摘要：对3家水泥生产企业15个水泥产品取样后进行颗粒级激光粒度分析，表明80μm筛余与颗粒分布、比表面积均没有很好的相关性，比表面积同28d强度有一定关系，但相关性并不好。小于3μm颗粒对水泥3 d强度起主要贡献，对标准稠度需水量有着显著影响，3～32 μm颗粒对水泥28 d强度增进起主导作用。因此建议：(1)采用比表面积和32μm筛余或45μm筛余共同作为粉磨过程例行控制质量指标；(2)42.5等级水泥比表面积控制在360～380m2/kg比较合适。

关键词：颗粒分布；比表面积；需水量；孔隙率

0 引言

众所周知，水泥的凝结时间、强度、干缩性、水化热、需水性和泌水率等性能受其细度影响；同时水泥细度也关系到粉磨效率和电能消耗，是实现水泥等级和满足用户要求的重要工艺指标。因此，寻求高生产效率和高水泥强度下的优化水泥细度至关重要。在对水泥粉磨、选粉分级等环节进行优化处理时，颗粒分布的测试结果可提供准确的数据依据。在具体生产应用中，水泥的颗粒分布状况如何，如何以更低的成本生产出颗粒级配更加合理的水泥，应成为水泥质量技术改进的目标。本文对颗粒级配对水泥物理性能的影响进行研究。

1 试验方案

本试验对3家水泥生产企业15个水泥产品取样后进行颗粒级激光粒度分析，通过研究水泥的粉磨细度、颗粒分布对水泥物理性能指标的影响，结合水泥性能最佳级配RRSB方程和最紧密堆积Fuller曲线评价水泥颗粒级配理论，确定水泥合理的粉磨生产过程质量控制指标及颗粒级配，为进一步优化水泥磨机工艺参数、调整混合材结构与掺量、合理定位质量过程指标提供数据依据，从而实现改善水泥性能、降低水泥成本的目的。

1.1 试验原材料

试样的组成及比例见表1。

1.2 试验方案

在水泥磨工况稳定时，生产P·O42.5水泥，固定混合材及石膏品种、掺量(注：混合材、石膏结构及掺量与公司日常P·O42.5水泥生产保持一致)；通过调整水泥磨选粉机转速，分别选取比表面积在(320±5) m2/kg、(340±5) m2/kg、(360±5) m2/kg、(380±5) m2/kg、(400±5) m2/kg区间5个水泥样品，每个样品需安排专人在水泥成品斜槽取成品水泥10kg(连续取样，1kg/5min)，并记录此时水泥生产各种物料名称及配比、磨机循环负荷率(注：每个样品循环负荷率均要取样计算)。每个水泥样品取回后分别混匀，并检测水泥密度、比表面积、45μm细度、80μm细度(注：密度、比表面积、细度须开展3次实验，以3次结果平均值作为最终数据)和开展全套物理性能检测(其中抗压强度检测3 d、28 d强度)。

1.3 试验方法

以国标GB/T 8074-2008为依据检测水泥细度：以国标GB/T 1346-2011为依据检测水泥标准稠度用水量；以国标GB/T2419-2005为依据检测水泥胶砂流动度；以国标GB/T 17671-1999为依据检测水泥强度。试验设备采用Malvem激光颗粒粒度测定仪。

2 试验结果与分析

从提高水泥强度出发，水泥颗粒宜含较多的3～32μm颗粒。水泥界将3μm筛余=90%和60μm筛余=5%代入RRSB方程，提出最佳性能级配；而混凝土界从最佳紧密堆积级配提出Fuller曲线，＜3μm细粉要大于29%，两者在最佳水泥颗粒分布上有差别中。理论上讲，水泥最致密堆积且性能最优两种条件满足后方可进行水泥粒度分布的优化，但水泥最优性能与其最致密堆积条件并不能同时满足。对水泥最佳性能级配与最紧密Fuller曲线的颗粒分布进行比较，其矛盾在于：最佳性能级配要求＜3μm颗粒小于10%，而Fuller曲线要求＜3μm颗粒要求要达到29%，见表2。

2.1 颗粒分布对水泥比表面积的影响

水泥颗粒分布与比表面积的试验数据见表3。

从表3可以看出，随着水泥比表面积增加，颗粒的均匀系数也随之增大(水泥颗粒分布越来越窄)，＜3μm和3～32μm颗粒含量也随之增多,比表面积在360m2/kg后65μm筛余数据变化不显著，85μm筛余与比表面积相关性不好，颗粒的特征粒径X与比表面积成负相关关系。水泥比表面积由320m2/kg提高到400m2/kg，＜3μm颗粒含量的增幅为：A公司样品29%，B公司样品45%，C公司样品44%；3～32μm颗粒含量的增幅：A公司10%，B公司23%，C公司16%。由此可见，虽然两个分布区间的颗粒含量都有增加，但增幅相差甚大，因此表明，水泥比表面积主要体现＜3μm颗粒的变化，这也证实了前人研究的成果：粗细颗粒对勃氏比表面积值的贡献差别较大，＜2μm的细颗粒质量仅占7%～9%，对勃氏比表面积值的贡献高达49%，而＞45 μm的粗颗粒质量约占10%～20%，对勃氏比表面积值的贡献却不足2%。随着水泥比表面积增加，80μm筛余基本上不变化，因此80μm筛余与比表面积没有很好的相关性，该组分的含量占比数据无法证明总量中有效颗粒组分的占比及分布情况。因此无法根据上述试验结果推断水泥的性能。

