水泥性能與粒度分布關(guān)系一類嚴(yán)選

1、水泥性能與粒度分布關(guān)系的數(shù)值窮析與應(yīng)用【中國水泥網(wǎng)】 作者:張大康 單位:拉法基瑞安北京技術(shù)服務(wù)有限公司重慶分公司 【2010-01-22】 摘要：定量分析了水泥物理性能與粒度分布的關(guān)系，旨在指導(dǎo)水泥粉磨過程的質(zhì)量控制。根據(jù)試驗結(jié)果和實際生產(chǎn)經(jīng)驗，提出水泥粉磨細(xì)度控制應(yīng)該以控制粒度分布為最終目標(biāo)?？刂品椒☉?yīng)能以足夠的準(zhǔn)確度確定水泥的粒度分布。以45m篩余作為日常生產(chǎn)控制參數(shù)，同時定期檢驗3035m或5560m區(qū)間內(nèi)某一個粒徑的篩余，是值得推薦的水泥粉磨細(xì)度控制方法。介紹了水泥粒度分布的重要影響因素，包括選粉機選粉效率、助磨劑和分別粉磨等。 0  前言水泥廠的工程實踐表明，通

2、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(guān)系進(jìn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)稠度用水量與粒度分布之間的定量關(guān)系。在水泥廠進(jìn)行工業(yè)試驗，觀察凝結(jié)時間與均勻性系數(shù)的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)實際生產(chǎn)控制經(jīng)驗，提出了水泥粉磨工藝細(xì)度、均勻性系數(shù)的控制方法。本文的細(xì)度一詞，使用了gb/t4131一1997水泥的命名、定義和術(shù)

3、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(xì)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(biāo)準(zhǔn)稠度用水量和凝結(jié)時間等物理性能，以觀察物理性能與粒度分布之間的關(guān)系。粒度分布特性對強度影響的定量關(guān)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(guān)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(guān)系。均勻性系數(shù)提高0.1時，3，

4、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(guān)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(xì)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18m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(guān)系見圖2。圖2顯示，在相同的特

5、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(guān)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(guān)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(guān)系降低。均勻性系數(shù)的提高意味著較粗和較細(xì)的顆粒都減少；比表面積降低意味著水化速率較快的細(xì)顆粒減少；二者綜合效果是降低了早期水化速率，導(dǎo)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(guān)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(guān)系。特征粒徑提高1m，3，7，28

6、d抗壓強度分別降低0.80，083，0.78mpa。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(guān)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(xì)顆粒減少；綜合效果是降低了水化速率，導(dǎo)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(yīng)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：2.0，4.3，6.2m。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6.2m。在實際生產(chǎn)中后者

7、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(biāo)準(zhǔn)稠度用水量影響的定量關(guān)系保持相同比表面積為220m2/kg時，水泥標(biāo)準(zhǔn)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(guān)系見圖4。圖4顯示，在相同的比表面積下，標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量與均勻性系數(shù)具有良好的正比線性關(guān)系。均勻性系數(shù)提高0.1，標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量提高0.77%。均勻性系數(shù)提高導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)稠度用水量。1.3粒度分布特征對凝結(jié)時間影響的定量關(guān)系在一臺閉路水泥磨進(jìn)行了均勻性系

8、數(shù)對凝結(jié)時間影響的試驗。調(diào)整粉磨工藝參數(shù)，保持水泥32m篩余沒有大幅度變化，改變水泥均勻性系數(shù)。水泥凝結(jié)時間與均勻性系數(shù)的關(guān)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(guān)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(xì)顆粒均較多，其中<3m的細(xì)熟料顆粒對水泥的凝結(jié)時間具有顯著影響。因此隨均勻性系數(shù)的增加，水泥凝結(jié)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80m篩余作為控制指標(biāo)，2001年隨著新水泥標(biāo)準(zhǔn)的實施開始重視比表面積，近年來逐步以45m篩余代替

9、80m篩余。這是一個技術(shù)進(jìn)步的過程。但是，對與水泥性能密切相關(guān)的粒度分布沒有足夠的關(guān)注，以單一參數(shù)作為水泥粉磨工藝細(xì)度控制指標(biāo)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(biāo)。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(guān)性，已有的文獻(xiàn)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(guān)性，則不能精細(xì)控制水泥性能?；蛘吒鼫?zhǔn)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(yīng)的80，45和32m篩余值見表1。表1不同粒度分布和對應(yīng)的8

10、0，45和32m篩余值表1顯示，當(dāng)水泥的粒度分布發(fā)生顯著變化時45m和32m篩余均有明顯變化，而80m篩余卻可以保持不變。這充分顯示了80 m篩余不宜用作水泥粉磨日?？刂埔罁?jù)的原因。使用80m篩余控制水泥磨生產(chǎn)，當(dāng)粒度分布發(fā)生了明顯變化，80m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(dá)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(xiàn)推薦水泥粉磨使用45m篩余和比表面積二個控制參數(shù)；文獻(xiàn)介紹了某合資廠水泥粉磨細(xì)度控制的經(jīng)驗，該廠以32m篩余和比表面積作為日常控制指標(biāo)，同時定期檢驗45m篩余，通過32 m篩余和45m篩余

11、控制粒度分布。根據(jù)前述水泥粒度分布與性能關(guān)系的試驗結(jié)果，并結(jié)合實際生產(chǎn)經(jīng)驗，對于水泥粉磨細(xì)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(xì)度控制指標(biāo)，也不宜單獨以比表面積作為細(xì)度控制指標(biāo)。單一粒徑篩余或比表面積與水泥性能的相關(guān)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(guān)性。(2)3060m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。3060m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(xì)

12、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(guān)系。(3)為了提高水泥粉磨質(zhì)量。獲得預(yù)期的水泥性能，粒度分布是最佳的描述水泥細(xì)度的參數(shù)。3060 m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45m篩余作為日常生產(chǎn)控制參數(shù)，同時定期檢驗3035 m或5560m區(qū)間內(nèi)某一個粒徑的篩余，可以大致確認(rèn)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(yīng)該以較低的頻率使用激光顆粒分析儀檢驗粒度分布，在l060 m的粒徑范圍選擇57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(rèn)二個篩余數(shù)據(jù)計算的

13、均勻性系數(shù)和特征粒徑的誤差。筆者認(rèn)為這是目前最值得推薦的水泥粉磨細(xì)度控制方法。(4)單獨使用80m篩余最糟糕的是水泥粉磨控制方法。原因在于80m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80m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(fù)雜。操作不當(dāng)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(yīng)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(xì)度即可降低特征粒徑，比較起來控制均勻性系數(shù)

14、則困難的多。文獻(xiàn)介紹了國外一些對水泥粒度分布的控制方法。本文進(jìn)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(dāng)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(xì)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(xì)顆粒數(shù)量。

15、導(dǎo)致成品中的細(xì)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(guān)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(zhǔn)確地確定單一因素的影響程度。因此圖7顯示的結(jié)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

16、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(jìn)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<3m的顆粒為10.64%，粒徑330m的顆粒為72.96%，粒徑>60m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(xì)

17、收塵灰取自預(yù)分解窯窯尾電收塵。比表面積1194m2/kg。按p·i水泥：高細(xì)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(jié)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(dá)到明顯改善，混合水泥較之p·i水泥更加接近fuller曲線。4  結(jié)論(1)水泥的粒度分布與