水泥的最佳颗粒分布及其评价方法

水泥的粉体状态一般表达为磨细程度（细度和比表面积）、颗粒分布和颗粒形貌。

水泥产品必须磨制到一定细度状态时，才具有胶凝性。

水泥细度直接影响着水泥的凝结、水化、硬化和强度等一系列物理性能。

细度状态可用以下方式表达：平均粒径法、筛析法、比表面积法、颗粒级配法。

如细度指标（80μm 和45μm 筛筛余），主要反映水泥中粗颗粒含量（%）；再如比表面积指标（m2/kg ），主要反映水泥中细颗粒含量；而颗粒级配分析可以全面反映水泥中粗细颗粒分布状态，是当前水泥企业调整、控制水泥性能的先进手段。

在水泥粉磨过程中得到的水泥颗粒不是均匀的单颗粒，而是包含不同粒径的颗粒群体。

水泥颗粒的平均粒径是表现水泥颗粒体系的重要几何参数，但其所能提供的粒度特性信息则非常有限，因为两个平均粒径相同的粒群，完全可能有不一样的粒度组成（颗粒级配）。

我国水泥标准规定，水泥产品的细度方孔筛筛余不得超过10%。

控制细度的方法简单易行，在一定的粉磨工艺条件下，水泥强度与其细度有一定的相关关系。

细度值是指筛的筛余量，即水泥中≥80μm 的颗粒含量（%）。

众所周知，≥64μm 的水泥颗粒的水化活性已经很低了，所以用≥80μm 颗粒含量多少进行水泥质量控制，不能全面反映水泥的真实活性。

现在，水泥普遍磨得很细，所以这条标准规定就失去了控制意义。

国外水泥标准大多规定比表面积指标，采用勃氏比表面积仪测定水泥比表面积。

我国的硅酸盐水泥和熟料的国家标准已与国外标准相一致。

一般情况下，水泥比表面积与水泥性能都保持着较好的关系；但用比表面积控制水泥质量时，却有以下不足：（1）比表面积数值主要反映5μm 以下的颗粒含量，数值比较单一。

在固定的工艺条件下，控制水泥的45μm 筛余量和比表面积在一个合理的水平上，限制3μm以下和45μm 以上的颗粒，能够获得良好的水泥性能和较低的生产成本。

（2）比表面积对水泥中细颗粒含量的多少反应很敏捷。

有时比表面积并不是很高，但由于水泥颗粒级配合理，水泥强度却很高。

（3）掺有混合材料的水泥，比表面积不能真实反映水泥的总比表面积。

如掺有火山灰质混合材料，水泥比表面积往往会产生偏高现象。

（4）大量的实践证明，掺助磨剂的水泥如果细度下降了，比表面积往往也下降。

这可能与水泥的颗粒形貌有关。

平均粒径法、筛析法及比表面积法单一地表示水泥颗粒细度状态，并不能真实准确地反映水泥性能。

人们有时采取两种优化组合的方式来控制水泥细度状态，操作简便，控制有效。

而颗粒级配对水泥颗粒群体用连续、分区间的尺寸范围来表示大小颗粒的百分含量，更加准确地反映了水泥细度状态，是水泥性能的决定性因素。

水泥最佳性能的颗粒级配为3～32μm 颗粒总量不能<65%，<3μm 的细颗粒不要超过10%，>65μm 和<1μm的颗粒越少越好，最好没有。

因为3~32μm 的颗粒对强度增长起主要作用，特别是16～24μm 的颗粒对水泥性能尤为重要，含量越多越好。

而<3μm的细颗粒容易结团，<1μm的小颗粒在加水搅拌中很快就水化，对混凝土强度作用很小，且影响水泥与外加剂的适应性，易影响水泥性能而导致混凝土开裂，严重影响混凝土的耐久性。

至于>65μm 的颗粒则水化很慢，对水泥28天强度贡献很小。

编号颗粒级配/% 平均粒径/μm 比表面积/(m2/kg)标准稠度用水量/%C3S/%小试体胶砂强度①/MPa<10μm 10～30μm 30～60μm >60μm 1d 3d 28d 1a d10 0 920e10 0 200F10 74H140原水泥－300注：①试体为Φ×小试体，数据只作参考。

