水泥的细度特征及提高水泥强度的措施

摘要：通过对目前我国水泥质量与国际先进水平的比较，指出了我国水泥存在的主要差距。从粉体工程学的角度提出了提高我国水泥强度的技术措施。

关键词：水泥强度 助磨剂 椭球形研磨体 混合粉磨 分别粉磨

粉体工程学是在现代科技综合化趋势下由相关学科交叉形成的，它从不同层次上对各专业学科所涉及的粉粒体及过程的共性问题进行研究。水泥作为粉体的一种，具有粉体的一些共性。

我国是水泥生产大国，2000年的水泥产量达5.76亿t，占世界水泥总产量的1P3。作为三大建筑材料之一的水泥，不仅关系到建筑工程质量的优劣，而且关系到人民生命财产的安全。本文通过对我国水泥与国际先进水平的对比，找出目前我国水泥存在的差距，并从粉体的角度提出了解决的办法。

1我国水泥与国际先进水平的差距

1.1水泥细度偏粗、颗粒级配不合理

水泥中的细粉含量和颗粒级配不仅影响水灰比，同时影响水泥的早期强度和强度增进率。如德国水泥的4900孔筛筛余都在1%以下(一般为0)，比表面积在左右；需要粗磨的道路水泥的比表面积Z350m2Pkg。我国水泥的细度普遍较粗，细粉含量低，而且水泥的颗粒级配及水泥中各组分的颗粒级配不合理。

1.2水泥的早期强度较低

由于我国水泥的细度较粗、细粉含量低，水泥的水化过程较慢，其早期强度较低。表1、表2分别为我国及德国几种水泥的强度值。

由表1、表2可见，我国水泥的早期强度无论是绝对值还是相对值都比德国水泥低得多，我国早强型水泥的3d强度相对值至少也比德国水泥低10%~20%。

1.3水泥熟料率值不合理

水泥熟料质量是水泥质量的基础，率值是影响水泥质量的重要因素。我国除了新型干法厂以外，大多是采用高饱和比、高铁的配料方案。表3是国内外水泥生产的工艺参数对比。

2 水泥的细度特征

细度特征是粉体的重要性能，主要包括粒径、粒度分布、粉体的比表面积及粉体的颗粒形状。水泥作为粉体的一种也具有细度特征，从我国水泥与国际先进水平的对比发现，细度特征是影响我国水泥强度的重要因素之一。

2.1水泥熟料的细度

水泥颗粒大小与水化过程有着直接的关系，不同粒径的水泥的水化速度及水化程度差异很大。>65Lm的颗粒对水泥水化及强度的作用甚微，仅起到填料的作用;过细的水泥可能结团或增大水泥的需水量，在浆体硬化之前已完成水化过程，对水泥龄期强度的增长无作用。例如<1Lm的颗粒在不到1d的时间内已水化完全，因而对水泥强度的增进率几乎不起作用。况且细小颗粒大多为混合材，非常细小的颗粒对水泥石的增长也不起作用。据报道，硅酸盐水泥熟料的水化很慢，水化3d时的水化深度仅为3Lm，水化28d时的水化深度仅为8~10Lm。可见粒径<6Lm的水泥熟料3d可以水化完全，而粒径30Lm的水泥熟料28d时的水化深度为其半径的70%左右，遗留下的未水化的内核未对水泥水化发挥作用。对相同矿物组成的水泥，其活性及强度随着水泥颗粒尺寸的变小和比表面积的增大而提高，尤其是对早期强度的影响更为显著。因此，提高水泥的比表面积、增加水泥中的细粉含量，是提高水泥强度尤其是早期强度的有效途径之一。从国内外水泥的应用情况分析，水泥的比表面积控制在为宜。

2.2 水泥的颗粒级配

水泥是由大小不等的颗粒组成的混合粉体，从颗粒级配上来讲趋于窄粒级。3~30Lm的颗粒是水泥的主要活性成分，对水泥强度的增进率起主导作用。例如比表面积或筛余相同的水泥，采用同一台窑煅烧的熟料，由于粉磨后的颗粒级配不同，水泥水化速度的差别很大，水泥成品的质量也不尽相同。表4是P#S425水泥中不同粒级的水泥颗粒对强度的贡献。

在水泥粉磨过程中，不能完全消除>30Lm的颗粒，但应消除>60Lm的颗粒，同时又必然会产生<3Lm的颗粒。有关文献提出的水泥最佳颗粒级配为:普通硅酸盐水泥中3~30Lm颗粒应达到40%~50%；高强快硬硅酸盐水泥中3~30Lm颗粒应达到50%~60%；超高强快硬硅酸盐水泥中3~30Lm颗粒应达到70%以上。总体上来讲，3~30Lm的颗粒含量应>65%，其中10~20Lm的颗粒对水泥性能尤为重要，其含量愈高愈好；>65Lm的颗粒活性很低，最好没有；<3Lm的细颗粒因比表面积大，使需水量增加，最好Z10%。

