水泥性能与粒度分布关系的数值穷析与应用 时间：2021.03.04 创作：欧阳地 【中国水泥网】 作者:张大康 单位:拉法基瑞安北京技
术服务有限公司重庆分公司 【2010-01-22】 摘要：定量分析了水泥物理性能与粒度分布的关系，旨在指导水泥粉磨过程的质量控制。根据试验结果和实际生产经验，提出水泥粉磨细度控制应该以控制粒度分布为最终目标。控制方法应能以足够的准确度确定水泥的粒度分布。以45μm筛余作为日常生产控制参数，同时定期检验30～35μm或55～60μm区间内某一个粒径的筛余，是值得推荐的水泥粉磨细度控制方法。介绍了水泥粒度分布的重要影响因素，包括选粉机选粉效率、助磨剂和分别粉磨等。 0 前言
水泥厂的工程实践表明，通过优化水泥的粉磨工艺，改善粒度分布，可以显著改善水泥性能。通过调整水泥粒度分布还可以满足顾客对水泥性能的不同要求。近年对水泥、混凝土性能与水泥粒度分布的关系进行了广泛研究,已经基本阐明从水泥性能角度提出的对水泥粒
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度分布的要求。国内一些水泥厂进行了改善水泥粒度分布的尝试。本文在比表面积、均匀性系数和特征粒径中固定某一个参数，改变另外二个参数，探讨了水泥强度、标准稠度用水量与粒度分布之间的定量关系。在水泥厂进行工业试验，观察凝结时间与均匀性系数的关系。在此基础上，根据实际生产控制经验，提出了水泥粉磨工艺细度、均匀性系数的控制方法。本文的细度一词，使用了GB/T4131一1997《水泥的命名、定义和术语》中的定义，某一孔径的筛余、比表面积和粒度分布都作为细度的表示方法之一。
1 水泥粒度分布与物理性能的数值分析 1.1粒度分布特性对强度的影响
使用水泥厂正常生产的熟料在试验室闭路磨机和间歇式磨机．制得一系列不同均匀性系数、特征粒径和比表面积的水泥，检验其强度、标准稠度用水量和凝结时间等物理性能，以观察物理性能与粒度分布之间的关系。粒度分布特性对强度影响的定量关系见图1～图3。 (1)试验中保持比表面积为220m/kg不变时，水泥抗压强度与均匀性系数、特征粒径与均匀性系数的关系见图1。图1显示，在相同的比表面积下，3，7，28 d抗压强度均与均匀性系数具有良好的正比线性关系。均匀
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性系数提高0.1时，3，7，28d抗压强度分别提高1.6，3.6，4.8 MPa，其中28d抗压强度对均匀性系数的变化更加敏感。在相同的比表面积下，随均匀性系数增加，特征粒径以近于乘幂关系降低。特征粒径曲线表明，相同的比表面积的水泥，其粒度分布参数可以在一个非常大的范围内变化。换言之，比表面积不是均匀性系数或特征粒径的单值函数。均匀性系数的提高意味着较粗和较细的颗粒都减少：特征粒径降低意味着颗粒平均粒径降低，水化速率较慢的大颗粒减少；二者综合效果是提高了水化速率和水化程度，从而提高了水泥强度。 (2)试验中保持水泥的特征粒径为18μm不变时，水泥抗压强度与均匀性系数、比表面积与均匀性系数的关系见图2。图2显示，在相同的特征粒径下，3d抗压强度与均匀性系数具有良好的反比线性关系。均匀性系数提高0.1时，3d抗压强度降低2.4 MPa。7.28 d抗压强度与均匀性系数相关性非常微弱。在相同的特征粒径下，随均匀性系数增加，比表面积以近于乘幂关系降低。均匀性系数的提高意味着较粗和较细的颗粒都减少；比表面积降低意味着水化速率较快的细颗粒减少；二者综合效果是降低了早期水化速率，导致早期强度明显下降。
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(3)试验中保持水泥的均匀性系数为0.80时，水泥抗压强度与特征粒径、比表面积与特征粒径的关系见图3。图3显示，在相同的均匀性系数下，3，7，28 d抗压强度均与特征粒径具有良好的反比线性关系。特征粒径提高1μm，3，7，28 d抗压强度分别降低0.80，0．83，0.78MPa。在相同的均匀性系数下，随特征粒径增加．比表面积以近于乘幂关系降低。特征粒径增加意味着颗粒普遍变粗，水化速率很慢的大颗粒增加；比表面积降低意味着水化速率较陕的细颗粒减少；综合效果是降低了水化速率，导致强度下降。
与特征粒径比较，均匀性系数对强度具有更加显著的影响。获得提高均匀性系数0.1对应的3，7，28 d抗压强度的增加值，如果依靠降低特征粒径，则特征粒径降低的数值分别是：2.0，4.3，6.2μm。特征粒径对于28 d抗压强度更加敏感，为了获得相同的28 d抗压强度提高幅度，可以使均匀性系数降低0.1，或者使特征粒径降低6.2μm。在实际生产中后者的难度和付出的代价更高，前者则会带来需水量增加的弊端。
1.2 粒度分布特性对标准稠度用水量影响的定量关系
