水泥颗粒与水泥混凝土性能

1、水泥颗粒与水泥混凝土性能二O一五年五月一、水泥一、水泥性能的影响因素性能的影响因素二、二、水泥颗粒水泥颗粒的优化的优化三、三、石膏及石膏及混合材的优化混合材的优化四、结四、结 语语 随着现代混凝土技术的发展, 用户对水泥的性能要求不断提高, 在具有足够高的强度基础上, 同时要有良好的工作性和与外加剂的适应性。水泥的这些性能都与水泥的颗粒(颗粒大小、分布、形状)有很大关系；在比表面积相同的条件下, 水泥的颗粒分布越窄, 水泥的需水量越大,与外加剂的适应性越差, 水泥的颗粒分布越宽, 水泥的需水量就越小, 与外加剂的适应性也会变好。水泥颗粒水泥颗粒堆积空隙率堆积空隙率标准稠度水化热凝结时间胶砂强度

2、外加剂相容性胶砂干燥胶砂干燥收缩收缩粉磨电耗粉磨电耗目前, 在水泥粉磨领域里,普通圈流磨仍然占据很大的比例。近年来, 随着高效选粉机技术的发展, 选粉机的分离精度越来越高, 为了追求更高的产量, 磨机一般都是在高循环负荷下运行, 出磨细度偏粗, 水泥的颗粒分布越来越窄, 水泥的需水量偏大, 工作性变差。随着人们对水泥颗粒分布对水泥性能影响认识的提高, 从调节和控制水泥的颗粒分布入手, 解决水泥的工作性不好所产生的问题, 逐渐成为水泥生产中的重要一环。我国水泥企业生产的水泥需水量普遍较高, 水泥的工作性不好成为影响水泥质量的主要方面。 如何在水泥粉磨中对水泥颗粒分布、形状进行调节和控制, 从而降

3、低水泥的需水量。工程中将水泥、砂、石子和水按一定比例搅拌均匀，得到符合施工要求的新拌混凝土后，才能进行混凝土的浇筑施工作业。在这一过程中，整个需水量：包括水泥水化水、表面层水（用以湿润水泥颗粒表面形成足够水膜）、吸附水（水泥中疏松多孔组分吸收的水分）和填充水（填满水泥颗粒的间隙），其中水化水与粉磨工艺无关。一、水泥一、水泥性能的影响因素性能的影响因素（1）矿物组成的影响）矿物组成的影响。水泥水化水量的多少主要取决于熟料矿物组成，而与粉磨工艺（球磨终粉磨或是辊压机终粉磨）无关。因熟料的矿物组成不同，水化过程和水化产物就不同，因此水泥的标准稠度需水量也就不同。熟料主要四种矿物（C3S，C2S，C3

4、A，C4AF）水化后的产物主要有水化硅酸钙（C-S-H）定形凝胶，氢氧化钙（CH）层状结构的六方晶，钙铝矾（AFt）棒状多面体，水化单硫铝酸盐即六方板状（AFm）和水榴石（C3AS3-C3AH6）固溶体； 各单矿物水化需水量大小排序为C3AC3SC4AFC2S，即C3A需水量最大，C2S需水量最少。（2）水泥表面层的影响）水泥表面层的影响表面层水的大小主要取决于水泥的比表面积大小。一般比表面积增加，需水量增加当比表面积300400m2/kg时，若水泥粉体的均匀性系数n和熟料反应活性等因素都不变，比表面积每增加100m2/kg，水泥标准稠度需水量要增加1.6%。粉体空隙率增加和形成水膜的物理因素

5、，导致水泥需水量增加0.8%；熟料反应面积增加所引起的化学因素，导致水泥需水量增加0.8%。（3）混合材影响）混合材影响矿渣：矿渣：掺入030%矿渣，水泥需水量为25%不变；煤矸石：煤矸石：掺入030%煤矸石，水泥需水量增加到27%；粉煤灰：粉煤灰：掺030%的一般的粉煤灰，水泥需水量略有增加，约为25.6%。但若加入的煤粉灰颗粒疏松多孔时，水泥需水量可高达34%；相反加入煤粉灰，球状多，颗粒分散，均匀密实，则水泥需水量将小于25%。石灰石石灰石：增加石灰石混合材，水泥标准稠度需水量下降。石灰石掺量从0增加到30%时，标准稠度需水量由25.0%下降到23.6%。因为石灰石比熟料易磨，与熟料一起

