顯示的結果在定量的意義上有一定誤差。

　　3.2助磨劑對粒度分布的影響
　　大部分水泥助磨劑屬于陰離子表面活性劑。能夠平衡粒子表面電荷，減輕磨內(nèi)的過粉磨；另一方面，助磨劑能夠提高選粉機的選粉效率。這兩方面的作用使得助磨劑有助于提高均勻性系數(shù)。不直接影響水泥水化的助磨劑能夠提高水泥強度，其原理主要在于助磨劑提高了水泥的均勻性系數(shù)。生產(chǎn)中注意，使用助磨劑必須同時改變磨機、選粉機的操作參數(shù)。使之與使用助磨劑的工況相匹配，才能最大限度發(fā)揮助磨劑的作用。因此，不改變其它條件，單獨考察助磨劑對粒度分布的作用是困難的。生產(chǎn)實踐表明，是否使用助磨劑對均勻性系數(shù)有明顯影響，助磨劑摻量在推薦摻量附近變動時，對均勻性系數(shù)的影響不顯著。

　　3.3分別粉磨的影響
　　為了考察分別粉磨對產(chǎn)品粒度分布的影響，進行了半工業(yè)試驗。在一臺帶有0一Sepa選粉機的水泥磨取P·I水泥樣品，其粒度分布接近于最佳性能的要求：粒徑<3μm的顆粒為10.64%，粒徑3—30μm的顆粒為72.96%，粒徑>60μm的顆粒為1.54%。使用化驗室統(tǒng)一試驗小磨將礦渣粉磨至比表面積627m²/kg。高細收塵灰取自預分解窯窯尾電收塵。比表面積1194m²/kg。按P·I水泥：高細收塵灰：礦渣粉：粉煤灰=60：6：30：4制得混合水泥，各種材料和混合水泥的粒度分布參數(shù)及比表面積見表3，各種材料和混合水泥的粒度分布見圖8、圖9。

　　表3結果表明，在P·I水泥中摻入特征粒徑和均勻性系數(shù)顯著低于P·I水泥的混合材料，均勻性系數(shù)由P·I水泥的1.21降低到混合水泥的1.06。分別粉磨可以明顯降低均勻性系數(shù)。

　　圖8、圖9顯示，在P·I水泥中摻入特征粒徑和均勻性系數(shù)顯著低于P·I水泥的混合材料后，混合水泥的粒度分布達到明顯改善，混合水泥較之P·I水泥更加接近Fuller曲線。

　　4  結論
　　(1)水泥的粒度分布與水泥的性能之間具有明確的相關關系。

　　(2)均勻性系數(shù)對強度具有顯著影響，在相同的比表面積下，均勻性系數(shù)提高0.1，3d，7d，28 d抗壓強度分別提高1.6，3.6，4.8 MPa。

　　(3)粒度分布是與水泥性能有明確定量關系的細度參數(shù)，是水泥粉磨細度控制的最終目標。以單一粒徑篩余或單獨的比表面積控制水泥粉磨細度的方法不能確定粒度分布，亟待改進。水泥粉磨細度控制方案，應該能夠有效控制水泥的粒度分布。