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、水泥性能的影响因素一、水泥性能的影响因素 二、水泥颗粒的优化二、水泥颗粒的优化 三、石膏及混合材的优化三、石膏及混合材的优化 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

2、准稠度 水化热 凝结时间 胶砂强度 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

3、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、水泥性能的影响因素一、水泥性能的影响因素 （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

4、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，C3A，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C3AC3S C4AFC2S，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

5、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，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

6、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.

7、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 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

8、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) +40.17 S28=22.22n+33.54 Sb=400m2/kg时 S28=0.145(%3-32m) +41.70 S28=15.75n+36.37 Sb=350m2/k

9、g时 S28=0.128(%3-32m) +40.60 S28=12.25n+37.40 Sb=300m2/kg时 S28=0.133(%3-32m) +38.32 S28=11.23n+35.62 Sb (m2/kg) 强度系数与（强度系数与（3- 32m) 含量关系含量关系 强度系数强度系数 与与n关系关系 4500.21922.22 4000.14515.75 3500.12812.25 3000.13311.23 S.T.sivills对 某II型水泥的 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8011.0

10、07.40 60-802.922.53 50-602.222.02 40-503.203.06 30-405.015.08 53052.7863.06 522.8616.84 注：数据为沉降天平检测所得 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。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M

11、arsh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，颗粒形总的来说，颗粒分布较宽，堆积密度较大时，颗粒形 状球形度越好，水泥的综合性能较好。水泥颗粒的均匀性状球形度越好，水泥的综合性能较好。水泥颗粒的均匀性 系数系数n1。 二、水泥颗粒的优化二、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F

12、uller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

13、关系 粉磨 系统 颗粒组成um（） n值值 标稠标稠 （ ） 电耗电耗 （度（度/吨吨 ） 出磨水泥温 度 评价 45 开路磨/康比丹 磨 1561.8810.0113.11 0.93 24.20 38 很高，（磨 内喷水 120） 与Fuller级配 最接近，砼 性能优越 辊压机开路磨13.8462.0412.6112.51 1.03 24.80 32 高（130 ） 配制混凝土 性能较好 辊压机开路磨 助磨剂 1362.3212.1312.55 1.07 25.00 30 高（120 130） 辊压机闭路磨 （高效选粉） 13.3262.6411.1312.91 1.05 25.50 28

14、30 90100 辊压机闭路磨 （人为降低选粉 效率后） 11.1467.0311.909.93 1.17 27.20 30 32 90100配制混凝土 性能较差 立磨26.5 30 2428 90100电耗低，配 制砼性能差 Fuller级配22.5035.4942.01 0.62 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 传统开 路磨 辊压机 开路 磨内技 术改造 辊压机 开路磨 助磨剂 评价 电耗 （度/吨 水泥） 383230电耗接近 闭路磨 n值

15、0.90 0.93 0.92 0.96 0.99 1.05 不断提高， 接近闭路 磨 标稠 （） 25.5性能变差 3 32um含 量（） 586 2 606464与闭路磨 接近 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 -1 0 1 2 B3 H1 F B3 H1 F lnln(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

16、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 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

17、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 0 10 20 30 40 50 60 70 00.20.40.60.811.21.4 AP-1F掺量（） 5min Marsh时间(s) 1 （0.4498） 115A

18、2 （0.4417） 3 （0.4761） 315%A2 （0.4414） e) 掺粉煤灰1后的Marsh时间曲线 0 40 80 120 160 0.40.60.811.21.41.6 AP-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) 1 1* 3 3* 10 12 10* 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，饱和点掺堆积空隙率减

19、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，对资源是一种 浪费，流动性经时损失较大。 d) d) n