2.3水泥的颗粒形状

水泥的颗粒形状影响水泥的比表面积，因而会影响水泥强度检验时的成型需水量，需水量过大则使水泥强度下降。在粉体工程学中，将面积等于颗粒投影面积的圆的直径与颗粒投影图最小外接圆的直径的比值称为球形度。球形度不同的水泥颗粒在水化过程中的变化是不同的。若水泥中长条形、圆柱形颗粒多，则水泥颗粒之间的相互连生、搭接有助于早期强度的提高;但这也使颗粒之间的摩擦系数大，要达到一定的流动度的需水量就大，使后期强度及后期强度增进率较球形度高的水泥颗粒低。球形度高的水泥颗粒的比表面积小，这不仅使形成一定厚度的水膜所需的水量少，而且能减少颗粒间的相互摩擦，产生能够提高流动度的滚珠效应。不同球形度水泥的性能对比见表5。

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3 提高我国水泥强度的主要措施

细度特征是影响水泥强度的重要因素。粒度分布处于3~30Lm、比表面积为并且球形度高的水泥最理想。从粉体的角度来分析，提高水泥强度主要可采取以下措施。

3.1采用助磨剂

采用助磨剂可以改善水泥熟料、混合材等物料的易磨性，提高磨机的粉磨效率，从而可提高水泥产品的比表面积和细度，因而可以提高水泥的强度。

粉体的流动性直接影响到研磨介质的运动状态和粉碎作用的发挥，添加助磨剂是改善粉体流动性、提高粉磨效率的重要措施。助磨剂的作用机理是:助磨剂随物料加入磨内后，助磨剂分子在新生表面的吸附可以减小裂纹扩展所需的外应力，促进裂纹扩展;在裂纹扩展的过程中，助磨剂沿颗粒表面吸附扩散使其表面能降低;随着裂纹的形成和不断扩展，助磨剂分子进一步进入裂纹内表面产生/劈契作用0，阻止裂纹愈合，加快粉磨过程的进行。与此同时，助磨剂的加入改善了颗粒的表面特性，使物料表面产生选择性吸附和电性中和，消除了静电效应，减小了微细颗粒聚集的能力和机会，使粉体的流动性得到提高，减少了磨内粘球和糊衬板的现象，提高了磨机的粉磨效率。

3.2 采用椭球形研磨体

钢球是水泥行业最常用的研磨体，它对物料主要有冲击和研磨两个作用，可通过调整级配从而改变钢球在磨机中的运动状态来实现上述作用。对于同体积、同材质、不同形状的球体来讲，圆形球的表面积最小，所以，在研磨体重量相同的前提下，采用椭圆球可获得较大的表面积，对提高球的研磨能力有利。实践证明，椭圆球综合了圆球、钢棒胶囊球、钢锻的优点，对改善水泥颗粒级配、提高水泥实物质量及提高磨机的台时产量、降低电耗，具有圆球所不可比拟的优势。主要表现在以下几点提高了研磨能力，从而可提高水泥的细度。由于椭圆球之间是弧线接触而非圆球之间的点接触，球与球之间压迫物料的概率增大。与相同直径的圆球相比，椭圆球的质量增加70%以上，使冲击力增强，而且椭圆球提升的高度比圆球高，提高了破碎能力;椭圆球的有效面积比圆球增加20%~30%，使研磨体与物料的接触面积增大，从而提高了研磨能力，使成品的比表面积提高，改善了成品的质量。另外，由于研磨体之间的空隙减少，对噪声也有很好的抑制作用。

具有/筛分0作用，可使水泥颗粒的级配更为合理。从几何学角度分析，由于椭圆球之间的弧线接触，各点曲率均不相同，球与球之间接触面的夹角均不同，因而对物料具有选择性粉磨和筛分作用，产品粒度均匀，减少了过粉磨现象，使物料的颗粒级配更趋合理。

减少静电作用，起到助磨剂的作用。由于椭圆球的几何尺寸的特殊性，在研磨物料时静电集中于两端，能减轻微粉的吸附，使椭圆球的抗静电、抗潮湿的能力远大于圆球，大大减少了包球及饱磨的可能，提高了物料的易磨性。

3.3 混合粉磨与分别粉磨

对不同窑型的水泥熟料共同粉磨或采取水泥熟料与矿渣等分别粉磨的办法，可以提高物料的易磨性，从而提高水泥的细度。对共同粉磨不同窑型熟料的水泥的研究表明，用回转窑熟料和立窑熟料混合粉磨制得的水泥，其性能上具有一定的互补性。混合粉磨不仅改善了水泥的易磨性，而且可使泌水性得到明显改善，水泥强度特别是3d抗压强度和抗折强度提高。这主要是因为两种熟料的微观结构不同，水化时的矿物晶体具有匹配性和互补性。但水泥熟料与矿渣等混合粉磨时，由于两者易磨性的差异，导致矿渣的颗粒较粗，其水硬活性难以发挥，只能起到微集料的作用。若采取分别粉磨的办法可使矿渣等混合材的胶凝活性得到较充分的发挥，从而提高水泥的强度。

4 结语

我国通用水泥标准的修订是水泥行业与国际接轨的第一步，这对我国水泥行业来说既是机遇又是挑战。我们要把握向新经济时代定位转型的机遇，运用前瞻的理念，逐步实现传统水泥企业向环保补偿型绿色企业、可持续发展型企业的战略转型。

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