水泥的細(xì)度特征及提高水泥強(qiáng)度的措施

摘要：通過對(duì)目前我國(guó)水泥質(zhì)量與國(guó)際先進(jìn)水平的比較，指出了我國(guó)水泥存在的主要差距。從粉體工程學(xué)的角度提出了提高我國(guó)水泥強(qiáng)度的技術(shù)措施。

關(guān)鍵詞：水泥強(qiáng)度 助磨劑 橢球形研磨體 混合粉磨 分別粉磨

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

我國(guó)是水泥生產(chǎn)大國(guó)，2000年的水泥產(chǎn)量達(dá)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(guān)系到建筑工程質(zhì)量的優(yōu)劣，而且關(guān)系到人民生命財(cái)產(chǎn)的安全。本文通過對(duì)我國(guó)水泥與國(guó)際先進(jìn)水平的對(duì)比，找出目前我國(guó)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(guó)水泥與國(guó)際先進(jìn)水平的差距

1.1水泥細(xì)度偏粗、顆粒級(jí)配不合理

水泥中的細(xì)粉含量和顆粒級(jí)配不僅影響水灰比，同時(shí)影響水泥的早期強(qiáng)度和強(qiáng)度增進(jìn)率。如德國(guó)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(guó)水泥的細(xì)度普遍較粗，細(xì)粉含量低，而且水泥的顆粒級(jí)配及水泥中各組分的顆粒級(jí)配不合理。

1.2水泥的早期強(qiáng)度較低

由于我國(guó)水泥的細(xì)度較粗、細(xì)粉含量低，水泥的水化過程較慢，其早期強(qiáng)度較低。表1、表2分別為我國(guó)及德國(guó)幾種水泥的強(qiáng)度值。

由表1、表2可見，我國(guó)水泥的早期強(qiáng)度無(wú)論是絕對(duì)值還是相對(duì)值都比德國(guó)水泥低得多，我國(guó)早強(qiáng)型水泥的3d強(qiáng)度相對(duì)值至少也比德國(guó)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(chǔ)，率值是影響水泥質(zhì)量的重要因素。我國(guó)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(guó)內(nèi)外水泥生產(chǎn)的工藝參數(shù)對(duì)比。

2 水泥的細(xì)度特征

細(xì)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(xì)度特征，從我國(guó)水泥與國(guó)際先進(jìn)水平的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，細(xì)度特征是影響我國(guó)水泥強(qiáng)度的重要因素之一。

2.1水泥熟料的細(xì)度

水泥顆粒大小與水化過程有著直接的關(guān)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(duì)水泥水化及強(qiáng)度的作用甚微，僅起到填料的作用;過細(xì)的水泥可能結(jié)團(tuán)或增大水泥的需水量，在漿體硬化之前已完成水化過程，對(duì)水泥齡期強(qiáng)度的增長(zhǎng)無(wú)作用。例如<1Lm的顆粒在不到1d的時(shí)間內(nèi)已水化完全，因而對(duì)水泥強(qiáng)度的增進(jìn)率幾乎不起作用。況且細(xì)小顆粒大多為混合材，非常細(xì)小的顆粒對(duì)水泥石的增長(zhǎng)也不起作用。據(jù)報(bào)道，硅酸鹽水泥熟料的水化很慢，水化3d時(shí)的水化深度僅為3Lm，水化28d時(shí)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(shí)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(duì)水泥水化發(fā)揮作用。對(duì)相同礦物組成的水泥，其活性及強(qiáng)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(duì)早期強(qiáng)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(xì)粉含量，是提高水泥強(qiáng)度尤其是早期強(qiáng)度的有效途徑之一。從國(guó)內(nèi)外水泥的應(yīng)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(jí)配

水泥是由大小不等的顆粒組成的混合粉體，從顆粒級(jí)配上來講趨于窄粒級(jí)。3~30Lm的顆粒是水泥的主要活性成分，對(duì)水泥強(qiáng)度的增進(jìn)率起主導(dǎo)作用。例如比表面積或篩余相同的水泥，采用同一臺(tái)窯煅燒的熟料，由于粉磨后的顆粒級(jí)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(jí)的水泥顆粒對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。

