顆粒特性對水泥性能的影響及分析方法

閱讀：2467 發布時間：2011-4-1

一、前言

粒度是影響水泥性能的一個重要因素。傳統的水泥粒度檢驗方法是用篩余法或比表面積法。如0.08mm的方孔篩篩余不超過10%，或比表面積值大于300m2/kg等。但在實際工作中往往出現這樣現象：既使在篩余相同或比表面積相近時，水泥的性能也會表現出較大差異。所以用篩余法或比表面積法在控制水泥粒度方面有很大的局限性。粒度分布是指組成粉體的所有顆粒中，不同粒徑的顆粒所占的百分含量。粒度分布的測定是對每一個所關心的粒級進行定量分析的一種方法。它能夠準確全面反映該水泥的顆粒組成和粗細程度，有效克服篩余或比面積法的局限性，是一種先進的水泥粒度檢測方法。

二、粒度分布對水泥特性的影響

水泥強度的產生主要是由于水泥顆粒及水化物之間相互連生、搭接、水化從而產生可以抵抗外力的作用。水泥顆粒的大小與水化速度和程度有著直接的，不同粒徑的水泥的水化速度和程度差異很大。在組成水泥的所有顆粒中，3-30μm的顆粒對水泥強度增長起主導作用。在此范圍內各粒級的分布應是連續的，且總的含量不應低于65%。進一步研究發現，16-24μm之間的顆粒對水泥性能的影響更為重要，它們的含量愈多愈好。小于3μm的細顆粒的水化速度很快，有的甚至在攪拌過程中就已經完成，所以這些細顆粒僅對早期強度有利。30-60μm的顆粒的水化程度較低，而大于60μm的粗顆粒的活性很小，水化作用甚微，僅起填料作用?？梢娝嘀写笥?0μm顆粒的含量越多，熟料的利用率就越低，水泥的性能就越差。
為了驗證不同粒度對水泥性能的影響，趙介山對某#425礦渣硅酸鹽水泥進行篩分分級，再分別測定不同粒度區段的水泥的各齡期的強度，得到表1：

序號	粒度區段（μ m）	抗折強度（MPa）			抗壓強度（MPa）
序號	粒度區段（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礦渣水泥	4.0	4.9	7.5	21.2	30.0	46.8

表1 ：不同粒徑區間水泥強度的測定結果

      由表1可見，粒徑大于70μm的水泥，3d的抗壓強度竟為0，28d抗壓強度也只有4.2MPa；粒徑在50-70μm的水泥，3d抗壓強度僅為12.6MPa，28d的抗壓強度也只有30.2MPa，為原水泥同齡期強度的64.5%；而細顆粒端的各項強度指標較原水泥有較大提高。由此可見，降低水泥中粗顆粒的含量，改善水泥的粒度分布是提高水泥性能的有效途徑。國內外某些先進的水泥廠的水泥產品中大于30μm的顆粒的含量僅為17%，有的甚至在7%以下。這種3-30μm之間顆粒含量較高，粒度分布比較集中的水泥稱為窄粒徑水泥，反之稱為寬粒徑水泥。窄粒徑水泥可以充分發揮熟料的潛能，提高熟料的利用率，從而大大提高水泥的各齡期的強度指標。目前國內水泥性能與*水平還有較大差距，原因之一就是國內水泥多為寬粒徑水泥，它們的粗顆粒含量多，粒度分布寬。這些可以從以下幾個方面得到進一步認證。

1、篩余量高
     國家水泥質量監督檢驗中心前年曾對國內近千個水泥樣品和部分國外水泥樣品進行細度對比檢測，得到的結果如下：
檢測的國外水泥0.08mm篩余量為：≤1.0%占被檢樣品的60%；
                                                      1.0% - 2.0%占30%；
                                                       2.0% - 2.4%僅占10%。
     這說明這些國外水泥的細度大多小于1%，zui多不大于2.4%。檢測的國內水泥的結果如表2：

水泥廠類別	檢品數量（個）	0.5%-5.0%	5.1%-8.0%	8.1%-10.0%	>10%
國家重點企業	509	75.4%	22.8%	1.8%	0
非國家重點企業	504	64.9%	31.1%	3.4%	0.6%

表2 中國部分水泥細度狀況（0.08mm篩余量）

通過上述檢測可以看出，即使用傳統的篩余細度檢驗方法，國內水泥的細度與國外相比也具有很大差距。
2、粒度分布寬
對近年來，國內很多水泥企業對水泥的粒度分布的測定開始重視。由于業務關系我們有機會接觸到國內眾多水泥企業。通過大量的檢測發現，3-30μm含量大都在48%-65%之間，大于30μm的含量一般在30%- 40%，有的zui大顆粒甚至超過100μm，詳見表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 幾種水泥樣品的粒度分布測定結果

從表3及其它測試可以看出，大于30μm的粗顆粒含量zui少為32.92%，zui大竟達到45.20%。所以從粒度方面講粗顆粒含量過多是影響當前水泥質量的主要矛盾。因此，準確測定并設法減少30μm以上的顆粒含量，對提高水泥性能具有現實意義。

三、水泥粒度分布的測定方法

用來進行粒度分布分析的方法很多，適用于水泥的通常有沉降法和激光法兩種。
1、沉降法：沉降法是根據不同粒徑的顆粒在液體中的沉降速度不同測量粒度分布的一種方法。它的基本過程是把樣品放到某種液體中制成一定濃度的懸浮液，懸浮液中的顆粒在重力或離心力作用下將發生沉降。不同粒徑顆粒的沉降速度是不同的，大顆粒的沉降速度較快，小顆粒的沉降速度較慢。那么顆粒的沉降速度與粒徑有怎樣的數量關系，通過什么方式反映顆粒的沉降速度呢？（1） Stokes定律：在重力場中，懸浮在液體中的顆粒受重力、浮力和粘滯阻力的作用將發生運動，其運動方程為：

這就是Stokes定律。從Stokes定律中我們看到，沉降速度與顆粒直徑的平方成正比。比如兩個粒徑比為1:10的顆粒，其沉降速度之比為1:100，就是說細顆粒的沉降速度要慢很多。為了加快細顆粒的沉降速度，縮短測量時間，現代沉降儀大都引入離心沉降方式。在離心沉降狀態下，顆粒的沉降速度與粒度的關系如下：

這就是Stokes定律在離心狀態下的表達式。由于離心轉速都在數百轉以上，離心加速度ω2r遠遠大于重力加速度g，Vc>>V，所以在粒徑相同的條件下，離心沉降的測試時間將大大縮短。

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