水泥熟料的顆粒粒徑對水泥強度的影響研究

王濤

（江蘇省建工建材質量檢測中心有限公司，江蘇 南京 210009）

0 引言

在影響水泥性能的主要因素中， 顆粒特性是影響因素之一， 已有的研究表明水泥的粒度分布對其性能有著顯著的影響，即使相同的原料，當采用不同的粉磨方式和粉磨設備生產時， 由于顆粒特性不同，水泥的性能就有差異。

文章著重研究不同粒徑區間水泥的性能，并基于不同粒徑區間水泥的水化速度探討其強度的發展規律， 為實現水泥顆粒粒徑優化提供實驗室研究依據。

1 試驗原材料和制備方法

本研究中選用了2 種熟料進行對比試驗，分別為某水泥有限公司的水泥熟料， 編號為QP；實驗室研制的高C3S 水泥熟料，編號為QG。 其化學組成見表1。

表1 實驗用熟料的化學組成 單位：%

首先將原料用球磨機（Φ305×305 磨礦功指數球磨機，轉速70 r/min，進料粒度3 mm）粉磨至一定細度，然后使用德國生產的氣流磨-超細粉分級設備（CGS 10 Fluidised Bed Jet Mill， 轉速6 000～12 000 r/min 可調，進料粒度3～80 μm）將原料分為（0，3）μm、（3，16）μm、(16，32) μm、(32，45) μm、(45，64) μm 和(64，80) μm六個粒徑區間。對粉磨和分級后的樣品采用激光粒度分析儀（MASTERSIZER2000，S3500 型）進行顆粒分布分析，以無水乙醇為分散介質，測試前使用超聲波分散20～30 min。

2 分級前后熟料的粒徑分布及特性

水泥熟料QP 進行粉磨時控制其比表面積分別為QP-S1 320 m2/kg、QP-S2 360 m2/kg 和QP-S3 400 m2/kg，其相應的粒度分布如圖1 所示。 由圖1可知，隨著熟料比表面積的增大，粒度分布曲線向右偏移， 表明比表面積增大是細顆粒比例增大和粗顆粒比例減小的結果。 由激光粒度分布結果通過插值法可以計算得到不同比表面積熟料的特征粒徑De，并可擬合出RRB 線性方程及得出均勻性指數，結果見表2，在同一種粉磨工藝和參數下，均勻性指數變化不大，均在1 左右，特征粒徑De 隨比表面積的增大而減小。

圖1 不同比表面積熟料的頻率分布

表2 不同比表面積熟料粒度分布的特征參數

選取QP-S3 400 m2/kg 的樣品進行分級， 未分級前的樣品編號為P0， 分級后各粒徑區間的編號分別為P1(0，3) μm、P2(3，16) μm、P3(16，32) μm、P4(32，45) μm、P5(45，64) μm 和P6(64，80) μm，各樣品的粒度分布曲線如圖2 所示，圖中曲線表明分級所得樣品的粒徑滿足所設定的粒徑區間要求。

圖2 不同粒徑區間水泥顆粒的累積分布

3 不同粒徑區間水泥熟料的組成

樣品P1～P6 的化學組成見表3，由表3 可以看出，SiO2的含量隨著粒徑增大而增加，由P1 樣品中的19.38%增大至P6 樣品中的21.26%， 但CaO 含量的變化是先隨粒徑增大而增大，在P3 樣品時達到最大，為65.84%，然后隨著粒徑增大而降低，P5和P6 樣品中的CaO 含量相近。Al2O3、Fe2O3和MgO含量在粗粒徑區間分布較多，燒失量隨著粒徑的減小明顯增加。

表3 不同粒徑區間水泥熟料的化學組成 單位：%

采用鮑格法計算的熟料礦物組成列于表4，與化學組成相對應的，C3S 在細顆粒中分布較多，而C2S 在粗顆粒中分布較多，中間相的含量隨粒徑減小而增加。

表4 鮑格法計算得到的不同粒徑區間水泥的礦物組成 單位：%

4 不同粒徑區間水泥熟料的性能

將水泥熟料與二水石膏按照質量比95∶5 進行混合均勻，測試其標準稠度需水量和力學強度。 因分級試驗中得到的物料量少， 研究中均采用20 mm×20 mm×20 mm 試模凈漿成型并測試各齡期強度。 凈漿成型水灰比按照表5 中所示的標準稠度需水量，成型后試件在標準養護箱中養護24 h 后脫模，然后置于20 ℃水中養護至設定齡期，進行強度測試。 由表5 中標準稠度需水量的數據可知， 隨著窄粒徑區間的水泥顆粒度越小，標準稠度需水量越大，當粒徑區間為(0，3)μm 時，其標準稠度用水量可達0.46。

表5 不同粒徑區間水泥的標準稠度用水量

表6 中是樣品QP-S1、QP-S2 和QP-S3 的強度數據，由表6 可見，隨著比表面積的增大，各齡期強度明顯提高。 這是因為隨著比表面積的增加，水泥的特征粒徑減小，細顆粒增加，水化速度變快，更利于強度的發展。