保持相同比表面积为220m/kg时，水泥标准稠度用
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水量与均匀性系数、特征粒径与均匀性系数的关系见图4。图4显示，在相同的比表面积下，标准稠度需水量与均匀性系数具有良好的正比线性关系。均匀性系数提高0.1，标准稠度需水量提高0.77%。均匀性系数提高导致水泥颗粒的堆积密度降低，颗粒间的填充水增加；特征粒径降低意味着水化速率较快的小颗粒增加，初期水化程度增加，初期水化需要的水量增加。二者综合效果是提高了水泥标准稠度用水量。
1.3粒度分布特征对凝结时间影响的定量关系 在一台闭路水泥磨进行了均匀性系数对凝结时间影响的试验。调整粉磨工艺参数，保持水泥32μm筛余没有大幅度变化，改变水泥均匀性系数。水泥凝结时间与均匀性系数的关系见图5。图5表明，水泥的初凝时间、终凝时间均与均匀性系数具有良好的正比线性关系。均匀性系数增加0.1，水泥初凝时间延长0.22 h，终凝时间延长0.32 h。较小的均匀性系数意味着水泥的粒度分布较宽，粗颗粒和细颗粒均较多，其中<3μm的细熟料颗粒对水泥的凝结时间具有显著影响。因此随均匀性系数的增加，水泥凝结时间延长。 2 水泥粉磨的适宜控制参数
我国水泥厂的水泥粉磨早期使用80μm筛余作为控
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制指标，2001年随着新水泥标准的实施开始重视比表面积，近年来逐步以45μm筛余代替80μm筛余。这是一个技术进步的过程。但是，对与水泥性能密切相关的粒度分布没有足够的关注，以单一参数作为水泥粉磨工艺细度控制指标的现象依然非常普遍。一些购买了激光粒度分析仪的水泥厂，并没有将粒度分布作为水泥粉磨的控制指标。
前述定量分析表明，水泥的粒度分布与水泥性能具有很好的相关性，已有的文献也肯定了这个论断。单一的某一粒径筛余或比表面积，如果与粒度分布没有很高的相关性，则不能精细控制水泥性能。或者更准确地说。水泥性能不是某一粒径筛余或比表面积的单值函数，水泥粒度分布也不是某一粒径筛余或比表面积的单值函数。计算得到的4组水泥粒度分布和对应的80，45和32μm筛余值见表1。
表1不同粒度分布和对应的80，45和32μm筛余值表1显示，当水泥的粒度分布发生显著变化时．45μm和32μm筛余均有明显变化，而80μm筛余却可以保持不变。这充分显示了80 μm筛余不宜用作水泥粉磨日常控制依据的原因。使用80μm筛余控制水泥磨生产，当粒度分布发生了明显变化，80μm筛余却只有微小变化。有
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时根本无法判断这种微小的变化是来自样品自身。还是来自检验误差，也就无法发现粒度分布的变化。 发达国家水泥厂已经普遍重视对水泥粉磨粒度分布的控制。文献推荐水泥粉磨使用45μm筛余和比表面积二个控制参数；文献介绍了某合资厂水泥粉磨细度控制的经验，该厂以32μm筛余和比表面积作为日常控制指标，同时定期检验45μm筛余，通过32 μm筛余和45μm筛余控制粒度分布。
根据前述水泥粒度分布与性能关系的试验结果，并结合实际生产经验，对于水泥粉磨细度控制提出以下建议。
(1)单一粒径筛余不能确定粒度分布；比表面积也不能确定粒度分布。水泥粉磨不宜以单一粒径筛余作为细度控制指标，也不宜单独以比表面积作为细度控制指标。单一粒径筛余或比表面积与水泥性能的相关性依赖于粒度分布是否改变。在粒度分布的均匀性系数基本不变的前提下。单一粒径筛余(特别是比表面积)才能与水泥性能具有相关性。
(2)30～60μm区间的单一粒径筛余辅之比表面积可以大致地控制粒度分布，但不能确定粒度分布的均匀性系数和特征粒径的具体数值。30～60μm区间的单一粒径
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筛余辅之比表面积是一个勉强可以接受的细度控制方法，必须同时定期检验粒度分布，以确定单一筛余、比表面积与粒度分布的关系。
(3)为了提高水泥粉磨质量。获得预期的水泥性能，粒度分布是最佳的描述水泥细度的参数。30～60 μm区间的任意二个有一定间隔的筛余值，可以确定粒度分布的均匀性系数和特征粒径。以45μm筛余作为日常生产控制参数，同时定期检验30～35 μm或55～60μm区间内某一个粒径的筛余，可以大致确认粒度分布。以二个筛余数据确定的均匀性系数和特征粒径，可能存在较大误差。应该以较低的频率使用激光颗粒分析仪检验粒度分布，在l0～60 μm的粒径范围选择5～7个筛余数据使用回归分析的方法确定RRSB方程的均匀性系数和特征粒径，用以确认二个筛余数据计算的均匀性系数和特征粒径的误差。笔者认为这是目前最值得推荐的水泥粉磨细度控制方法。
