水泥熟料的颗粒粒径对水泥强度的影响研究

王涛

（江苏省建工建材质量检测中心有限公司，江苏 南京 210009）

0 引言

在影响水泥性能的主要因素中， 颗粒特性是影响因素之一， 已有的研究表明水泥的粒度分布对其性能有着显著的影响，即使相同的原料，当采用不同的粉磨方式和粉磨设备生产时， 由于颗粒特性不同，水泥的性能就有差异。

文章着重研究不同粒径区间水泥的性能，并基于不同粒径区间水泥的水化速度探讨其强度的发展规律， 为实现水泥颗粒粒径优化提供实验室研究依据。

1 试验原材料和制备方法

本研究中选用了2 种熟料进行对比试验，分别为某水泥有限公司的水泥熟料， 编号为QP；实验室研制的高C3S 水泥熟料，编号为QG。 其化学组成见表1。

表1 实验用熟料的化学组成 单位：%

首先将原料用球磨机（Φ305×305 磨矿功指数球磨机，转速70 r/min，进料粒度3 mm）粉磨至一定细度，然后使用德国生产的气流磨-超细粉分级设备（CGS 10 Fluidised Bed Jet Mill， 转速6 000～12 000 r/min 可调，进料粒度3～80 μm）将原料分为（0，3）μm、（3，16）μm、(16，32) μm、(32，45) μm、(45，64) μm 和(64，80) μm六个粒径区间。对粉磨和分级后的样品采用激光粒度分析仪（MASTERSIZER2000，S3500 型）进行颗粒分布分析，以无水乙醇为分散介质，测试前使用超声波分散20～30 min。

2 分级前后熟料的粒径分布及特性

水泥熟料QP 进行粉磨时控制其比表面积分别为QP-S1 320 m2/kg、QP-S2 360 m2/kg 和QP-S3 400 m2/kg，其相应的粒度分布如图1 所示。 由图1可知，随着熟料比表面积的增大，粒度分布曲线向右偏移， 表明比表面积增大是细颗粒比例增大和粗颗粒比例减小的结果。 由激光粒度分布结果通过插值法可以计算得到不同比表面积熟料的特征粒径De，并可拟合出RRB 线性方程及得出均匀性指数，结果见表2，在同一种粉磨工艺和参数下，均匀性指数变化不大，均在1 左右，特征粒径De 随比表面积的增大而减小。

图1 不同比表面积熟料的频率分布

表2 不同比表面积熟料粒度分布的特征参数

选取QP-S3 400 m2/kg 的样品进行分级， 未分级前的样品编号为P0， 分级后各粒径区间的编号分别为P1(0，3) μm、P2(3，16) μm、P3(16，32) μm、P4(32，45) μm、P5(45，64) μm 和P6(64，80) μm，各样品的粒度分布曲线如图2 所示，图中曲线表明分级所得样品的粒径满足所设定的粒径区间要求。

图2 不同粒径区间水泥颗粒的累积分布

3 不同粒径区间水泥熟料的组成

样品P1～P6 的化学组成见表3，由表3 可以看出，SiO2的含量随着粒径增大而增加，由P1 样品中的19.38%增大至P6 样品中的21.26%， 但CaO 含量的变化是先随粒径增大而增大，在P3 样品时达到最大，为65.84%，然后随着粒径增大而降低，P5和P6 样品中的CaO 含量相近。Al2O3、Fe2O3和MgO含量在粗粒径区间分布较多，烧失量随着粒径的减小明显增加。

表3 不同粒径区间水泥熟料的化学组成 单位：%

采用鲍格法计算的熟料矿物组成列于表4，与化学组成相对应的，C3S 在细颗粒中分布较多，而C2S 在粗颗粒中分布较多，中间相的含量随粒径减小而增加。

表4 鲍格法计算得到的不同粒径区间水泥的矿物组成 单位：%

4 不同粒径区间水泥熟料的性能

将水泥熟料与二水石膏按照质量比95∶5 进行混合均匀，测试其标准稠度需水量和力学强度。 因分级试验中得到的物料量少， 研究中均采用20 mm×20 mm×20 mm 试模净浆成型并测试各龄期强度。 净浆成型水灰比按照表5 中所示的标准稠度需水量，成型后试件在标准养护箱中养护24 h 后脱模，然后置于20 ℃水中养护至设定龄期，进行强度测试。 由表5 中标准稠度需水量的数据可知， 随着窄粒径区间的水泥颗粒度越小，标准稠度需水量越大，当粒径区间为(0，3)μm 时，其标准稠度用水量可达0.46。

表5 不同粒径区间水泥的标准稠度用水量

表6 中是样品QP-S1、QP-S2 和QP-S3 的强度数据，由表6 可见，随着比表面积的增大，各龄期强度明显提高。 这是因为随着比表面积的增加，水泥的特征粒径减小，细颗粒增加，水化速度变快，更利于强度的发展。

