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水泥颗粒级配对其性能的影响

摘要：分析了颗粒级配对水泥基胶凝材料结构与性能的影响。采用立磨终粉磨工艺和球磨工艺制备的水泥，对水泥颗粒分布、工作性能以及水泥混凝土的耐久性进行了研究与分析。结果表明：水泥均匀性系数与标准稠度用水量相关性很好，呈正相关关系；n值越大，水泥颗粒分布越窄，其制备的混凝土抗碳化能力、耐磨性和收缩性越差；在严格控制好n值条件下，立磨终粉磨技术生产的水泥所制备的混凝土力学性能和耐久性良好，值得深入研发和推广，并提出改进措施。

关键词：水泥；颗粒级配；结构；性能；粉磨技术

引言

水泥细度对水泥的凝结时间、需水量、强度等性能产生直接影响，一直以来受到水泥相关企业的高度重视。GB175—2007《通用硅酸盐水泥》通常采用比表面积和筛余来表征普通硅酸盐水泥和带有掺合料的复合硅酸盐水泥的细度，但是仅用比表面积或筛余来表征水泥细度存在一定的片面性，不能准确反映水泥粉体的特性。因此，水泥的颗粒级配由于其能全面反映水泥的粗细程度及颗粒分布情况而掀起了广大业内工作者的研究热潮[1-3]。

李鼎[4]采用激光粒度分析方法对水泥粉体的颗粒级配进行统计分析，结果发现大多数水泥粉体的颗粒级配不合理。王爱勤和张宁生[5]在研究水泥颗粒级配与其孔隙率关系时发现：在水泥水化深度较低时，水泥颗粒分布越宽，孔隙率越低。李滢和杨静[6]在水泥中添加粉煤灰、矿渣粉、硅灰等混合材，通过扫描电镜分析发现，不同细度的矿物掺和料可使水泥粉体内部结构变得更为密实，从而提高了水泥砂浆强度。这些研究成果极大丰富了对水泥颗粒级配的理论认识，但对影响水泥性能的初始结构尚未进行深入研究，且理论与生产实际脱节，利用现有成果来指导水泥生产以及探索水泥粉磨技术的革新与发展具有一定的局限性。

水泥粉磨是决定水泥颗粒级配乃至水泥成品质量的关键，直接关系到下游混凝土产品的生产质量。就水泥粉磨技术而言，国内不同规模的新型干法线与粉磨站，由于粉磨主机设备及预处理设备选型等因素，其工艺流程各有特点，仅粉磨水泥的工艺系统就有20多种[7]。然而，由于物料的粉磨特性不同、工艺参数调整方法不合理等原因，系统产量、粉磨电耗差异很大，生产的水泥质量也参差不齐。仅从粉磨原料角度来看，水泥粉磨作为水泥生产粉磨三大项———生料粉磨、水泥粉磨和原煤粉磨之一，由于物料易磨性差，水泥细度要求较高等原因，其粉磨电耗很高，占水泥生产总电耗的40%。因此，如何在整个社会节能减排的大背景下，优化水泥颗粒级配、降低水泥粉磨能耗成为水泥行业迫在眉睫需要解决的关键难题。

本文基于水泥工业的特点，综合颗粒级配对水泥浆体结构、性能及其下游混凝土产品性能的影响分析，探讨从颗粒级配角度优化水泥产品，协调其与混凝土行业的协同发展，适应我国混凝土生产的需要。

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水泥颗粒级配影响效应分析

水泥粉体颗粒的初始堆积密实度是水泥材料一个非常重要的性质，主要受水泥颗粒分布的影响。此外，水泥颗粒分布还影响水泥浆体的水化速率和水化产物数量等，因此，水泥颗粒级配研究越来越受到重视[8]。目前，国内外公认水泥粉体按照颗粒分布可分为3μm、3～30μm和30μm三大类。按照Furans不连续尺寸颗粒堆积理论，笔者认为对于水泥初始堆积态而言，水泥构成可分为三级颗粒填充体系：其中过大的粗颗粒（30μm）堆积构成1级填充结构，发挥骨架作用；3～30μm颗粒分布在堆积的粗颗粒空隙中构成2级填充结构；过小的超细颗粒（3μm）在堆积的较大颗粒空隙中构成第3级填充结构。各粒级水泥颗粒堆积大致可形成图1的3种结构。

图1（a）所示结构密实度较好，但现有研究表明，水泥水化过程中容易在集料表面富集大量的水和钙矾石等[9]，这种结构将增大晶体之间的空隙，而且水化热不易散去，过高的水化热会导致水泥浆体内部产生裂缝，降低强度，因而稳定性较差；图1（b）所示结构主要以大颗粒水泥的嵌挤和内摩擦阻力形成骨架，热稳定性好，但容易造成水泥水化产物交织搭接少、空隙大等现象，因而耐久性差；而图1（c）所示结构综合了上述2种结构的性能，水泥颗粒按照粒径大小依次填充，大颗粒之间互为支撑，形成骨架，细颗粒填充在大颗粒的骨架空隙当中，彼此间相互交织，同时对大颗粒起到滚动润滑的作用，一方面，可以提高水泥浆体的密实度，另一方面，可以减少配浆用水量，从而提升了水泥浆体的稳定性和结构强度。

水泥水化时会产生大量的水化产物，这些水化产物可填充水泥浆体的孔结构并相互粘结，减小水泥浆体的孔隙率和微裂纹，进而提高水泥浆体的强度。而水泥的水化速率受其粒径大小影响较大，小于3μm的超细颗粒和大于30μm的粗颗粒不是水化太快，就是难以完全水化，都对提高混凝土28d强度乃至长