（材料学专业论文）水泥净浆结粒机理研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着水泥生产和消费的快速增长，水泥质量已经成为越来越受到关注的问题。 水泥水化时出现的净浆结粒现象虽然存在已久，但是很长时间来都没有受到应有 的重视，一直都没有足够的研究来解释净浆结粒的形成机理，因此没有提出有效 的办法来解决结粒现象的发生，让水泥使用者和厂家蒙受损失。更莺要的是发生 净浆结粒的水泥虽然会影响用户的使用，但按照国家标准检验各项指标却合格。 所以研究水泥净浆结粒的形成机理具有一定的理论研究价值，对完善我国水泥检 测标准具有现实意义。 由水筛法得到启示，提出了一套水泥净浆结粒的检测方法。通过研究水泥称 量、水化温度、水泥细度、水灰比、石膏掺量和水化时间对结粒量的影响，探讨 了该检测方法的可行性。再计算结粒量的标准偏差，结果表明：该净浆结粒检测 方法可靠性高，检测结果具有很好的稳定性和重现性；同时对于不同条件的变化， 能够充分反映水泥净浆结粒的变化规律，是研究净浆结粒的有效方法。 本文通过对影响水泥净浆结粒的外部因素进行分析，发现水泥净浆结粒量随 着水化温度的升高而增大，随着湿度升高而减少。它们的影响程度不一样。当结 粒程度增大时，水泥倾向于生成颗粒体积更大的结粒。从水化现象来看，在外部 因素作用下水泥水化越剧烈，结粒量更大，说明结粒跟水化速率有定关系。 本文通过在内部影响因素作用下结粒量的研究，发现净浆结粒量随着石膏掺 量的增加而减小，随着水泥细度增大而增大的。根据对上述各影响因素作用规律 和不同水泥成分的分析，认为内部因素的熟料各矿物成分中c 3 a 起主导作用，其 它矿物成分与c 3 a 相比对水泥净浆结粒的贡献不大。通过研究烧制不同c 3 a 含量 的熟料结粒量发现，随着c 3 a 含量增加，水泥净浆结粒量增加，结粒倾向于体积 更大。而且c 3 a 对水泥结粒程度的影响强度要比所有其它因素强得多。 本文通过用x r d 、s e m 对水化产物的研究，提出了净浆结粒的形成机理是： q a 的快速水化，其水化产物形成了一个半渗透膜，产生包裹，包住未水化的水 泥颗粒群，形成大颗粒。由于半渗透膜可透水，却不能让水泥颗粒通过，大颗粒 水泥可部分水化，但却形成浓度不同的两个相，即产生了净浆结粒。c 3 a 的含量 越多、水化速率越大的时候，其水化中包裹模型形成越快，包裹层越厚，结粒量 武汉理t 大学硕士学位论文 越多。能加快q a 水化的环境因素，就能触发净浆结粒更大量的形成，这就是外 部因素的作用原理。当c a 含量降至一水平时，或者外部因素影响不强烈时，可 以不发生水泥净浆结粒。据此在生产中控制熟料中的c 3 a 的含量，就能有效的防 止结粒水泥的生产；也可以控制使用条件，避免水泥在使用中出现结粒现象。 关键词：水筛法，净浆结粒，结粒量，结粒机理，半透膜层 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec e m e n tp r o d u c t i o na n dc o n s u m p t i o n ，m o r em 1 c n l i o u h a sb e e np a i dt ot h ec e m e n tq u a l i t y t h ep r o b l e mo fc e m e n tp a s t ea g g l o m e r a t i o n ( c p a ) d u r i n gt h ec e m e n th y d r a t i o nw a sf o u n dal o n gt i m ea g o b u ti t h a sb e e nn o tt h o t j i g h t h i 曲l yo ff r o mt h e no n t h er e s e a r c h o fc p aw a sn o te n o u g hm a d et o e x p l a i ni t s m e c h a n i s ma n dn og o o dm e t h o dw a sp r o p o s e dt os o l v et h ep r o b l e m s ot h eu s e r sa n d p r o d u c e r sh a dt og e tm u c hl o s s t h em o r ei m p o r t a n ti s t h a tt h ec e m e n tw i t hc p ai s p a s s e d t h ec e m e n tn a t i o n a ls t a n d a r d st h o u g hi ta f f e c t st h ep r o p e r t i e sd u r i n gi t su s i n g s o t h er e s e a r c hi nt h i s p a p e rm i g h tb ev a l u a b l e f o rs o m ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n si nt h e