水泥性能與粒度分布關(guān)系

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(guó)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(yàn)結(jié)果和實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，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)。控制方法應(yīng)能以足夠的準(zhǔn)確度確定水泥的粒度分布。以45 m篩余作為日常生產(chǎn)控制參數(shù)， 同時(shí)定期檢驗(yàn)3035 m或5560 m區(qū)間內(nèi)某一個(gè)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(jī)選粉效率、助磨劑和分別粉磨等。0前言水泥廠的工程實(shí)踐表明，通過優(yōu)化水泥的粉磨工藝，

2、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(duì)水泥性能的不同要求。近年對(duì)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(duì)水泥粒度分布的要求。國(guó)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(gè)參數(shù)，改變另外二個(gè)參數(shù)， 探討了水泥強(qiáng)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(yàn)，觀察凝結(jié)時(shí)間與均勻性系數(shù)的關(guān)系。 在此基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)控制經(jīng)驗(yàn)，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)語(yǔ)中的

3、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(duì)強(qiáng)度的影響使用水泥廠正常生產(chǎn)的熟料在試驗(yàn)室閉路磨機(jī)和間歇式磨機(jī).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(yàn)其強(qiáng)度、標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量和凝結(jié)時(shí)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(duì)強(qiáng)度影響的定量關(guān)系見圖1圖3。(1) 試驗(yàn)中保持比表面積為 220m 2/kg不變時(shí)，水泥抗壓強(qiáng)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(qiáng)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

4、.1時(shí)，3 , 7, 28d抗壓強(qiáng)度分別提高1.6 , 3.6 , 4.8 MPa，其中28d抗壓強(qiáng)度對(duì)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， 特征粒徑以近于乘藉關(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(gè)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(qiáng)度。(2) 試驗(yàn)中保持水泥的特征粒徑為18 m不變時(shí)，水泥抗壓強(qiáng)度與均勻性系數(shù)、比表面積與均勻性系

5、數(shù)的關(guān)系見圖2。圖2顯示，在相同的特征粒徑下，3d抗壓強(qiáng)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(shí)，3d抗壓強(qiáng)度降低2.4 MPa。7.28 d抗壓強(qiáng)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，比表面積以近于乘藉關(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(qiáng)度 明顯下降。-一 51*2-蜉(3) 試驗(yàn)中保持水泥的均勻性系數(shù)為0.80時(shí)，水泥抗壓強(qiáng)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

6、壓強(qiáng)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1 a m , 3,7 ,28 d抗壓強(qiáng)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.比表面積以近于乘藉關(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(qiáng)度下降。21)25 W 33 Jii叫-t' l至I相我均勻性系歌、水靠抗壓技度峭 比霸質(zhì)積與特總精蜂的美系與特征粒徑比較，均勻性系數(shù)對(duì)強(qiáng)度具有更加顯著的影響。獲得提高均勻性系數(shù)0.1對(duì)應(yīng)的3 , 7, 28 d抗壓強(qiáng)度的增加值，如果依靠

7、降低特征粒徑，則特征粒徑降低的數(shù)值分 別是：2.0 , 4.3 , 6.2 m。特征粒徑對(duì)于28 d抗壓強(qiáng)度更加敏感，為了獲得相同的28 d抗壓強(qiáng)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 6.2 a m。在實(shí)際生產(chǎn)中后者的難度和付出的代價(jià)更高，前者則會(huì)帶來(lái)需水量增加的弊端。1.2粒度分布特性對(duì)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 220m 2/kg時(shí)，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

8、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?？杖缟脬氡镣瑥B* 傳住帆M111三圄4 ftl同比果漩脫術(shù)滉桂滑概度用水和 場(chǎng)與均句姓跟tl舶美系1.3粒度分布特征對(duì)凝結(jié)時(shí)間影響的定量關(guān)系在一臺(tái)閉路水泥磨進(jìn)行了均勻性系數(shù)對(duì)凝結(jié)時(shí)間影響的試驗(yàn)。調(diào)整粉磨工藝參數(shù)，保持水泥32 m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(shí)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(shí)間、終凝時(shí)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

9、時(shí)間延長(zhǎng) 0.22 h，終凝時(shí)間延長(zhǎng) 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<3 m的細(xì)熟料顆粒對(duì)水泥的凝結(jié)時(shí)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(shí)間延長(zhǎng)。*芒頃15IDfl.9 1 IJ L2 |S 均 0B*成*哉靖酎聞與均為性系is的藝慕 2水泥粉磨的適宜控制參數(shù)我國(guó)水泥廠的水泥粉磨早期使用80 a m篩余作為控制指標(biāo)，2001年隨著新水泥標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施開始重視比表面積，近年來(lái)逐步以45 m篩余代替80 m篩余。這是一個(gè)技術(shù)進(jìn)步的過程。但是，對(duì)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