由表3看出，<10μm为主的水泥，比表面积达920m2/kg，水泥标准稠用水量高达%，水泥早期强度很高。

10～30μm为主的水泥，比表面积降至200m2/kg，水泥标准稠度用水量正常，早期强度下降。

水泥颗粒级配对水泥性能产生的各种影响，主要是因为不同大小颗粒的水化速度不同，施娟英的测定结果是:0～10μm颗粒，1d水化达75%，28d接近完全；10～30μm颗粒，7d水化接近一半；30～60μm颗粒，28d水化接近一半；>60μm颗粒，3个月后水化还不到一半。

学者Meric认为，粒径<1μm的小颗粒，在加水拌和中很快水化了，对混凝土强度作用很小，反而造成混凝土体积较大收缩。

一个20μm颗粒硬化1个月只水化了54%，水化进入深度才μm，剩留的熟料核只能起骨架作用，潜在活性没有发挥。

国内外试验研究证明，水泥颗粒级配对水泥性能有直接影响，目前比较公认的水泥最佳颗粒级配为:3～32μm颗粒对强度增长起主要作用，其间粒度分布是连续的，总量不低于65%。

16～24μm的颗粒对水泥性能尤为重要，含量愈多愈好。

<3μm的细颗粒，易结团，不要超过10%。

>65μm的颗粒活性很小，最好没有。

1998～2001年在世界水泥检测大对比中选用了不同强度等级的法国水泥，国际试验室的检测结果列于表4中。

表4 法国水泥颗粒级配与性能时间强度等级水泥品种颗粒级配(累计通过量)/%抗压强度/MPa密度/(g/cm3)比表面积/(m2/kg)标准稠度用水量/% 2μm 4μm 8μm 16μm 32μm 40μm 50μm 63μm 80μm 2d 28d1998 波特兰408 2000 波特兰3482001 波特兰矿渣(36%～64%)3341997 波特兰复合(6%～20%)374表5为2001年我院对我国部分水泥企业不同粉磨工艺下的实物水泥进行的颗粒级配测定结果。

表5 我国部分水泥企业的水泥颗粒级配(平均值)水泥颗粒的堆积密度对配制出的混凝土施工性、强度和耐久性有很大影响，水泥颗粒的堆积密度最佳时，混凝土性能最好。

改进粉磨工艺1)磨机改造我国大部分水泥企业目前使用的小规格磨机大多内部结构不合理，技术落后，效率低。

在磨机改造中可使用史密斯公司的康必丹磨技术及其它各种新型衬板、隔仓板和研磨体技术。

研磨体级配和尾仓的小型研磨体对于改善水泥颗粒分布和颗粒形貌具有重要作用。

如合肥院高细磨水泥颗粒圆度系数可达以上；沈阳水泥机械研究所的磨机改造技术，可明显改善水泥的颗粒分布，提高圆度系数。

2)辊压机(或立磨)与球磨机组合采用辊压机(或立磨)与球磨机联合的粉磨工艺，可明显改善水泥颗粒形貌，圆度系数可达～，水泥颗粒分布也很好。

3)采用高效选粉机的闭路磨带高效选粉机的闭路磨工艺，通过改变选粉机转速、风量等可按需要调整水泥的颗粒分布，而开路磨及带离心选粉机、旋风选粉机的闭路磨要进行这种调整就比较困难。

4)采用分别粉磨工艺目前水泥企业大都是熟料与混合材一起混合粉磨，由于不同物料的易磨性差别很大，造成混合粉磨的许多问题。

而采用分别粉磨不但可以解决这些问题，还可以根据熟料和混合材料细度的不同要求，制备出不同性能的水泥产品。

3 发挥混合材的作用混合材料在水泥中主要起3个作用:一是活化效应，它与混合材料活性和细度有关。

二是填料作用，它同水泥水化产物结合在一起，起骨架作用。

三是最佳堆积密度效应，当混合材料的粒径很小时，如<3μm，可以明显提高水泥石的密实度，改善水泥混凝土性能，提高水泥混凝土的强度。

高性能混凝土的迅速发展，需要矿渣等细磨混合材料替代部分水泥，替代量可达水泥质量的30%以上，细磨混合材料应符合高强高性能混凝土用矿物外加剂国家标准(GB/T18736-2002)。