n a t i o n a ls t a n d a r d sa n df o rt h ed e v e l o p m e n to ft h e o r y s t e m m i n g f r o mt h ew a t e rs i e v ea n a l y s i sm e t h o d at e s tm e t h o do fc p aw a sp r o p o s e d e 彘c t so fc e m e n tq u a n t i t y , h y d r a t i o nt e m p e r a t u r e ，c e m e n tf i n e n e s s , w a t e rc e m e n tr a t i o ， g y p s u ma d d i t i o n ，a n dh y d r a t i o n t i m eo nt h ep a r t i c l ew e t g h tf e w ) o fc p a w e r es t u d i e d t h e f e a s i b i l i t yo ft h i st e s tm e t h o d w a sd i s c u s s e d t 1 1 es t a n d a r dd e v i a t i o nr e s u l t so fp w s h o wt h a tt h e r e l i a b i l i t y , s t a b i l i t y a n d f i d e l i t y o ft h et e s tm e t h o da r e 9 0 0 d t h e r e g u l a r i o no fc p a i nd i f f e r e n tc o n d i t i o n sc a nb er e v e a l e db yt h et e s tm e t h o d i ti st h e e f f e c t i v em e t h o do ft h es t u d yo fc p a i nt h i sp a p e r , s o m ee x t e r i o rf a c t o r so fc p a w e r ea n a l y z e d i tw a ss h o w nt h a tp w i n c r e a s e sa l o n gw i t ht h eg r o w t ho fh y d r a t i o nt e m p e r a t u r e ，b u tw i t ht h ed e c r e a s eo f e n v i r o n m e n th u m i d i t y t h e s ef a c t o r sh a v ed i f f e r e n t i n f l u e n c ea b i l i t yt oc p a l a r g e r p a r t i c l e sw i l lb e b u i l ti fp w g r o w s 0 n t b eo t h e rh a n d ，t h e q u i c k e r t h eh y d r a t i o ns p e e d i s ， t h em o r ep wi s n i sp o i n ts h o w st h a tc n i sc o n n e c t e dw i t hc e m e n th y d r a t i o ns p e e d a f t e rp wu n d e rt h ed i f f e r e n te x t e r i o rf a c t o r sw a ss t u d i e d ，i tw a ss h o w nt h a tp w i n c r e a s e sa l o n gw i t ht h eg r o w t ho fc e m e n tf i n e n e s s ，b u tw i t ht h ed e c r e a s eo fg y p s u m a d d i t i o n a ua b o v ef a c t o r sa n dc e m e n ti n g r e d i e n t sw e r ea n a l y z e d ，a n di tw a s r e v e a l e d t h a tc 3 ai st h ep r i m a r yo ft h ei n t e r i o rf a c l o ro fc p a ，c o m p a r e d w i t ht h eo t h e rc e m e n t m i n e r a l s i no r d e rt os t u d yt h ec 3 ai n f l u e n c er a t e ，s e v e r a lc 3 a c o n t e n tc l i n k e r sw e r e p r o d u c e d t h e r e s u l ts h o w