6、粉磨后粒度更细，且石灰石是惰性的，不与水起化学反应，因此水泥中的细石灰石粉能填充于熟料颗粒之间，从而减少空隙用水所致。（4）减水剂的影响）减水剂的影响减水剂的使用，在保持和易性不变的情况下，能减少混凝土拌合用水量；在保持相同加水量的情况下，可以大大改善和提高混凝土的和易性。水泥体系的颗粒分布复杂,实验表明绝大多数水泥体系颗粒分布服从RRB方程:R (x) 筛余质量分数( 以小数表示);x 分布特征粒径( 相当于筛余为36.79%时的粒径) ;n:分布指数，也称均匀性系数（5）水泥颗粒的影响）水泥颗粒的影响 x和n是体系的分布参数,n值越大,体系分布愈集中,反之愈分散;x值则反映了体系绝大多数颗

7、粒的尺寸。分布指数n和特征粒径x的数值唯一地决定了体系的分布性态,凡可用RRB分布方程描述的颗粒体系,分布的差异就在于n和x的不同。堆积密度与堆积密度与n值的关系值的关系斜率较大颗粒分布与均匀性系数、堆积密度、水泥标准稠度的关系颗粒分布与均匀性系数、堆积密度、水泥标准稠度的关系一般水泥中粒径分布越窄，堆积空隙率就一般水泥中粒径分布越窄，堆积空隙率就越大，标准稠度用水量也越大。越大，标准稠度用水量也越大。水泥颗粒形貌越好，圆度系数越高，与水水泥颗粒形貌越好，圆度系数越高，与水接触面积越小，标准稠度用水量越少。接触面积越小，标准稠度用水量越少。辊压机终粉磨系统粉磨的水泥，其粒度分布窄，且颗粒形貌的

8、圆形度小，刚好与球磨终粉磨水泥的相反，因此辊压机终粉磨系统粉磨水泥的标准稠密度需水量很大。颗粒分布对水泥胶砂强度的影响颗粒分布对水泥胶砂强度的影响Sb=450m2/kg时S28=0.219(%3-32m) +40.17S28=22.22n+33.54Sb=400m2/kg时S28=0.145(%3-32m) +41.70S28=15.75n+36.37Sb=350m2/kg时S28=0.128(%3-32m) +40.60S28=12.25n+37.40Sb=300m2/kg时S28=0.133(%3-32m) +38.32S28=11.23n+35.62S.T.sivills对某II型水泥的

9、研究表明：胶砂28d强度与颗粒组成及n值关系为：上述结果的原因如下：（1） C3A、石膏与混合材易磨性较好，在32um的细颗粒中含量较多； 增加比表面积可增加C3S、C2S在332um颗粒中的含量，故提高比表面积，强度系数增大。 需注意：混合材易磨性好，掺量多时，要发挥熟料的作用，比表面积要合理控高些；注：比表面积过大，水泥需水量大注：比表面积过大，水泥需水量大。当比表面积360m2/kg以上时，n值增大， 332um含量增多，28d胶砂强度越高；比表面积350m2/kg以下时，n越大，332um含量减少，28d胶砂强度降低 。 这里描述的主要是熟料颗粒，若掺混合材较多，易磨性差异较大时，该规

10、律会变化。颗粒分布对水泥与外加剂相容性的影响颗粒分布对水泥与外加剂相容性的影响a）对饱和点的影响成本b）对流出时间的影响c）对经时损失的影响（1）分别对比13，46，随n值增大，饱和点掺量增大，饱和点Marsh时间延长；（2）对比1与4，比表面积增大，饱和点掺量增大（开路开路）。（3）对比3与6，比表面积增大，饱和点掺量增大，Marsh时间变化明显（闭路闭路）。由此可见：水泥颗粒集中，n值增大，比表面积增大，对水泥与外加剂相容性的不利影响十分显著，这将直接影响水泥的使用价值及高标号混凝土的配制。0204060801000.000.050.100.150.200.25收 缩 率 （）龄 期 （d

