水泥熟料的顆粒粒徑對水泥強(qiáng)度的影響研究

王濤

（江蘇省建工建材質(zhì)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(dāng)采用不同的粉磨方式和粉磨設(shè)備生產(chǎn)時(shí)， 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(qū)間水泥的性能，并基于不同粒徑區(qū)間水泥的水化速度探討其強(qiáng)度的發(fā)展規(guī)律， 為實(shí)現(xiàn)水泥顆粒粒徑優(yōu)化提供實(shí)驗(yàn)室研究依據(jù)。

1 試驗(yàn)原材料和制備方法

本研究中選用了2 種熟料進(jìn)行對比試驗(yàn)，分別為某水泥有限公司的水泥熟料， 編號為QP；實(shí)驗(yàn)室研制的高C3S 水泥熟料，編號為QG。 其化學(xué)組成見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)用熟料的化學(xué)組成 單位：%

首先將原料用球磨機(jī)（Φ305×305 磨礦功指數(shù)球磨機(jī)，轉(zhuǎn)速70 r/min，進(jìn)料粒度3 mm）粉磨至一定細(xì)度，然后使用德國生產(chǎn)的氣流磨-超細(xì)粉分級設(shè)備（CGS 10 Fluidised Bed Jet Mill， 轉(zhuǎn)速6 000～12 000 r/min 可調(diào)，進(jìn)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(qū)間。對粉磨和分級后的樣品采用激光粒度分析儀（MASTERSIZER2000，S3500 型）進(jìn)行顆粒分布分析，以無水乙醇為分散介質(zhì)，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(jìn)行粉磨時(shí)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(yīng)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(xì)顆粒比例增大和粗顆粒比例減小的結(jié)果。 由激光粒度分布結(jié)果通過插值法可以計(jì)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(shù)，結(jié)果見表2，在同一種粉磨工藝和參數(shù)下，均勻性指數(shù)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(shù)

選取QP-S3 400 m2/kg 的樣品進(jìn)行分級， 未分級前的樣品編號為P0， 分級后各粒徑區(qū)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(shè)定的粒徑區(qū)間要求。

圖2 不同粒徑區(qū)間水泥顆粒的累積分布

3 不同粒徑區(qū)間水泥熟料的組成

樣品P1～P6 的化學(xué)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(shí)達(dá)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(qū)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(qū)間水泥熟料的化學(xué)組成 單位：%

采用鮑格法計(jì)算的熟料礦物組成列于表4，與化學(xué)組成相對應(yīng)的，C3S 在細(xì)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(jì)算得到的不同粒徑區(qū)間水泥的礦物組成 單位：%

4 不同粒徑區(qū)間水泥熟料的性能

將水泥熟料與二水石膏按照質(zhì)量比95∶5 進(jìn)行混合均勻，測試其標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量和力學(xué)強(qiáng)度。 因分級試驗(yàn)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(qiáng)度。 凈漿成型水灰比按照表5 中所示的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量，成型后試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)24 h 后脫模，然后置于20 ℃水中養(yǎng)護(hù)至設(shè)定齡期，進(jìn)行強(qiáng)度測試。 由表5 中標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量的數(shù)據(jù)可知， 隨著窄粒徑區(qū)間的水泥顆粒度越小，標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量越大，當(dāng)粒徑區(qū)間為(0，3)μm 時(shí)，其標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量可達(dá)0.46。

表5 不同粒徑區(qū)間水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量

表6 中是樣品QP-S1、QP-S2 和QP-S3 的強(qiáng)度數(shù)據(jù)，由表6 可見，隨著比表面積的增大，各齡期強(qiáng)度明顯提高。 這是因?yàn)殡S著比表面積的增加，水泥的特征粒徑減小，細(xì)顆粒增加，水化速度變快，更利于強(qiáng)度的發(fā)展。

將不同粒徑區(qū)間熟料添加5%石膏后得到的不同齡期的抗壓強(qiáng)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(qū)間的3 d 強(qiáng)度高于P0；但對比28 d 齡期以后的凈漿強(qiáng)度，P0 樣品的強(qiáng)度均高于窄粒徑樣品的強(qiáng)度，這一方面是由于細(xì)粒徑區(qū)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(qū)間的合理級配可以獲得更好的力學(xué)強(qiáng)度，充分說明了合理級配的重要性。