st h a tp w i sh i g h e ra n dp a r t i c l e sa r el a r g e ri fc 3 a c o n t e n ti n c l i n k e ri sm o r e a n dc 弧i n f l u e n c ea b i l i t yi ss t r o n g e rt h a n a l lt h eo t h e rf a c t o r s i nt h i sp a p e r , h y d r a t i o np r o d u c t sw e r e d i s c u s s e db ym e a n so fx r da n ds e m a b o v ea l l ， t h em e c h a n i s mo fc p ai st h a tc 3 ah y d r a t e sm o r eq u i c k l y i nt h ec e m e n th y d r a t i o n i l l 武汉理工大学硕士学位论文 s y s t e m i t sh y d r a t i o np r o d u c tb e c o m e s a s e m i p e r m e a b l em e m b r a n ec o a t i n g ( s m c ) w h i c hc a n e n v e l o p c e m e n t p a r t i c l e s a n d p r e v e n t t h e mt o h y d r a t i n g t h a t i st h e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo f l a r g ep a r t i c l e so f c p a c e m e n ti nt h e b i gp a r t i c l e sc a r lh y d r a t e p a r t l yb e c a u s ew a t e rc a ng ot h r o u 曲s m c b u tc e m e n tp a r t i c l e sc a nn o t t w op h a s e sa r e f o r m e db yr e a s o n so fd i f f e r e n c ec o n c e n t r a t i o ni nt h eh y d r a t i o ns y s t e m i nt h ee n dc p a a p p e a r s e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h eh i g hc o n t e n to fc 3 a i s ，t h el a r g e rp wi s 1 1 1 ec a u s e j sc e m e n th y d r a t i o nw i l lb ea c e e l c r a t e d ta n ds m cw i l lb ef o r m e dr a p i d l yb e c o m em o r e t l l i c ki nt h ec e m e n tw i t hm o r ec 3 a a n yf a c t o r sw h i c hr e s u l ti na c c e l e r a t i n gc e m e n t h y d r a t i o nc a ni n d u c em o r ep w , w h i c h i st h em e c h a n i s mo ft h ee x t e r i o rf a c t o r s s oc p a w o u l db ea v o i d e dw h e nt h ec o n t e n to fc 3 ai sd e c r e a s e do ri n f l u e n c ea b i l i t yo ft h e e x t e r i o rf a c l o t si sf e e b l e h e r e b y , t h ep r o d u c t i o no fc e m e n tw i t hc p a w i l lb ed e c e a s e d a sl o n ga st h ec o n t e n to fc 3 ai sd e c r e a s e d a n dc p aw i l lb ec o n t r o l l e da sl o n ga st h e u s eo ft h ec e m e n tw i t hc p ai sc o n t r o l l e d k e yw o r d s ：w a t e rs i e v em e t h o d ，c p a ，p w ：t h e m e c h a n i s mo fc p a ，s m c 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究的目的和意义 1 1 1 净浆结粒的定义 所谓“净浆结粒”，就是水泥加水水化后如果不搅拌，在很短时间内，水泥 水化产物并不是完全形成浆体，而是在水泥净浆中出现有许多直径为o 5 3 毫 米左右的小颗粒，严重时水泥水化后看不到水泥浆体，而成为豆沙状。