11、） 1 3 4 6n值越大，干缩率越大比表面积增大，干缩率增大。由此可见：n值对干缩性能的影响比比表面积的大a）对胶砂干缩的影响）对胶砂干缩的影响b）对混凝土保水性的影响）对混凝土保水性的影响 同等比表面积条件下，颗粒集中，同等比表面积条件下，颗粒集中，n值大，保水性差，易造成混凝土表值大，保水性差，易造成混凝土表面的水灰比增大，沉降收缩与干燥收缩增大，开裂几率增多。面的水灰比增大，沉降收缩与干燥收缩增大，开裂几率增多。 颗粒分布对混凝土干缩性能的影响颗粒分布对混凝土干缩性能的影响颗粒分布对混凝土耐磨性的影响颗粒分布对混凝土耐磨性的影响a）对胶砂耐磨性的影响）对胶砂耐磨性的影响注：颗粒分布数据

12、为沉降天平法测得。由此可见：水灰比越低，水泥颗粒继配对耐磨性的影响越大。原因：原因：C-1小孔多，大孔少，20nm以上的孔影响较大；即使C-2的水化率较高也弥补不了孔隙率大的缺陷b）对混凝土耐磨性的影响）对混凝土耐磨性的影响混凝土中水泥砂浆的耐磨度混凝土中水泥砂浆的耐磨度分析：从结果看出ZK的碳化曲线大致上在ZB碳化曲线下方，因此可以认为颗粒分布较宽的水泥配制的混凝土抗碳化性能好于颗粒分布较窄的水泥配制的混凝土。闭路磨开路磨颗粒组成对混凝土抗碳化性能的影响颗粒组成对混凝土抗碳化性能的影响 （1）同一比表面积的同品种水泥，颗粒分布越窄，其堆积空隙率越大，标准稠度越大，凝结时间越长，1d水化热越小

13、。水泥颗粒分布越宽，1、3d胶砂强度越高。 （2）同一比表面积的同品种水泥，颗粒分布越窄，其Marsh曲线的饱和点越大，对应的Marsh时间越长；水泥颗粒分布较宽时，随比表面积增大饱和点增大，对应的Marsh时间变化不大；水泥颗粒分布较窄时，随比表面积增大饱和点增大，对应的Marsh时间显著延长。 （3）颗粒分布对砂浆干缩率有显著影响，同一比表面积颗粒分布越窄，砂浆干缩率越大，随比表面积增大砂浆干缩率增大。 （4）水泥的颗粒分布较宽，砂浆及混凝土表面致密性越好，其耐磨性能越好。 总的来说，颗粒分布较宽，堆积密度较大时，总的来说，颗粒分布较宽，堆积密度较大时，颗粒形颗粒形状球形度越好，状球形度越

14、好，水泥的综合性能较好。水泥颗粒的均匀性水泥的综合性能较好。水泥颗粒的均匀性系数系数n1。二二、水泥颗粒的优化、水泥颗粒的优化a）从最紧密堆积（构件结构致密性）角度出发，颗粒组成靠拢Fuller曲线（65）即S.T级配最有利于熟料强度的发挥；C）从系统效率出发，产量高，电耗低，投资少，维护方便。（立磨系统） 从三种理念出发设计的粉磨系统从三种理念出发设计的粉磨系统理想状态：三方面均可最大限度地得到满足。但事实上因这些因素均存理想状态：三方面均可最大限度地得到满足。但事实上因这些因素均存在着关联，不可能完全统一，取决于我们在建造粉磨系统时侧重考虑哪个在着关联，不可能完全统一，取决于我们在建造粉磨

15、系统时侧重考虑哪个因素或如何更合理地处理好这三者的关系。因素或如何更合理地处理好这三者的关系。颗粒颗粒大小、大小、分布与水泥粉磨系统及能耗的关系分布与水泥粉磨系统及能耗的关系注：颗粒分布数据为马尔文激光粒度检测仪所测得表表1.不同大型粉磨系统磨制的不同大型粉磨系统磨制的PO42.5R水泥的检测结果，比表面积水泥的检测结果，比表面积36010m2/kg劣势：出磨水泥温度比较高，虽然利用磨内洒水可以适当降温，但喷雾效果与喷水量较难控制，储存时间较长时易引起水泥强度倒缩与结库现象。若助磨剂掺量增大，上述指标还可向闭路系统接近。总体感受在开路系统更易控制较理想的颗粒组成。12345-3-2-1012