2.2 颗粒分布对水泥物理性能指标的影响

颗粒分布与水泥物理性能指标的试验数据见表4。结合表3，从表4可以看出，随着＜3μm和3～32μm颗粒含量的增加，比表面积和均性系数均增大，3d和28 d抗压强度和稠度需水量不断增大，比表面积在360m2/kg以下3 d和28 d强度偏低比表面积大于380m2/kg，水泥强度的增幅速率显著减小。随着32～65μm和＞65μm含量的减少，水泥的3d和28d强度在不断增加。

2.2.1 颗粒分布对水泥抗压强度影响分析

水泥的颗粒分布对水泥性能产生的影响，主要是因为水泥颗粒的大小与水泥的水化速度及程度有直接关系，对于不同粒径的水泥颗粒，其水化速度及程度差异很大。经前人试验测定：0～10μm颗粒1d水化达75%，28d接近完全水化；10～32μm颗粒7 d水化达50%；32～65μm颗粒28 d水化为50%；＞65μm颗粒水化达到50%则需要90 d以上。从水泥颗粒的水化程度来考虑，小于3μm的水泥颗粒的水化速度很快，其中更小的颗粒甚至在搅拌过程中就已经完成水化。3d水化龄期内，小于3μm这部分水泥颗粒已完全水化，因此对水泥3d强度起主要贡献。3～32μm的水泥颗粒对水泥28d强度的增长起主导作用，该区域水泥粉体颗粒含量的多少直接影响水泥28 d强度。32～65μm的水泥颗粒在28 d水化龄期到来时未能完全水化，这部分水泥颗粒的水化程度很低，仅能发挥水泥粉体潜在水硬性的50%，是水泥28 d强度的辅助影响因素。而大于65μm的水泥颗粒活性很小，水化程度很低，基本仅在表层水化，该区间水泥粉体颗粒在28d水化龄期内不能发挥水泥粉体的潜在水硬性，对28 d强度贡献基本为零，因此该区域水泥粉体颗粒仅起到填料的作用。由此可见，水泥粉体中大于32μm的粗颗粒越多，水泥的利用率就越低，物理性能就越差，因此在3d强度满足的情况，应严格控制小于3μm颗粒的含量。小于3μm的颗粒由于其比表面积大，表面能高，体系中该组分含量过高易导致粘球团聚现象，磨机阻力、电耗及温度升高的同时产量明显降低。小于3μm的水泥颗粒中主要包含混合材、C3S及C3A晶体，其中C3S与C3A水化化过程中需水量增大，混凝土坍落度损失大；同时早期水化热高且集中，容易引起混凝土塑性开裂，形成的水泥石结构不密实，而影响混凝土耐久性。因此多数学者提出，粒径小于3μm颗粒组分含量应尽可能≤10%，又因受颗粒形状、检测误差及混合材配比及物理性能等因素制约，多数学者认为P·O42.5水泥中小于3μm的颗粒占比应在9%～15%之间，其占比与水泥体系中易磨性材料占比呈正相关关系。

2.2.2 颗粒分布对水泥标准稠度需水量影响分析

随着＜3μm和3～32μm颗粒含量的增加，比表面积的增大，颗粒均匀系数的增大，颗粒分布不断变窄，标准稠度需水量增加。颗粒包裹水层厚度与堆积孔隙率共同影响其标准稠度需水量。标准稠度需水量增加主要原因是颗粒分布随着水泥颗粒均匀系数n的增大而变窄，堆积孔隙率越大则堆积体积增加，同时填充孔隙的水量增大，颗粒包裹水层变厚，致使标准稠度需水量越大。同时本身小于3 μm的细颗粒含量增多会大大增加水泥的需水量，引起水泥石的孔隙率增加啊，这部分水泥粉体又是水泥粉体颗粒的比表面积的主要影响因素，其含量增多，水泥的比表面积就越大，水泥粉体的可塑性就降低，因此水泥的需水量也随之加大。

3 结束语

(1)80μm筛余与颗粒分布、比表面积均没有很好的相关关系，只反映80μm以上颗粒的百分含量，该组分的占比数据无法证明总量中有效颗粒组分的占比及分布情况。因此无法根据该单一参数推断水泥性能。比表面积主要反映细颗粒的含量，即反映＜3μm细度状况和3 d强度变化。比表面积同28 d强度有一定关系，但相关性不大。

(2)小于3μm颗粒对水泥3d强度起主要贡献，对标准稠度需水量有着显著增加，同时颗粒均匀系数n有着很好的正向关系，3～32μm颗粒对水泥28 d强度增进起主导作用。32～65μm颗粒含量对强度有贡献，但贡献率较低。65μm以上颗粒基本上只起到骨架作用。大于45μm颗粒含量增加，水泥泌水性会增大，应保持其在合理范围内。工业生产中当粉磨系统参数稳定时，颗粒的分布状态可根据32μm筛余或45μm筛余数据表征，因此笔者建议采用比表面积和32μm筛余或45μm筛余数据共同作为依据指标从而加强粉磨质量控制。

(3)比表面控制过小，粗颗粒含量过多，强度发挥不足，水泥的3d和28d强度偏低，对资源是一种浪费；比表面积控制过高，细颗粒过多，颗粒分布越集中，3d、28d强度增幅降低，标准稠度需水量大，同时增加成本。结合以上研究，充分考虑物料在一定细度下强度的充分发挥，确保混合材的掺入量，建议生产过程中42.5等级水泥比表面积控制在360～380m2/kg比较合适。