但是若 按照国家标准水化方法，边加水边搅拌，则不会出现结粒现象，水泥可正常凝 结。将出现“净浆结粒”现象的水泥用现行水泥国家标准进行检验，其各项物 理性能指标居然全部合格。 之所以称为“净浆结粒”，是因为该反常现象只出现在水泥净浆的情况下， 也就是说对于掺入了沙、石块或者其他骨料等而形成的水泥拌和水时，不会发 生这种结粒的情况。而且对于水泥灰进行研究发现，产生净浆结粒的水泥在使 用前其粒度特征在正常范围内，没有结团和结块的现象，所以可以肯定的说这 种结粒是发生在水泥水化的过程中，跟水泥水化过程中的各种条件有一定的联 系。 1 1 2 课题的提出 改革开放以来，随着我国国民经济建设的快速发展，水泥工业经过“六五”、 “七五”、“八五”、“九五”4 个五年计划也得到了前所未有的大发展，为国民经 济快速、持续、健康的发展做出了贡献。我国水泥工业从1 9 7 8 年至1 9 8 5 年水 泥产量6 5 0 0 万吨发展到1 4 5 亿吨，7 年增长约8 0 0 0 万吨，平均年增长1 1 4 0 万 吨；从1 9 8 5 年到1 9 9 0 年水泥产量由1 ，4 5 亿吨到2 1 亿吨，五年增长6 5 0 0 万吨， 平均年增长1 3 0 0 万吨；从1 9 9 0 年到1 9 9 5 年水泥产量由2 1 亿吨发展到4 7 亿 吨，5 年增长了2 6 亿吨，平均年增长5 0 0 0 多万吨；从1 9 9 5 年到2 0 0 0 年水泥 产量由4 7 亿吨到2 0 世纪末达5 8 亿吨，5 年增长了1 亿吨，平均年增长2 0 0 0 第1 页共7 7 页 武汉理工大学硕士学位论文 万吨。 从总体上看，我国水泥工业和企业的发展形势良好，前景喜人，中国水泥 工业正在以较快的速度向世界先进水平迈进。近2 0 年来，我国水泥产量一直保 持世界之冠；生产水泥的先进技术新型干法窑外分解技术及其装备制造技 术和管理水平已经比较成熟；结构调整取得明显成效，企业收购、兼并、资产 重组已成为潮流，大企业集团不断涌现；行业经济效益得到明显改善【”。 中国水泥行业有着自己的特点，纵然有着很高的产量，但是这巨大的产量 的大部分却是由无数的小立窑分别完成的，质量和性能难以保i 正 2 l 。在水泥使用 过程中，许多原来没有发现的问题层出不穷，特别在使用性能上经常会出现意 想不到而且又难咀解决的问题，给生产使用带来了巨大的损失，也使在生产质 量不合格的水泥中消耗的能源白白浪费，给社会造成了无形的损失。 正因为在使用过程中时常发现硅酸盐水泥存在水泥净浆拌水后出现许多小 结粒的异常现象，直接导致水泥粘性变差、使用性能的大大降低，无法贴墙砖 等，造成不必要的损失，于是提出了水泥净浆结粒的问题。其实在本课题之前， 对于水泥使用中产生净浆结粒的现象， 虽然有人做出过解释1 3 】，但是其研究仅 仅局限于生产上的现象分析，而且也只 是宏观的探讨了影响结粒的原因及其 解决方法，最重要的是到目前为止，还 没有一个重复性好，可定量检测的研究 水泥净浆结粒的方法，因此问题的根本 还没有解决，生产中还是会出现净浆结 粒的问题。如图1 - 1 是分离出来的净浆 图卜1 水泥净浆结粒外观 结粒外观形貌。 正是基于水泥生产和消费量的激增，同时水泥净浆结粒一直是困扰着水泥 生产企业和水泥使用者的难题，其潜在威胁将越来越大，所以提出了本课题。 1 1 3 课题的引申水泥质量检测标准的问题 从水泥净浆结粒的定义可以看出，发生“结粒”的水泥是通过了水泥生产 企业严格的按照国家检测标准进行质量检测才出厂的，因此，笔者有理由认为 第2 页共7 7 页 武汉理工大学硕士学位论文 现行国家标准在对水泥质量的检测上存在疏漏，至少缺乏对水泥净浆结粒的判 断手段。不能全面保证水泥的质量。 从另外一个方面来说，根据目前的资料显示，发达国家水泥企业还未见有 类似的报道，而只有我国水泥厂却经常出现。而对于产生净浆结粒的水泥，根 据国家各项检测标准，其质量都已达到国家标准各项理化指标，在排除生产工 艺设备等因素外，也只能说明我国在对水泥产品的检测标准上还存在不足之处。 如何正确看待现有的水泥行业的国家标准。虽然水泥的出现将近有2 0 0 年 的历史，我国生产水泥也有几乎1 2 0 年，但是因为水泥还有许多不被人所知的 领域，水泥标准自从其出现就一直在发展着，随着生产要求标准的更新替代非 常频繁，而且各国水泥标准又不统一，有自己标准的国家有接近一百个。因此 面对前人的经验终结，对于现有的国家标准我们必须实事求是的提出一些修改 建议，以发展的眼光来看待水泥行业的国家标准。 所以对该课题进行深入的分析后，可以从课题的理论分析层面提出对国家 标准不足之处的修改建议。该课题对于完善国家标准具有重大的社会效益。 1 1 4 课题的意义 许多年来，我国水泥供应一直十分紧张，促使许多水泥厂单纯重视追求产 量，对经济效益、技术进步和环保重视不够1 4 j 。这几年由于水泥产量的高速增长， 从总量上看水泥产量与社会需求基本持平，但是水泥行业的发展潜力还是很巨 大的。