在水泥粉磨過程中，不能完全消除>30Lm的顆粒，但應(yīng)消除>60Lm的顆粒，同時(shí)又必然會(huì)產(chǎn)生<3Lm的顆粒。有關(guān)文獻(xiàn)提出的水泥最佳顆粒級(jí)配為:普通硅酸鹽水泥中3~30Lm顆粒應(yīng)達(dá)到40%~50%；高強(qiáng)快硬硅酸鹽水泥中3~30Lm顆粒應(yīng)達(dá)到50%~60%；超高強(qiáng)快硬硅酸鹽水泥中3~30Lm顆粒應(yīng)達(dá)到70%以上?？傮w上來講，3~30Lm的顆粒含量應(yīng)>65%，其中10~20Lm的顆粒對(duì)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(xì)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(huì)影響水泥強(qiáng)度檢驗(yàn)時(shí)的成型需水量，需水量過大則使水泥強(qiáng)度下降。在粉體工程學(xué)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(zhǎng)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(qiáng)度的提高;但這也使顆粒之間的摩擦系數(shù)大，要達(dá)到一定的流動(dòng)度的需水量就大，使后期強(qiáng)度及后期強(qiáng)度增進(jìn)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(dòng)度的滾珠效應(yīng)。不同球形度水泥的性能對(duì)比見表5。

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3 提高我國(guó)水泥強(qiáng)度的主要措施

細(xì)度特征是影響水泥強(qiáng)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(qiáng)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(jī)的粉磨效率，從而可提高水泥產(chǎn)品的比表面積和細(xì)度，因而可以提高水泥的強(qiáng)度。

粉體的流動(dòng)性直接影響到研磨介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和粉碎作用的發(fā)揮，添加助磨劑是改善粉體流動(dòng)性、提高粉磨效率的重要措施。助磨劑的作用機(jī)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(kuò)展所需的外應(yīng)力，促進(jìn)裂紋擴(kuò)展;在裂紋擴(kuò)展的過程中，助磨劑沿顆粒表面吸附擴(kuò)散使其表面能降低;隨著裂紋的形成和不斷擴(kuò)展，助磨劑分子進(jìn)一步進(jìn)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(jìn)行。與此同時(shí)，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(yīng)，減小了微細(xì)顆粒聚集的能力和機(jī)會(huì)，使粉體的流動(dòng)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(jī)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(duì)物料主要有沖擊和研磨兩個(gè)作用，可通過調(diào)整級(jí)配從而改變鋼球在磨機(jī)中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)上述作用。對(duì)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(duì)提高球的研磨能力有利。實(shí)踐證明，橢圓球綜合了圓球、鋼棒膠囊球、鋼鍛的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)改善水泥顆粒級(jí)配、提高水泥實(shí)物質(zhì)量及提高磨機(jī)的臺(tái)時(shí)產(chǎn)量、降低電耗，具有圓球所不可比擬的優(yōu)勢(shì)。主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)提高了研磨能力，從而可提高水泥的細(xì)度。由于橢圓球之間是弧線接觸而非圓球之間的點(diǎn)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(qiáng)，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(duì)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(jí)配更為合理。從幾何學(xué)角度分析，由于橢圓球之間的弧線接觸，各點(diǎn)曲率均不相同，球與球之間接觸面的夾角均不同，因而對(duì)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(jí)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(shí)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(yuǎn)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(duì)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(xì)度。對(duì)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(bǔ)性。混合粉磨不僅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(qiáng)度特別是3d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度提高。這主要是因?yàn)閮煞N熟料的微觀結(jié)構(gòu)不同，水化時(shí)的礦物晶體具有匹配性和互補(bǔ)性。但水泥熟料與礦渣等混合粉磨時(shí)，由于兩者易磨性的差異，導(dǎo)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(qiáng)度。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)通用水泥標(biāo)準(zhǔn)的修訂是水泥行業(yè)與國(guó)際接軌的第一步，這對(duì)我國(guó)水泥行業(yè)來說既是機(jī)遇又是挑戰(zhàn)。我們要把握向新經(jīng)濟(jì)時(shí)代定位轉(zhuǎn)型的機(jī)遇，運(yùn)用前瞻的理念，逐步實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)水泥企業(yè)向環(huán)保補(bǔ)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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