水泥颗粒特征及粉磨工艺对水泥强度的影响

　　水泥的颗粒特征，包括：细度、颗粒级配和颗粒形貌对于水泥性能的影响已有广泛的研究[1-4]，多数研究工作从理论上探讨了水泥颗粒特征与水泥性能的关系。近年来我国水泥企业逐步提高了对水泥粉磨工艺的重视程度，但是与国外先进水泥企业比较，仍然存在明显差距[4、5]。本文介绍了国内某大型现代干法水泥厂（中日合资企业，以下简称该工厂）的粉磨设备、粉磨工艺、水泥颗粒特征和熟料、水泥的物理性能。该工厂的水泥粉磨系统具有上个世纪90年代的先进水平，采用日本水泥企业的质量管理模式，水泥厂的质量管理水平与日本水泥企业接近，水泥产品的实物质量也与日本水泥企业相同品种的水泥接近。通过对该工厂水泥颗粒特征和熟料、水泥性能的分析，以及对工业生产实际数据的分析，证实了水泥颗粒特征及粉磨工艺对水泥性能的影响程度。同时介绍了该工厂水泥粉磨过程的质量控制方法和控制指标。希望能够更直接地为有关方面提供借鉴。

1 粉磨设备、工艺概况

　　该工厂的水泥粉磨采用CKP立磨+球磨联合闭路粉磨系统，CKP立磨规格为CKP-170；球磨双仓规格为φ3.9m×12m。旋风式选粉机。系统产量115t/h×2。

　　熟料和石膏经过破碎机一次破碎至≤40mm的颗粒占95%以上，喂入CKP立磨，出CKP立磨的物料≤10mm的颗粒占95%以上，约10%返回CKP立磨，约90%出CKP立磨的物料和选粉机回粉共同进入球磨。出球磨物料和粉煤灰共同进入选粉机，选粉机的选粉效率约60%，循环负荷率约260%。水泥品种等级大部分为P.O 42.5R，少量为P.II 42.5R，两个品种水泥平均电耗39kwh/t-cem。使用占水泥重量比0.02%-0.03%左右的助磨剂。

2 水泥的颗粒特征

2.1 颗粒形貌

　　使用JCM-35C型扫描电镜及配套的统计计算软件对P.O 42.5R和P.II 42.5R水泥进行了水泥颗粒圆形度分析。P.O 42.5R水泥的颗粒圆形系数0.58,P.II 42.5R水泥的颗粒圆形系数0.54。我国部分大中型水泥企业水泥的圆形系数平均值为0.63,波动在0.51-0.73之间。国外水泥的圆形系数大约在0.67左右。比较起来，该工厂水泥的圆形系数有待进一步提高。

2.2 颗粒分布、细度

　　使用负压筛测定15μm、20μm、32μm、45μm、63μm筛余，使用回归分析的方法求得RRB（Rosin-Rammlar-Bennet）公式中的两个参数：特征粒径 和均匀性系数（n）。因为回归的相关系数（r）高达0.999,可以很准确地计算任意孔径的筛余。表1、表2和图4、图5列出了该工厂2个具有代表意义的P.II 42.5R水泥和P.O 42.5R水泥的粒度分布。

　　P.II 42.5R水泥的特征粒径 =19.7μm,均匀性系数n=1.28，比表面积327m2/kg。P.O 42.5R水泥的特征粒径 =19.1μm,均匀性系数n=1.27，比表面积366m2/kg。两种水泥的粒度分布基本一致。计算得到的不同尺寸颗粒含量为：0～1μm的颗粒占2%；0～3μm的颗粒占9%；3～32μm的颗粒占76%；大于45μm的颗粒占5%；大于63μm的颗粒占1%。上述数据已经非常接近资料[5、8]中提出的理想数值。

　　1#熟料的特征粒径 =25.5μm,均匀性系数n=1.11；2#熟料的特征粒径 =23.3μm,均匀性系数n=1.06；

3 熟料、水泥检验结果

3.1 样品制备方法、检验方法

3.1.1 熟料样品制备方法、检验方法

　　熟料样品制备使用化验室统一试验小磨，按JC/T853-1999《硅酸盐水泥熟料》规定的方法进行。强度检验按GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》进行。其余质量指标均按JC/T853-1999《硅酸盐水泥熟料》规定的方法检验。

3.1.2 水泥检验方法

　　强度检验按GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》进行。其余质量指标均按GB175-1999《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》规定的方法检验。

3.2 熟料、水泥检验结果

　　与熟料28天抗压强度比较，P.II 42.5R水泥28天抗压强度高约6MPa，P.O 42.5R水泥28天抗压强度高约4MPa。这一差别主要是由于化验室小磨与生产设备粉磨产品的粒度分布不同造成的。