水泥工业在我国发展到了2 0 0 5 年，数量矛盾已不是主要矛盾，主要矛盾 已经转化为结构性的矛盾，特别是技术结构的矛盾影响最大。国家对于水泥行 业发展豹政策也已经非常明确：以改革和技术进步为动力，以经济效益为目标。 深化结构调整；充分合理的利用资源，最大限度的降低能源消耗，减少污染物 排放，满足与社会协调发展的生态要求，推动水泥行业实现可持续发展l ，j 。 因为出现净浆结粒现象的水泥多是立窑生产技术生产的，而我国水泥工业 的7 5 的产品是由以立窑生产技术为主的小型水泥生产线所生产的，这一问题 的提出更是需要我们加大力度进行水泥工业的结构调整，从技术层面上来分析 问题的发生原因和解决办法，切实的改进生产工艺和检测方法，所以说解决该 问题对于提高我国水泥产品的整体质量具有重大的现实意义。 应该看到，产量提高的背后是严重的质量隐患，对于像水泥净浆结粒这类 第3 页共7 7 页 武汉理工大学硕士学位论文 水泥质量问题一天不解决，损失的数据就会一天天的攀升。如果使用者在使用 过程中遇到了净浆结粒的问题，一方面会造成其工程的缺陷，甚至是失败；另 一方面，在生产这批存在质量“问题”的水泥过程中，水泥生产者消耗了大量 的能源和资源，这些对于我国还是一个资源贫乏的国家来讲是一个巨大浪费， 所以研究该课题是具有一定的环境效益的。 净浆结粒问题的关键不仅仅是因为结粒水泥造成的当前损失，更主要的是 因为该问题的产生原因不确定性，其出现机会也具有不确定性。我们还没有办 法在生产中控制不出现水泥的净浆结粒，现行国家标准的检测无法控制问题在 生产阶段就被遏制，造成具有净浆结粒的水泥在专业检测人员的眼皮底下台格 出厂，使企业产品质量降低，影响了企业在市场上的声誉，给用户带来了不必 要的损失。对于该课题的研究不仅具有经济效益，减少生产的损失，而且也如 前所述的对于完善国家标准也具有重大的社会效益。 当前，世界水泥工业的中心课题仍是能源、资源和环境保护等。我们一定 要依靠技术进步来加速发展水泥工业，要在现有的技术基础上，因地制宜的采 用先进技术，减少能耗，提高质量，降低成本，改善环境，增加产量，不断提 高经济效益。同时要更好的总是理论建设，加强基础研究和应用基础研究。从 而形成一个具有中国特色的现代化水泥工业体系，以低能耗、高质量的水泥， 通过经济合理的流通渠道，保证工农业建设、国防建设和人民生活的需要。对 此，我们这一代人负有重大的历史责任，我们必须奋发学习，努力工作，积极 推动技术进步，才能为加速实现水泥工业和水泥科学技术的现代化作出更大的 贡献。综上所述，对于水泥净浆结粒机理分析及其解决方法的研究，具有明显 的环境效益、经济效益和社会效益，是一项非常有意义的项目。 1 2 研究现状 水泥净浆结粒现象的发生不确定、，频率不高。净浆结粒是发生在水泥水化 的过程中，对于它的研究就要从水泥水化理论上进行根本的阐述才能使问题得 到最终的解决。由于水泥是多矿物的聚集体，与水的相互作用比较复杂吼水泥 水化的微观理论和模型还没有统一的认识p i ，导致在这个方面的研究无从下手， 因此长期以来都没有人对这个问题给予应有的重视，这方面的研究一直是处于 宏观观察现象的程度，更不用说建立一种切实有效的研究方法和途径进行研究 第4 夏共7 7 页 武汉理工大学硕士学位论文 了。 下面就主要对已经有的报道【3 l 的研究手段及其研究内容和目前对于水化理 论的研究进展进行简要介绍： 1 2 1 现有的取粒方法 对于研究水泥净浆结粒来说，必然需要从两个方面下手：一个是水泥水化 后的净浆，另外一个是在净浆中的结粒。而后者则是其中研究的重点，所以只 有从水泥水化后的净浆中取出结粒才能针对结粒产生的原因进行分析。 总结现有取出结粒的方法为：取水泥放置于室温恒温，取出一部分放入事 先盛有水的铝桶内，先不搅拌，至加入适量再均匀搅拌成净浆，就可以看到水 泥净浆中有许多小颗粒。将浆体放入方孔筛内，用水分取其颗粒。取出颗粒一 部分在红外线烘干筛内烘干，就得到结粒，再对结粒进行化学分析。 根据现有的研究成果，取粒的过程只是从水化后的水泥浆体中进行取样分 析，还不能进行定量的分析水泥净浆结粒的程度。而对结粒程度的描述仅仅是 用“结粒严重”或者“结粒轻微”来描述。对于这种“粗糙”的文字描述，根 本无法具体反映水泥净浆结粒的多少，如果存在两种结粒都很多或者都很少的 比较接近的情况，则无法判断。因此需要一种能够定量分析结粒程度的方法， 即是一种将水泥浆体中存在的结粒全部取出的方法。 应该注意到，在现有取粒方法对浆体和结粒进行分离的过程中，使用的是 类似于水筛法的方法。利用水冲洗水化后的浆体，同时用筛子进行分取的方法 也是将在本课题中用到的取粒方法，不过本课题对其中每一步骤都有严格的操 作规范。 1 2 2 现有研究成果 从李荣建【3 】的研究中可以看出，水泥的净浆结粒与很多因素存在密切关系。 1 2 2 1 矿物成分的影响 最直接的因素就是水泥的矿物成分对水泥结粒的影响。从水泥矿物成分来 看，都是在正常的生产工艺指标控制范围内。但是据报道，有部分厂家发现用 第5 页共7 7 页 武汉理工大学硕士学位论文 含铝较低的原料可以大大减少净浆结粒的产生的可能性。所以，水泥矿物成分 中a 1 2 0 3 含量的搭配不合理将会影响水泥结粒。具体如何影响和影响程度还没有 相关的研究。 