將不同粒徑區間熟料添加5%石膏后得到的不同齡期的抗壓強度見表7， 表中樣品P0 即樣品QP-S3， 其比表面積為400 m2/kg。 表7 顯示，P2(3，16)區間的3 d 強度高于P0；但對比28 d 齡期以后的凈漿強度，P0 樣品的強度均高于窄粒徑樣品的強度，這一方面是由于細粒徑區間熟料的成型用水量大所致，另一方面也間接說明了不同粒徑區間的合理級配可以獲得更好的力學強度，充分說明了合理級配的重要性。

表7 不同粒徑區間水泥的各齡期強度單位：MPa

為了對比， 將高C3S 水泥熟料QG 也按G1（0，3） μm、G2 （3，16） μm、G3 （16，32） μm、G4（32，45） μm、G5（45，64） μm 和G6（64，80） μm 六個粒徑區間分級，未分級的樣品記為G0（比表面積為360 m2/kg）。成型水灰比G1 為0.67、G2 為0.38，其余均為0.28。由表8 中的強度結果可知，G3 各齡期強度均為最高值，這說明G3(16，32) μm 區間顆粒對水泥強度的貢獻最大。在水泥熟料的礦物組成中C3S 的水化速率很快，C2S 的水化速率較慢，約為C3S 的1/20 左右。 表4 中的結果表明C3S 在細顆粒中的含量遠大于在粗顆粒中的，很好地解釋了細顆粒水化速度快，早期強度高的現象。

表8 樣品QG 不同粒徑區間水泥的各齡期強度單位：MPa

不同粒徑區間水泥的3 d 強度結果見圖3，由圖3 可以看出，32 μm 以上的水泥顆粒對水泥早期強度貢獻很小，而(3，16)區間的水泥顆粒對3 d 強度貢獻最大。 值得注意的是，P1(0，3)區間的3 d 強度并不是最高，與P2(3，16)比相差了一倍。

圖3 不同粒徑區間水泥的3 d 強度

各粒徑區間水泥的28 d 強度見圖4， 由圖4可知， 對水泥28 d 強度貢獻最大的粒徑區間是(16，32) μm， 而(0，3) μm 粒徑區間的顆粒對28 d強度的貢獻小于對3 d 強度的。 粒徑大于45 μm 的顆粒在28 d 時對強度的貢獻較小， 所以若以28 d強度來評價水泥的強度性能，就要求水泥的粒度分布盡可能的向(16，32) μm 區間靠近。

圖4 不同粒徑區間水泥的28 d 強度

5 討論

圖5 和6 分別為不同熟料不同粒徑區間的強度發展曲線， 對比圖5 和6 可以看到， 對于熟料QPS3，其分級得到的P3(16，32)μm 樣品的各齡期強度除3 d 以外都是最高的，表明處于P3(16，32) μm 區間對水泥的強度發展貢獻最大。其次P2(3,16) μm 區間各齡期強度基本上達到了QP-S1 各齡期的強度。但對于熟料QP-S3，除了3 d 強度，未分級的QP-S3的各齡期強度都是最高。 由此可見，水泥的顆粒級配對強度的影響是顯而易見的。

圖5 QP 不同粒徑區間各齡期強度(QP-S1 和QP-S3分別為未分級前不同比表面積的樣品)

圖6 QG 不同粒徑區間各齡期強度（G0 為未分級前樣品）

P1(0，3) μm 區間和P2(3，16) μm 區間強度發展很快，在3 d 就達到了較高的強度，隨后的強度增長基本不大。 這是因為粒徑越小, 比表面積就越大, 濕潤顆粒表面所需要的水就越多，標準稠度需水量越大。 如果水泥中(0，3) μm 區間顆粒的含量過多, 一方面導致標準稠度需水量顯著增大，另一方面由于細顆粒水泥的水化過快，可供后期繼續水化的水泥顆粒就少， 因此硬化水泥漿體孔隙率增加，后期強度發展不好。

P3 (16，32) μm 區間在28 d 就可以達到很高的強度，后期強度發展雖然很慢，但一直在增長，強度發揮穩定。這一區間的顆粒是水泥強度發揮的主體，所以水泥的粒度分布應該盡可能的向這一區間分布。 大于32 μm 的區間P4、P5 前期強度發展雖然很慢，但強度一直在增長。在180 d 以后，趕上甚至超過了未分級前樣品，所以這一部分對水泥的耐久性非常有利。

大于64 μm 的P6 在全齡期強度發展一直很慢。 由于這一部分的顆粒粒徑太大，活性很低，對強度的貢獻也很小，所以這部分的顆粒含量建議控制。

6 結語

在水泥熟料的顆粒分布中，綜合考察水泥強度的發展過程，水泥熟料中宜增加(3，32) μm 粒徑區間的水泥顆粒，其中(3，16) μm 區間的水泥顆粒主要保證早期強度， (16，32) μm 區間水泥顆粒主要提供28 d 強度。 應控制水泥中(0，3) μm 粒徑區間的顆粒比例，因為(0，3) μm 區間水泥顆粒過細，易結團且標準稠度需水量大，如果含量太多，由于水化過快和水泥漿體的孔隙率大，不利于水泥強度的發展。 (32，64) μm 粒徑區間的顆粒有利于水泥的長齡期強度，在水泥的顆粒分布中宜保留一定的比例， 而粒徑大于64 μm 的水泥熟料顆粒的比例宜得到限制，這部分水泥顆粒的強度發展非常緩慢。