10、現(xiàn)象依然非常普遍。一些購(gòu)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(gè)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(jì)算得到的4組水泥粒度分布和對(duì)應(yīng)的80 , 45和32 m篩余值見表1。表1不同粒度分布和對(duì)應(yīng)的 80 , 45和32 m篩余值表1顯示，當(dāng)水泥的粒度分布 發(fā)生顯著變化時(shí).45m和32m篩余均有明顯變化，而 80m篩余

11、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80 m篩余控制水泥磨生產(chǎn)，當(dāng)粒度分布發(fā)生了明顯變化，80 m篩余卻只有微小變化。有時(shí)根本無(wú)法判斷這種微小的變化是來(lái)自樣品自身。還是來(lái)自檢驗(yàn)誤差，也就無(wú)法發(fā)現(xiàn)粒度分布的變化。發(fā)達(dá)國(guó)家水泥廠已經(jīng)普遍重視對(duì)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(gè)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(yàn)，該廠 以32m篩余和比表面積作為日?？刂浦笜?biāo)，同時(shí)定期檢驗(yàn)45m篩余，通過32 m篩余和45 m篩余控制粒度分布。根據(jù)前述水泥粒度分布與性能關(guān)系的試驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于水泥粉磨細(xì)度控

12、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(dú)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) 3060 m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。3060 m區(qū)間的單一粒徑篩余輔之比表面積是一個(gè)勉強(qiáng)可以接受的細(xì)度控制方法，必須同時(shí)定期檢驗(yàn)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)

13、 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(gè)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45 m篩余作為日常生產(chǎn)控制參數(shù)，同時(shí)定期檢驗(yàn) 3035 m或5560 m區(qū)間內(nèi)某一個(gè)粒徑的篩余，可以大致確認(rèn)粒度分布。以二個(gè)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(yàn)粒度分布， 在1060 m的粒徑范圍選擇 57個(gè)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(gè)篩余數(shù)據(jù)計(jì)算的均勻性系數(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

14、制方法。(4) 單獨(dú)使用80 m篩余最糟糕的是水泥粉磨控制方法。原因在于 80 m篩余處于RRB分布曲線的端部，其數(shù)值對(duì)粒度分布的改變不敏感；同時(shí)由于多數(shù)水泥的80 m篩余數(shù)值很小，檢驗(yàn)的相對(duì)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(yàn)手段，原因在于儀器操作過于復(fù)雜。操作不當(dāng)時(shí)很容易出現(xiàn)誤差，但其重要作用不容忽視。無(wú)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(yàn)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(lái)控制均勻性系數(shù)則困難的多。 文獻(xiàn)介紹了國(guó)外一些對(duì)水泥粒度分布的控制方法。本文進(jìn)一步研究

15、了選粉機(jī)選粉效率、助磨劑和分別粉磨對(duì)均勻性系數(shù)的影響。3.1選粉機(jī)選粉效率對(duì)粒度分布的影響在一臺(tái)裝有0 Sepa選粉機(jī)的水泥磨上，改變選粉機(jī)的選粉效率，以觀察對(duì)水泥粒 度分布的影響。當(dāng)選粉效率由47%提高到88%時(shí)，對(duì)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(jī)喂料)的細(xì)顆粒數(shù)量。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)

16、 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(shí)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。tig f riIB7選購(gòu)效率與均為性策敗的美隼3.2助磨劑對(duì)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(jī)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(qiáng)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(shí)改變磨機(jī)、選

17、粉機(jī)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(dú)考察助磨劑對(duì)粒度分布的作用是困難的。生產(chǎn)實(shí)踐表明，是否使用助磨劑對(duì)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(dòng)時(shí)，對(duì)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(duì)產(chǎn)品粒度分布的影響，進(jìn)行了半工業(yè)試驗(yàn)。 在一臺(tái)帶有0 Sepa選粉機(jī)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 <3 a m的顆 粒為10.64% ，粒徑3 30 m的顆粒為72.96% ，粒徑>60 m的顆粒為1.54% 。使 用化驗(yàn)室統(tǒng)一試驗(yàn)小磨將礦渣粉磨至比表面積627

18、m 2/kg 。高細(xì)收塵灰取自預(yù)分解窯窯尾電收塵。比表面積 1194m 2/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 PI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)。(11kQtoI1J011役仙n字toIf 亂也 N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