1 2 2 2 水泥细度的影响 其次就是对结粒水泥粒度特征的研究。发现采用不同的粉磨系统产生的普 通水泥，其结粒程度不同，开路系统优于闭路系统，而以小球段作研磨体的小 磨情况最好。也就是说，不同的粉磨系统因其产品颗粒特征不同，即使控制的 细度都相同，但结粒情况仍有不同的表现。普通水泥粉磨时间越长，细度越细， 细粒( 小于3 0 u m ) 量越多，颗粒外形呈圆形或椭圆形，表面越光滑，颗粒分布 越均匀，则对改善净浆结粒现象越有利。 1 2 2 3 环境因素 最后就是对水泥使用环境因素的研究。实验表明了： 普通水泥本身温度对结粒特性有明显的影响，温度越高，结粒情况越重， 结粒数量不仅多而且粒径较大，当温度降到一定程度后，结粒现象可以消失。 如果把结粒水泥分别放在湿度为9 0 的试块养护箱和干燥的样品封存室中 存放2 4 h 后，进行拌水实验对比，发现高湿度下存放的普通水泥结粒大大减少 且粒径小。充分说明，适当提高普通水泥存放环境的湿度，可以减轻结粒现象。 1 3 研究内容、方法和目标 1 3 1 研究内容 鉴于目前水泥净浆结粒的研究现状，本论文的研究内容确定以下几个方面： 1 、确定简单可行的取粒方法 研究出一种水泥净浆结粒的定量检测方法，以便对结粒机理进行更深入的 分析研究。作为本实验的基础研究，在取粒方法的研究中，需要对方法的每一 步都要进行严格的控制，如水化的水泥称量、水灰比、水化时间、水泥存放温 度湿度、水泥粒度特征，特别是在水化和取粒中的环境条件和操作时间。还有 就是根据结粒的定义，确定所用的筛孔大小。最后是统一结粒干燥的方法。需 第6 页共7 7 页 武汉理工大学硕士学位论文 要重点分析的是所研究的检测方法必须能够较好地检测水泥的净浆结粒情况。 检测结果可靠，具有很好的稳定性和可靠性，而且重现性较好 2 、分析宏观影响因素 通过理论分析影响净浆结粒的潜在影响因素，从中间选取具有研究价值和 可行的项目进行研究。对水泥称量、水灰比、水泥细度、水化时间、水化温度、 石膏掺量等逐个进行分析，找出其对水泥净浆结粒的影响趋势，分析各个因素 对水泥净浆结粒的影响程度。同时需要对各因素进行重现性研究，以验证取粒 方法的可靠。 3 、分析水泥成分的影响 成分影响可能就是净浆结粒的根本原因，对水泥水化前和水化后结粒的成 分分析非常重要。通过控制水泥中的成分，特别是铝的含量，分析成分对结粒 的影响。主要工作是先通过对前期实验结果的理论分析和具有净浆结粒的水泥 成分和原料的测试结果，确定需要控制的成分参数( 如生料率值或者矿物成分 含量) 和原料用量，利用回归计算公式得出原料的配比，磨制生料，烧成熟料。 利用统一的检测方法对烧制出的水泥进行净浆结粒的检测，进而对比分析结果。 同时需要对水化后结粒的成分进行矿物成分分析和微观测试。 4 、建立简单模型和结粒理论以解释净浆结粒现象 从上述所得出各个因素( 主要是水泥成分) 对净浆结粒程度的影响方式后， 建立合适的结粒模型，从现有的水泥水化理论入手，对结粒机理进行科学的分 析，通过实验结果来证实模型的正确性。这一过程中，主要需要解决的问题是： 结粒水泥是如何水化的，水化过程中结粒是在哪个阶段形成的，结粒是通过何 种方式形成并存在的，什么时候达到结粒形成的最大值，结粒一旦形成是如何 保持的。 7 5 、探讨实际生产中的解决方案 实验室的研究成果是不是就能够正确反映水泥厂生产中的实际情况，能不 能解决实际水泥产品的净浆结粒问题，这是本课题的最终目的，在论文的最后 需要对本研究成果在生产中的实效性进行研究。需要提出合适的解决方法来避 免在水泥生产中出现的净浆结粒现象，另外有必要提出对国家检测标准的修改 意见。 第7 页共7 7 页 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 2 研究方法和目标 本着就地取材的原则，利用本实验室现有的仪器设备和学校已有的测试技 术，实施实验方案和微观测试。 1 、通过水泥标准测试方法对结粒水泥的性能进行测试。用水泥标准稠度仪 测定其标准稠度和凝结时间等性能指标，用激光粒度仪对水泥的比表面积和粒 度分布进行分析，同时还需要对抗折强度和抗压强度以及水泥的安定性进行分 析。主要是为了证明结粒水泥通过标准测试方法测试符合国家标准，但是又产 生结粒，说明国家标准无法解释净浆结粒的问题，国家标准在这个问题上有 定的疏漏，同时说明该课题具有研究价值。 2 、用水筛法对水化后的浆体进行取粒研究。先提出各种设想方案，再通过 多次实验找出其中较好的方案。用水洗过筛的方法取出结粒，为了让各组之间 有可比性，需要取出结粒的方案具有很好的重现性和操作的标准性，其中需要 大量的实验寻找最佳的水灰比、石膏掺量和水化方式等等。为后面研究净浆结 粒的机理研究提供统一可靠的取粒方法。 3 、用坩埚盛取所得的结粒，放在高温炉中煅烧。可以定量水泥的结粒量和 结粒的烧失量，分析各种情况下水泥结粒程度的大小，从而揭示该条件对净浆 结粒影响的规律。 4 、用高温炉模拟工厂烧成制度，烧制不同配比的熟料，通过不同矿物含量 的水泥的净浆结粒程度的不同可以反映出其对结粒的影响程度，再将对应值作 出图表，从而直观表达成分影响因素。 5 、微观测试。