(4)单独使用80μm筛余最糟糕的是水泥粉磨控制方法。原因在于80μm筛余处于RRB分布曲线的端部，其数值对粒度分布的改变不敏感；同时由于多数水泥的80μm筛余数值很小，检验的相对误差很大。
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(5)激光粒度分析仪不适宜作为水泥粉磨工艺的日常质量控制检验手段，原因在于仪器操作过于复杂。操作不当时很容易出现误差，但其重要作用不容忽视。无论选择那种控制方式，均应该以激光粒度分析仪或类似仪器定期检验粒度分布，以确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细度即可降低特征粒径，比较起来控制均匀性系数则困难的多。文献介绍了国外一些对水泥粒度分布的控制方法。本文进一步研究了选粉机选粉效率、助磨剂和分别粉磨对均匀性系数的影响。 3.1选粉机选粉效率对粒度分布的影响
在一台装有0一Sepa选粉机的水泥磨上，改变选粉机的选粉效率，以观察对水泥粒度分布的影响。当选粉效率由47%提高到88%时，对粒度分布的影响如图6所示，水泥的粒度分布参数见表2。
图6和表2显示，在其它条件基本不变的条件下，选粉效率由47%提高到88%，水泥均匀性系数由0.88提高到1.16。选粉效率的提高，一方面意味着成品中粗颗粒的减少；另一方面意味着回粉中细颗粒的减少，从而减少了磨内的过粉磨，减少了出磨水泥(选粉机喂料)的
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细颗粒数量。导致成品中的细颗粒数量降低。改变选粉效率，得到的与均匀性系数的关系如图7所示。 图7显示，随着选粉效率提高，均匀性系数提高。影响粒度分布参数改变的条件众多，尽管力图保持其它条件基本不变，但实际上很难做到也就很难准确地确定单一因素的影响程度。因此图7显示的结果在定量的意义上有一定误差。
3.2助磨剂对粒度分布的影响
大部分水泥助磨剂属于阴离子表面活性剂。能够平衡粒子表面电荷，减轻磨内的过粉磨；另一方面，助磨剂能够提高选粉机的选粉效率。这两方面的作用使得助磨剂有助于提高均匀性系数。不直接影响水泥水化的助磨剂能够提高水泥强度，其原理主要在于助磨剂提高了水泥的均匀性系数。生产中注意，使用助磨剂必须同时改变磨机、选粉机的操作参数。使之与使用助磨剂的工况相匹配，才能最大限度发挥助磨剂的作用。因此，不改变其它条件，单独考察助磨剂对粒度分布的作用是困难的。生产实践表明，是否使用助磨剂对均匀性系数有明显影响，助磨剂掺量在推荐掺量附近变动时，对均匀性系数的影响不显著。
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3.3分别粉磨的影响
为了考察分别粉磨对产品粒度分布的影响，进行了半工业试验。在一台带有0一Sepa选粉机的水泥磨取P·I水泥样品，其粒度分布接近于最佳性能的要求：粒径<3μm的颗粒为10.64%，粒径3—30μm的颗粒为72.96%，粒径>60μm的颗粒为1.54%。使用化验室统一试验小磨将矿渣粉磨至比表面积627m/kg。高细收尘灰取自预分解窑窑尾电收尘。比表面积1194m/kg。按P·I水泥：高细收尘灰：矿渣粉：粉煤灰=60：6：30：4制得混合水泥，各种材料和混合水泥的粒度分布参数及比表面积见表3，各种材料和混合水泥的粒度分布见图8、图9。
表3结果表明，在P·I水泥中掺入特征粒径和均匀性系数显著低于P·I水泥的混合材料，均匀性系数由P·I水泥的1.21降低到混合水泥的1.06。分别粉磨可以明显降低均匀性系数。
图8、图9显示，在P·I水泥中掺入特征粒径和均匀性系数显著低于P·I水泥的混合材料后，混合水泥的粒度分布达到明显改善，混合水泥较之P·I水泥更加接近Fuller曲线。
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4 结论 (1)水泥的粒度分布与水泥的性能之间具有明确的相关关系。 (2)均匀性系数对强度具有显著影响，在相同的比表面积下，均匀性系数提高0.1，3d，7d，28 d抗压强度分别提高1.6，3.6，4.8 MPa。 (3)粒度分布是与水泥性能有明确定量关系的细度参数，是水泥粉磨细度控制的最终目标。以单一粒径筛余或单独的比表面积控制水泥粉磨细度的方法不能确定粒度分布，亟待改进。水泥粉磨细度控制方案，应该能够有效控制水泥的粒度分布。 (4)以45μm筛筛余作为日常生产控制参数，同时定期检验30～35μm或55～60μm区间内某一个粒径的筛余，是值得推荐的水泥粉磨细度控制方法。 时间：2021.03.04 创作：欧阳地 欧阳地创编
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