16、B3 H1 FB3 H1 Flnln(100/Rx)lnx开路系统的技术进步足以显著改变水泥的颗粒组成开路系统的技术进步足以显著改变水泥的颗粒组成混凝土中微细集料的作用及要求混凝土中微细集料的作用及要求 无论采用哪种粉磨系统磨制水泥，其颗粒组成均与混凝土要求最紧密堆积的颗粒组成（Fuller级配）相差甚远。以接近Fuller级配要求，即从细颗粒的致密性作用角度出发： 开流磨辊压机开流磨闭路磨辊压机闭路磨 使用助磨剂虽可以起到提产、节能的效果，但助磨剂的过量加入会使水泥颗粒更加集中，n值增大，堆积孔隙率增大，对混凝土结构不利。 在混凝土中需要使用“微细集料”，其原理之一就是增加粉料中10um以下

17、的颗粒，使粉料级配更接近Fuller级配，从而达到减水、致密化的目的“微细集料效应”。微细集料：微细集料：颗粒组成颗粒组成要求10um以下的颗粒（尤其是3um以下的颗粒）要比水泥多23倍以上（3um以下颗粒希望达到3040以上）；作用作用填充水泥颗粒间的空隙，降低孔隙率，提高混凝土的密实性。这里也说明一个道理：无论水泥颗粒组成如何，只要有相应的掺合料及其配套技术，均可改善水泥的颗粒组成，配制出好的混凝土。这就是分别粉磨和掺合料校正工艺的基本原理。目前中国混凝土行业尚未到此阶段！尚依赖于水泥的原有级配。a) 掺A2后的Marsh时间曲线01020304050607000.20.40.60.811

18、.21.4AP-1F掺量（）5min Marsh时间(s)1（0.4498）115A2（0.4417）3（0.4761）315%A2（0.4414）e) 掺粉煤灰1后的Marsh时间曲线040801201600.40.60.811.21.41.6AP-1F掺量（）5min Marsh时间（s）10(0.4681)10#+25%粉煤灰1(0.4916)12#(0.4798)12#+25%粉煤灰1(0.4965)11*33*101210*12*粗掺合料：粗掺合料：堆积空隙率增大，饱和点掺堆积空隙率增大，饱和点掺量增大，饱和点量增大，饱和点Marsh时间延长时间延长细掺合料：细掺合料：堆积空隙率减小

19、，饱和点掺堆积空隙率减小，饱和点掺量下降，饱和点量下降，饱和点Marsh时间缩短时间缩短掺合料的校正作用掺合料的校正作用生产中实现水泥颗粒分布优化的技术措施：生产中实现水泥颗粒分布优化的技术措施： a）粉磨工艺流程 开流开流磨：追求的是35um以下的颗粒含量较小，颗粒分布较宽，堆积密度较大的颗粒组成。经多家企业生产实践证明，磨内筛分的高细磨（采用微球、微锻作为研磨仓的研磨体）效果较好。 闭路闭路磨：颗粒分布较窄，堆积密度较小。在一般闭路磨系统上，可在一定程度上通过选粉效率与循环负荷的调整来调整颗粒分布；也可通过调整粉磨物料易磨性差异来调整颗粒分布。 生产中实现水泥颗粒分布优化的技术措施生产中实现水泥颗粒分布优化的技术措施 b) 比表面积控制：42.5等级的水泥控制360380m2/kg c) 细度：0.08mm0.08mm筛余筛余1 12 2，0.045mm0.045mm筛余筛余10101414。相同比表面积条件下， 0.045mm筛余过小，颗粒分布越集中，水泥早期强度低，28天强度高，标准稠度大，流动性差，与外加剂相容性差，凝结时间长，干燥收缩大；0.045mm筛余过大，颗粒分布分散，28天强度较低