将用上面的方法取出的结粒进行成分分析，并采用x r d 和 s e m 等微观测试手段，通过对结粒和结粒水泥的研究，分析其成分以及结粒水 化状态，为建立净浆结粒模型和理论提供依据。 6 、利用以上研究成果提出水泥水化净浆结粒模型，从表观现象深入到微观 机理，剖析结粒的形成过程。最后提出有效的解决途径来消除生产中水泥净浆 结粒的产生。 第8 页共7 7 页 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章研究净浆结粒的检测方法 2 1 检测方法简介 2 1 1 水筛法细度检验及标准简介 水筛法是在干筛法的基础上发展起来的，都是用来检测水泥细度的方法， 国家标准中都称为筛析法。水泥细度筛析法是国际上通行的、最简便的水泥细 度监控方法，也是水泥生产中最频繁使用的日常检测手段【8 j 【。 我国水泥筛析试验方法经过5 0 年发展已形成了手工干筛法、水筛法和负压 筛析法3 种方法。现行的国家检测标准是1 9 9 1 年修订的g b1 3 4 5 - 9 1 水泥细度 检验方法( 8 0 弘m 筛筛析法) ，适用于硅酸盐水泥、普通水泥、矿渣水泥等多种 指定采用本标准的水泥。其基本原理是用各种方法对水泥试样进行筛析试验， 用筛网上所得的筛余物的质量占试样原始质量的百分数来表示水泥样品的细 度。 水筛法的主要方法就是利用水泥颗粒在短时间内未完全水化基础上，通过 水的冲力将细度小于筛径的水泥颗粒冲出筛孔，从而将大于筛径的颗粒留在筛 中。一般都是用自来水，在水管的末端安装喷头，控制水压为0 0 5 _ + 0 0 2 m p a ， 连续冲洗3 m i n 后取出筛余颗粒烘干。 水泥试样筛余进分数按下式计算： f ：生1 0 0 w 公式( 2 1 ) 式中：f 二一水泥试样的筛余百分数，； r r 水泥筛余物的质量，岛 w 一水泥试样的质量，g ； 结果计算至0 1 g b1 3 4 5 9 1 已实施十多年了，随着我国水泥工业的发展，国家标准化管理 委员会以 2 0 0 2 1 4 1 号文件将g b1 3 4 5 9 1 标准的修订列入2 0 0 2 2 0 0 3 年度科研计 第9 页共7 7 页 武汉理工大学硕士学位论文 划，并委托原标准起草单位中国建筑材料科学研究院进行修订。 目前，国际上最新的筛析细度测定方法标准主要有i s o d i s1 0 7 4 9 2 0 0 2 、 b se n1 9 6 6 ：2 0 0 0 及a s t mc 7 8 6 - 9 6 等，其中a s t mc 7 8 6 9 6 方法是用水筛法测 定水泥及生料细度的试验方法，见表2 - 1 。从表中可以看出，g b1 3 4 5 9 1 修订报 批稿中的水筛法在主要内容上和国际上通行的方法是一致的。 表2 - 1a s t m 和g b 两种水泥细度筛析方法比较 筛孔边长筛子修正系 标准号标准名称筛析方法称样量 ( f l m ) 数范围 a s t m 3 0 q u m 、1 5 0 “m 和 水筛，控制压力 1 5 0 2 5 9 ，精确至 7 瓤m 筛测定水泥及 o 0 1 9 筛析2 5 次后 c 7 8 6 - 9 6( 6 9 4 ) k p a用标样校正 生料细度试验方法 l o g ，精确至 7 5 o 0 1 9 2 5 9 ，精确至 g b 玎1 3 4 5 水泥细度检验方法8 0 0 0 1 9 o 。8 0 1 。2 0 ， 2 0 0 4 年报批机械水筛筛析1 0 0 次后 稿水筛部分 1 0 9 ，精确至 用标样校正 筛析水筛法 4 5 0 o l g 通过对水筛法国家标准和国际标准方法的分析，对本课题中的取粒方法有 很大的借鉴作用。本论文后面即将介绍的取粒方法中的许多内容，都是按照标 准方法中的规定类比而来，更重要的是水筛法取粒的基本原理也是利用了水筛 法检测细度的原理，最后进行评判结粒程度的量也是和水筛法中的水泥试样筛 余进分数计算方法一样，通过进一步的试验分析，母可以证明这一“类比”是 有效的。 2 1 2 水筛法取粒的背景分析 由于水泥净浆结粒是在水泥水化初期产生，水泥浆还具有很大的流动性或 者塑性，所以用水筛法来分取水泥净浆中的结粒是最简便的方法之一。其实水 筛取粒的方法在原来很多地方都有广泛的应用。 长期以来，在生产实践中用水筛法测定粘土的含砂量已成为公认的经典方 法，因为水筛法具有快速、简便的优点【1 0 1 。另外，还有许多研究都是用水筛法 第1 0 页共7 7 页 武汉理工大学硕士学位论文 进行粘性土颗粒的分析【1 1 】。在粘土的研究中用水筛法就是利用粘土加水后形成 具有塑性的浆体态，能够用水的冲力冲去较小的颗粒，筛析出较大的颗粒，完 成一定的检测。 通常在集料研究方面，也常常用到水筛取粒的方法来分析集料。例如沥青 路面集料筛分可以用干筛法，也可以采用水筛法。水筛法就是在洗去o 0 7 5 m m 一下的细集料后，再对剩余部分进行筛分。通过研究采用干筛方法，0 0 7 5 m m 以下的通过率偏小；而采用水筛法，其结果则相对较高，有时这种差异会达到 2 3 ，甚至更高【“j 。 采用我国公路规范规定的细集料筛分法与美国材料实验协会( a s t m ) 制订 的细集料水筛法进行实验比较，并按裹覆理论对两种不同实验结果分别计算， 最后得出对细集料采用水筛法将有利于消除假象，为沥青混合料组成设计提供 可靠的依据。