表7 不同粒徑區(qū)間水泥的各齡期強(qiáng)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(qū)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(qiáng)度結(jié)果可知，G3 各齡期強(qiáng)度均為最高值，這說明G3(16，32) μm 區(qū)間顆粒對水泥強(qiáng)度的貢獻(xiàn)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(jié)果表明C3S 在細(xì)顆粒中的含量遠(yuǎn)大于在粗顆粒中的，很好地解釋了細(xì)顆粒水化速度快，早期強(qiáng)度高的現(xiàn)象。

表8 樣品QG 不同粒徑區(qū)間水泥的各齡期強(qiáng)度單位：MPa

不同粒徑區(qū)間水泥的3 d 強(qiáng)度結(jié)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(qiáng)度貢獻(xiàn)很小，而(3，16)區(qū)間的水泥顆粒對3 d 強(qiáng)度貢獻(xiàn)最大。 值得注意的是，P1(0，3)區(qū)間的3 d 強(qiáng)度并不是最高，與P2(3，16)比相差了一倍。

圖3 不同粒徑區(qū)間水泥的3 d 強(qiáng)度

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

圖4 不同粒徑區(qū)間水泥的28 d 強(qiáng)度

5 討論

圖5 和6 分別為不同熟料不同粒徑區(qū)間的強(qiáng)度發(fā)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(qiáng)度除3 d 以外都是最高的，表明處于P3(16，32) μm 區(qū)間對水泥的強(qiáng)度發(fā)展貢獻(xiàn)最大。其次P2(3,16) μm 區(qū)間各齡期強(qiáng)度基本上達(dá)到了QP-S1 各齡期的強(qiáng)度。但對于熟料QP-S3，除了3 d 強(qiáng)度，未分級的QP-S3的各齡期強(qiáng)度都是最高。 由此可見，水泥的顆粒級配對強(qiáng)度的影響是顯而易見的。

圖5 QP 不同粒徑區(qū)間各齡期強(qiáng)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(qū)間各齡期強(qiáng)度（G0 為未分級前樣品）

P1(0，3) μm 區(qū)間和P2(3，16) μm 區(qū)間強(qiáng)度發(fā)展很快，在3 d 就達(dá)到了較高的強(qiáng)度，隨后的強(qiáng)度增長基本不大。 這是因?yàn)榱皆叫? 比表面積就越大, 濕潤顆粒表面所需要的水就越多，標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量越大。 如果水泥中(0，3) μm 區(qū)間顆粒的含量過多, 一方面導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量顯著增大，另一方面由于細(xì)顆粒水泥的水化過快，可供后期繼續(xù)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(qiáng)度發(fā)展不好。

P3 (16，32) μm 區(qū)間在28 d 就可以達(dá)到很高的強(qiáng)度，后期強(qiáng)度發(fā)展雖然很慢，但一直在增長，強(qiáng)度發(fā)揮穩(wěn)定。這一區(qū)間的顆粒是水泥強(qiáng)度發(fā)揮的主體，所以水泥的粒度分布應(yīng)該盡可能的向這一區(qū)間分布。 大于32 μm 的區(qū)間P4、P5 前期強(qiáng)度發(fā)展雖然很慢，但強(qiáng)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(qiáng)度發(fā)展一直很慢。 由于這一部分的顆粒粒徑太大，活性很低，對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)也很小，所以這部分的顆粒含量建議控制。

6 結(jié)語

在水泥熟料的顆粒分布中，綜合考察水泥強(qiáng)度的發(fā)展過程，水泥熟料中宜增加(3，32) μm 粒徑區(qū)間的水泥顆粒，其中(3，16) μm 區(qū)間的水泥顆粒主要保證早期強(qiáng)度， (16，32) μm 區(qū)間水泥顆粒主要提供28 d 強(qiáng)度。 應(yīng)控制水泥中(0，3) μm 粒徑區(qū)間的顆粒比例，因?yàn)?0，3) μm 區(qū)間水泥顆粒過細(xì)，易結(jié)團(tuán)且標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度的發(fā)展。 (32，64) μm 粒徑區(qū)間的顆粒有利于水泥的長齡期強(qiáng)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(qiáng)度發(fā)展非常緩慢。