将不同粒径区间熟料添加5%石膏后得到的不同龄期的抗压强度见表7， 表中样品P0 即样品QP-S3， 其比表面积为400 m2/kg。 表7 显示，P2(3，16)区间的3 d 强度高于P0；但对比28 d 龄期以后的净浆强度，P0 样品的强度均高于窄粒径样品的强度，这一方面是由于细粒径区间熟料的成型用水量大所致，另一方面也间接说明了不同粒径区间的合理级配可以获得更好的力学强度，充分说明了合理级配的重要性。

表7 不同粒径区间水泥的各龄期强度单位：MPa

为了对比， 将高C3S 水泥熟料QG 也按G1（0，3） μm、G2 （3，16） μm、G3 （16，32） μm、G4（32，45） μm、G5（45，64） μm 和G6（64，80） μm 六个粒径区间分级，未分级的样品记为G0（比表面积为360 m2/kg）。成型水灰比G1 为0.67、G2 为0.38，其余均为0.28。由表8 中的强度结果可知，G3 各龄期强度均为最高值，这说明G3(16，32) μm 区间颗粒对水泥强度的贡献最大。在水泥熟料的矿物组成中C3S 的水化速率很快，C2S 的水化速率较慢，约为C3S 的1/20 左右。 表4 中的结果表明C3S 在细颗粒中的含量远大于在粗颗粒中的，很好地解释了细颗粒水化速度快，早期强度高的现象。

表8 样品QG 不同粒径区间水泥的各龄期强度单位：MPa

不同粒径区间水泥的3 d 强度结果见图3，由图3 可以看出，32 μm 以上的水泥颗粒对水泥早期强度贡献很小，而(3，16)区间的水泥颗粒对3 d 强度贡献最大。 值得注意的是，P1(0，3)区间的3 d 强度并不是最高，与P2(3，16)比相差了一倍。

图3 不同粒径区间水泥的3 d 强度

各粒径区间水泥的28 d 强度见图4， 由图4可知， 对水泥28 d 强度贡献最大的粒径区间是(16，32) μm， 而(0，3) μm 粒径区间的颗粒对28 d强度的贡献小于对3 d 强度的。 粒径大于45 μm 的颗粒在28 d 时对强度的贡献较小， 所以若以28 d强度来评价水泥的强度性能，就要求水泥的粒度分布尽可能的向(16，32) μm 区间靠近。

图4 不同粒径区间水泥的28 d 强度

5 讨论

图5 和6 分别为不同熟料不同粒径区间的强度发展曲线， 对比图5 和6 可以看到， 对于熟料QPS3，其分级得到的P3(16，32)μm 样品的各龄期强度除3 d 以外都是最高的，表明处于P3(16，32) μm 区间对水泥的强度发展贡献最大。其次P2(3,16) μm 区间各龄期强度基本上达到了QP-S1 各龄期的强度。但对于熟料QP-S3，除了3 d 强度，未分级的QP-S3的各龄期强度都是最高。 由此可见，水泥的颗粒级配对强度的影响是显而易见的。

图5 QP 不同粒径区间各龄期强度(QP-S1 和QP-S3分别为未分级前不同比表面积的样品)

图6 QG 不同粒径区间各龄期强度（G0 为未分级前样品）

P1(0，3) μm 区间和P2(3，16) μm 区间强度发展很快，在3 d 就达到了较高的强度，随后的强度增长基本不大。 这是因为粒径越小, 比表面积就越大, 湿润颗粒表面所需要的水就越多，标准稠度需水量越大。 如果水泥中(0，3) μm 区间颗粒的含量过多, 一方面导致标准稠度需水量显著增大，另一方面由于细颗粒水泥的水化过快，可供后期继续水化的水泥颗粒就少， 因此硬化水泥浆体孔隙率增加，后期强度发展不好。

P3 (16，32) μm 区间在28 d 就可以达到很高的强度，后期强度发展虽然很慢，但一直在增长，强度发挥稳定。这一区间的颗粒是水泥强度发挥的主体，所以水泥的粒度分布应该尽可能的向这一区间分布。 大于32 μm 的区间P4、P5 前期强度发展虽然很慢，但强度一直在增长。在180 d 以后，赶上甚至超过了未分级前样品，所以这一部分对水泥的耐久性非常有利。

大于64 μm 的P6 在全龄期强度发展一直很慢。 由于这一部分的颗粒粒径太大，活性很低，对强度的贡献也很小，所以这部分的颗粒含量建议控制。

6 结语

在水泥熟料的颗粒分布中，综合考察水泥强度的发展过程，水泥熟料中宜增加(3，32) μm 粒径区间的水泥颗粒，其中(3，16) μm 区间的水泥颗粒主要保证早期强度， (16，32) μm 区间水泥颗粒主要提供28 d 强度。 应控制水泥中(0，3) μm 粒径区间的颗粒比例，因为(0，3) μm 区间水泥颗粒过细，易结团且标准稠度需水量大，如果含量太多，由于水化过快和水泥浆体的孔隙率大，不利于水泥强度的发展。 (32，64) μm 粒径区间的颗粒有利于水泥的长龄期强度，在水泥的颗粒分布中宜保留一定的比例， 而粒径大于64 μm 的水泥熟料颗粒的比例宜得到限制，这部分水泥颗粒的强度发展非常缓慢。