我国现行方法是采用砂石材料筛析法，无论粗细集料均采用于筛 法，而美国材料实验协会标准a s t m 对细集料的级配分析方法作了不同的规定 1 1 3 】，粗集料采用干筛法，与我国砂石筛析规范方法相同，对于小于4 7 5 r a m 的细 集料采用水筛法。 由此可见，要想精确的控制沥青混合料的配比，确保路面材料的质量，最 好采用水筛方法。说明水筛法在特定条件下的使用当中往往具有比其他各种方 法更好的效果。 不管是用于研究粘土，还是进行集料的分析，水筛取粒的方法都是按照水 筛测细度的原理进行。通过筛分的方法能够更直接的分析出物料中具有一定粒 径特征的颗粒的含量，同时能够按照特定粒径实现颗粒的分取。而用比表面仪 和激光粒度仪等测试手段则不能够将颗粒分开，因此说水筛取粒的方法不仅是 一种检测颗粒细度的测试手段，也是一种将颗粒按粳径分开的物理方法。 2 1 3 应用水筛法需要注意的问题 ， 水筛方法本身具有精确的一面，但在实际操作过程中，水中筛分涉及的问 题很多，为了确保实验精度，需要严格控制实验操作，这是一个值得探讨的问 题。对于水筛法中有些需要注意的问题，通过一系列实验总结如下： 1 、检验自来水的纯度，是否有颗粒存在，是否影响筛分效果，如有影响则 采取相应措施进行处理，直到符合相应筛分孔径的筛分用水需要； 第1 1 页共7 7 页 武汉理工大学硕士学位论文 2 、必须使用国家认可的标准检验筛，使用前应检查筛面是否破损及堵塞等 情况，如果有的话就需要换用同型号的其它筛子，如果有堵塞也可以用稀酸液 进行清洗，再用清水冲洗； 3 、筛析过程中不得丢失颗粒，如果有颗粒的损失应该找出原因，立即重傲： 4 、筛析的结果是以筛下的溶液是否和自来水一样清澈，冲下筛子的自来水 中不得再有结粒存在为标准，由此表明筛面上已不再有颗粒被筛下； 5 、筛面上结粒的收集：将筛析结束后的筛子，用少量的自来水进行正反冲 洗，直至筛面上基本无颗粒，将冲下的结粒放入坩埚中，倒去上部清液。再将 坩埚在干燥箱中烘干。一定时间后，放入干燥器中，冷却至室温，取出迅速称 量，精确到0 o l g 。 2 2 具体取粒方案设计 本实验方案是由水泥细度检验标准方法的水筛法得出启示，从前文的论述 可以看出在理论上水筛取粒法是完全可行的。只要能够严格控制水泥水化和水 筛时的各项参数指标，制定一套严谨的取粒方案，就可以形成一套切实可行的 水泥净浆结粒检测方法。通过大量的实验分析，可以将取粒方案的详细步骤设 计及每一步骤的解释如下： 2 2 1 准备 为了确保水泥水化行为的一致性，待测水泥都用开口约为1 5 e r a 的不锈钢平 底小碗作为水化容器。显而易见，如果水泥的堆积情况不同，例如同样的水泥 堆积得很厚和堆积得薄薄的一层，水化方式肯定不同，那么净浆结粒程度也不 会一样。因此，在设计实验方案的时候考虑到这一点，将每次水化都用同一个 水化容器。同时为了避免每次水化后都要清洗小碗，可以在碗面上隔上一层塑 料薄膜，保持薄膜紧贴碗内壁。 2 2 2 振样 用水化小碗称取定量( 一般是1 0 0 o g ) 待测水泥，置于一定温度下恒温 第1 2 页共7 7 页 武汉理工大学硕士学位论文 用药匙细细“翻炒”水泥，压碎可能有的水泥结块或者结粒，并抚平水泥。然 后上下轻轻振动3 0 s 使水泥在水化容器中表面平坦，并且使水泥颗粒接触紧密， 排除水泥内部的空洞。通过实验证明，经过振实的水泥能够产生更多的结粒， 而且只要每次都采取相同振动的方式和振实时间，产生的结粒的量会保持一定 的稳定性。这一点也是论证水泥净浆结粒的论据，本论文后面将进一步阐述。 2 2 3 水化 用量筒量取定量一定水温的自来水，均匀倾入容器内，要保证水泥样品表 面都接触到水，并在此时开始计时。观察水化现象，在整个过程都不能搅拌， 以免破坏刚形成的结粒。 2 2 4 静停 静停的过程类似于水泥试块的养护，需要保持一定的温度和静停时间，如 果需要更高的静停温度就必须将加水后的水化浆体放置在恒温箱中静停。通过 实验可以知道，通常在水泥加水3 m i n 后，水泥结粒量达到最大，所以静停的目 的是让水慢慢渗透到水泥体系中，等待水泥结粒的程度达到最大，充分提取水 泥的结粒，从而真实反映水泥试样的结粒程度。这一点也会在后面进行详细分 析的。 2 2 5 取粒 静停完成后，立即将所有水泥浆体小心倾倒在事先洗净的细孔方孔筛内( 本 实验中用到孔径0 6 m m 和0 3 m m 两种) ，再放入盛水容器中，用水压 0 0 5 _ 2 0 0 2 m p a 的水冲洗水泥浆体，待筛下流出的水呈现清澈后，说明浆体完全 冲洗干净，筛中筛余的颗粒即为结粒。用洗瓶和药匙将所有颗粒收集到l o o m l 坩埚内，最后把坩埚放进干燥箱烘干。该步骤整个过程必须在l o m i n 之内完成， 如果由于操作不当或者不熟练，导致此步骤耗时过长，将会使结粒由于水冲过 度而有所损失，造成偏差，应该重做，直至符合步骤规范。同时需要避免的是， 在收集结粒时一定要防止结粒损失或者被压碎，如果结粒较多，可以在收集完 第1 3 页共7 7 页 武汉理工大学硕士学位论文 结粒后倒入少量无水乙醇，终止结粒水化，再放入干燥箱内干燥。 2 2 6 称粒 把干燥后的坩埚取出，冷却，称量，减去原来空坩埚的重量，即可得到结 粒的重量。为了便于比较，我们