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颗粒特性对水泥性能的影响及分析方法

颗粒特性对水泥性能的影响及分析方法

一、前言

粒度是影响水泥性能的一个重要因素。传统的水泥粒度检验方法是用筛余法或比表面积法。如0.08mm的方孔筛筛余不超过10%，或比表面积值大于300m2/kg等。但在实际工作中往往出现这样现象：既使在筛余相同或比表面积相近时，水泥的性能也会表现出较大差异。所以用筛余法或比表面积法在控制水泥粒度方面有很大的局限性。粒度分布是指组成粉体的所有颗粒中，不同粒径的颗粒所占的百分含量。粒度分布的测定是对每一个所关心的粒级进行定量分析的一种方法。它能够准确**反映该水泥的颗粒组成和粗细程度，有效克服筛余或比面积法的局限性，是一种先进的水泥粒度检测方法。

二、粒度分布对水泥特性的影响

水泥强度的产生主要是由于水泥颗粒及水化物之间相互连生、搭接、水化从而产生可以抵抗外力的作用。水泥颗粒的大小与水化速度和程度有着直接的联系，不同粒径的水泥的水化速度和程度差异很大。在组成水泥的所有颗粒中，3-30μm的颗粒对水泥强度增长起主导作用。在此范围内各粒级的分布应是连续的，且总的含量不应低于65%。进一步研究发现，16-24μm之间的颗粒对水泥性能的影响更为重要，它们的含量愈多愈好。小于3μm的细颗粒的水化速度很快，有的甚至在搅拌过程中就已经完成，所以这些细颗粒仅对早期强度有利。30-60μm的颗粒的水化程度较低，而大于60μm的粗颗粒的活性很小，水化作用甚微，仅起填料作用。可见水泥中大于30μm颗粒的含量越多，熟料的利用率就越低，水泥的性能就越差。
为了验证不同粒度对水泥性能的影响，赵介山先生对某#425矿渣硅酸盐水泥进行筛分分级，再分别测定不同粒度区段的水泥的各龄期的强度，得到表1：

序号	粒度区段(μ m)	抗折强度(MPa)			抗压强度(MPa)
序号	粒度区段(μ m)	3d	7d	28d	3d	7d	28d
1	≤ 20	6.2	7.4	8.5	36.8	44.5	56.3
2	20-50	5.0	5.9	7.4	25.7	34.7	47.6
3	50-70	2.2	3.4	5.1	12.6	19.5	30.2
4	70-80	0	0	0.8	0	2.1	4.2
5	#425矿渣水泥	4.0	4.9	7.5	21.2	30.0	46.8

表1 ：不同粒径区间水泥强度的测定结果

     由表1可见，粒径大于70μm的水泥，3d的抗压强度竟为0，28d抗压强度也只有4.2MPa；粒径在50-70μm的水泥，3d抗压强度仅为12.6MPa，28d的抗压强度也只有30.2MPa，为原水泥同龄期强度的64.5%；而细颗粒端的各项强度指标较原水泥有较大提高。由此可见，降低水泥中粗颗粒的含量，改善水泥的粒度分布是提高水泥性能的有效途径。国内外某些先进的水泥厂的水泥产品中大于30μm的颗粒的含量仅为17%，有的甚至在7%以下。这种3-30μm之间颗粒含量较高，粒度分布比较集中的水泥称为窄粒径水泥，反之称为宽粒径水泥。窄粒径水泥可以充分发挥熟料的潜能，提高熟料的利用率，从而大大提高水泥的各龄期的强度指标。目前国内水泥性能与国外先进水平还有较大差距，原因之一就是国内水泥多为宽粒径水泥，它们的粗颗粒含量多，粒度分布宽。这些可以从以下几个方面得到进一步认证。

1、筛余量高
    国家水泥质量监督检验中心前年曾对国内近千个水泥样品和部分国外水泥样品进行细度对比检测，得到的结果如下：
检测的国外水泥0.08mm筛余量为：≤1.0%占被检样品的60%；
                                                     1.0% - 2.0%占30%；
                                                     2.0% - 2.4%仅占10%。
    这说明这些国外水泥的细度大多小于1%，*多不大于2.4%。检测的国内水泥的结果如表2：

水泥厂类别	检品数量(个)	0.5%-5.0%	5.1%-8.0%	8.1%-10.0%	>10%
国家重点企业	509	75.4%	22.8%	1.8%	0
非国家重点企业	504	64.9%	31.1%	3.4%	0.6%

表2 中国部分水泥细度状况(0.08mm筛余量)

通过上述检测可以看出，即使用传统的筛余细度检验方法，国内水泥的细度与国外相比也具有很大差距。
2、粒度分布宽
对近年来，国内很多水泥企业对水泥的粒度分布的测定开始重视。由于业务关系我们有机会接触到国内众多水泥企业。通过大量的检测发现，3-30μm含量大都在48%-65%之间，大于30μm的含量一般在30%-40%，有的*大颗粒甚至超过100μm，详见表3：

	1#	2#	3#	4#	5#	6#
1 3 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100	2.27 9.67 16.72 31.74 45.94 61.19 69.06 75.89 82.69 88.36 93.43 97.55 100	1.99 8.51 15.30 29.98 43.63 58.14 68.85 78.68 86.73 92.25 96.11 98.66 100	1.19 4.80 12.12 30.15 49.29 64.23 79.21 88.79 94.90 97.65 99.02 99.69 100	0.94 3.56 9.20 23.48 41.89 56.20 71.93 80.11 86.28 91.11 95.13 98.24 100	1.16 4.50 11.24 29.34 47.71 67.08 78.39 87.26 92.68 95.16 97.09 98.74 100	2.27 9.67 16.72 31.74 39.13 54.80 67.21 77.60 84.35 87.73 91.41 96.20 100

表3 几种水泥样品的粒度分布测定结果

从表3及其它测试可以看出，大于30μm的粗颗粒含量*少为32.92%，*大竟达到45.20%。所以从粒度方面讲粗颗粒含量过多是影响当前水泥质量的主要矛盾。因此，准确测定并设法减少30μm以上的颗粒含量，对提高水泥性能具有现实意义。

三、水泥粒度分布的测定方法

用来进行粒度分布分析的方法很多，适用于水泥的通常有沉降法和激光法两种。
1、沉降法：沉降法是根据不同粒径的颗粒在液体中的沉降速度不同测量粒度分布的一种方法。它的基本过程是把样品放到某种液体中制成一定浓度的悬浮液，悬浮液中的颗粒在重力或离心力作用下将发生沉降。不同粒径颗粒的沉降速度是不同的，大颗粒的沉降速度较快，小颗粒的沉降速度较慢。那么颗粒的沉降速度与粒径有怎样的数量关系，通过什么方式反映颗粒的沉降速度呢？(1)Stokes定律：在重力场中，悬浮在液体中的颗粒受重力、浮力和粘滞阻力的作用将发生运动，其运动方程为：

这就是Stokes定律。从Stokes定律中我们看到，沉降速度与颗粒直径的平方成正比。比如两个粒径比为1:10的颗粒，其沉降速度之比为1:100，就是说细颗粒的沉降速度要慢很多。为了加快细颗粒的沉降速度，缩短测量时间，现代沉降仪大都引入离心沉降方式。在离心沉降状态下，颗粒的沉降速度与粒度的关系如下：

这就是Stokes定律在离心状态下的表达式。由于离心转速都在数百转以上，离心加速度ω2r远远大于重力加速度g，Vc>>V，所以在粒径相同的条件下，离心沉降的测试时间将大大缩短。

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