在水泥中多掺加一些混合材料生产出高质量的水泥主要有如下途径。

提高熟料粉磨细度早在60年代，我院为了提高矿渣水泥的强度，将熟料比表面积磨制到450～550m2/kg，熟料颗粒<30μm含量达到80%以上，在矿渣掺加量为35%和45%的条件下，可以生产出早期和后期强度都很高的矿渣水泥。

70～80年代，我院在研究沸石-石灰石水泥和粉煤灰-石灰石水泥中，将熟料比表面积磨制400m2/kg，<20μm含量达60%～70%时，混合材掺量30%后，仍能生产出早期和后期强度都较高的优质水泥，并具有节能10%，增产水泥20%的效果。

提高矿渣的细度1999年我院在制订GB/T 18046-2000<用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉>的试验研究中发现，将矿渣磨细到400～600m2/kg比表面积后，大量掺入到水泥中时，不但不降低水泥强度，反而能大幅度提高水泥强度，见表7。

石膏是水泥的缓凝剂，石膏遇水后溶解为Ca2+，如果在水泥水化初期能抑制C3A水化速度，水泥和混凝土就可以得到所需的工作性能，因此水泥中硫酸盐的数量和溶解度至关重要。

不同形态石膏的溶解度不同:二水石膏为L，α-半水石膏为L，β-半水石膏为L，可溶性无水石膏为L，天然无水石膏为L。

二水石膏应用的最多，但它的溶解度不是最大的，因此控制好磨机温度很重要:磨内温度适当高，使部分二水石膏脱水为溶解度大的半水石膏适应性好；磨内温度过高会形成大量半水石膏，导致假凝；磨内温度过低，半水石膏量少，会导致急凝。

水泥细度状态高效减水剂一般都是阴离子型高分子表面活性剂，而水泥颗粒表面一般带正电，对阴离子表现出较强的亲合力。

在水泥和水后，减水剂迅速吸附在水泥颗粒表面，增大了水泥浆体的流动性。

因此水泥细度状态，如比表面积、颗粒分布、颗粒形貌等对减水剂与水泥适应性影响很大。

实施水泥新标准后，我国水泥细度普遍变细，是造成适应性变差的重要原因。

在这种情况下如何提高适应性，我院作了大量试验研究工作。

1)水泥比表面积适当提高(如446m2/kg)，外加剂饱和掺量增大，新拌混凝土的初始坍落度仍较大。

水泥比表面积过高(如550m2/kg)，即使加大外加剂掺量，混凝土的初始坍落度仍较小。

随水泥比面积的提高，混凝土lh后的坍落度损失增大。

2)在水泥比表面积相近(约300m2/kg)时，水泥颗粒中<3μm含量对外加剂饱和掺量影响不大，但<3μm含量增多会加剧水泥浆体的流动度损失。

3)水泥颗粒圆度系数由提高到时，对减水剂饱和掺量影响不大，但可以提高水泥浆的流动度和混凝土坍落度，坍落度损失减小。

混合材料水泥中混合材料的种类、细度、颗粒形貌及掺量等对外加剂的吸附作用是有影响的。

根据试验和实践表明，减水剂对矿渣水泥和粉煤灰水泥的适应性较好，而对火山灰、煤矸石、窑灰为混合材料的水泥适应性较差。

水泥中的碱含量随着水泥中碱含量的增大，减水剂对水泥的塑化效果变差。

碱含量的增大，还会导致混凝土的凝结时间缩短和坍落度损失变大。

水泥的陈放时间水泥陈放时间越短，出磨温度愈高，减水剂对水泥的塑化效果越差，减水率低，坍落度损失快。

因此使用陈放时间稍长的水泥有利于提高适应性。

6 调整通用水泥品种根据2002年6月全国抽样调查，目前我国六大通用水泥产量的分布见表11。