4 水泥粉磨过程的质量控制方法和控制经验

4.1 水泥粉磨过程的质量控制方法

　　15μm、20μm、32μm、45μm、63μm筛余采用德国产进口负压筛和筛网按日本方法测定。德国产进口负压筛的工作原理和设备结构与国内负压筛基本一致，区别在于德国产进口负压筛的筛网尺寸为内径70mm，测定时称样量为1g。这一区别使得德国产进口负压筛与国产负压筛比较，工作时风量较大，筛孔不易堵塞。该设备8min-10min即可完成32μm筛余的测定，4min-6min即可完成45μm筛余的测定。该设备机械加工精度很高，故障率极低，操作简便，测定时间短，测定结果稳定、准确，可以用于例行生产控制。

　　国内许多水泥企业采用激光粒度分析仪测定水泥的粒度分布。该工厂对同一个样品使用负压筛和激光粒度分析仪进行了平行的粒度分布检验，结果表明：对于10μm以上的水泥颗粒，激光粒度分析仪可以得到与负压筛非常一致的检验结果；对于10μm，特别是5μm以下的颗粒，激光粒度分析仪的检验结果比负压筛略高。其中一个主要原因是非常细小的水泥颗粒在范德华（Vander Waals）力的作用下集结为颗粒团，使用负压筛检验时颗粒团不易被分散；使用激光粒度分析仪检验时，颗粒团在有机介质中被充分分散。激光粒度分析仪作为水泥企业定期检验水泥粒度分布的一种方法是适宜的，但是由于其测定操作复杂，时间长，仪器故障率高，不适合例行质量控制使用。

4.2 水泥粉磨过程的质量控制经验

4.2.1 细度

　　该工厂以32μm筛余作为粉磨过程例行控制的依据。在32μm筛余处于控制目标范围时，80μm筛余为0.2%-0.4%，几乎没有波动，如果以80μm筛余作为粉磨过程例行控制的依据，那么几乎无法对粉磨设备作出任何调整。由于设备故障原因，32μm筛余曾经偶然发生很大波动，由原来的控制目标值16%变为20%。单独对该部分水泥进行检验，28天抗压强度比细度正常时下降约4MPa，此时水泥80μm筛余并没有明显变化，仅由0.3%变为0.8%。这一事实表明,在水泥细度较细时,80μm筛余很难反映水泥的粉磨情况，不宜作为水泥粉磨过程的质量控制指标。该工厂的生产经验表明,以32μm筛余或45μm筛余作为水泥粉磨过程的质量控制指标是适宜的。国外多数先进水泥企业对水泥粉磨过程也正是采取的这一质量控制方法。

4.2.2 比表面积

　　在该工厂，虽然每4h进行一次比表面积测定，但是比表面积的测量值仅供参考，并不作为粉磨过程例行控制的依据。通过对出磨水泥数据的统计分析发现，强度与比表面积之间没有很好的相关关系。比表面积对被测样品中的细粉非常敏感，该工厂P.O 42.5R和P.II 42.5R水泥的粉磨工艺参数一致,因为P.O 42.5R水泥掺入了12%含有较多细粉的粉煤灰,致使P.O 42.5R的比表面积比P.II 42.5R高出30m2/kg。但是P.O 42.5R和P.II 42.5R水泥中的熟料部分粉磨程度是基本一致的。许多研究[5-7]也表明，比表面积不能很好反映水泥的颗粒分布等粉体状态。在实施新水泥标准之前，我国许多水泥企业不重视比表面积的测定；实施新标准以后对于水泥粉磨过程认识有所提高，许多水泥企业开始重视比表面积的测定。但是该工厂的经验表明，以比表面积作为粉磨过程例行控制的依据是非常粗略的。

4.2.3 颗粒分布

　　与水泥的物理性能特别是强度密切相关的水泥中熟料及混合材的粒度分布。熟料的粒度分布与熟料的水化速度、一定时间内的水化程度、标准稠度需水量、混凝土的水灰比密切相关。熟料与混合材的粒度分布共同决定了水泥颗粒的最紧密堆积密度。许多资料[7、8]也强调了水泥颗粒分布的重要性，并提出了水泥颗粒分布的理想数据。如果不考虑粉磨设备、煤磨电耗等因素的影响，我们应该使水泥的粒度分布接近理想数据，并在例行控制中测定水泥的粒度分布，以水泥的粒度分布作为粉磨过程例行控制的依据。我国多数水泥厂的现实情况是，使用80μm筛余或比表面积作为粉磨过程例行控制的依据，对水泥的粒度分布较少关注，80μm筛余或比表面积与颗粒分布均没有很好的相关关系。

　　该工厂的经验表明，在粉磨设备及其运转参数没有明显改变时，32μm筛余或45μm筛余能够很好地反映颗粒分布。使用32μm筛余或45μm筛余为粉磨过程例行控制的依据，在粉磨设备及其运转参数发生明显改变时，可能通过简单的调节，比如选粉机的转数（风量），使32μm筛余或45μm筛余保持在控制目标之内。因此，使用32μm筛余或45μm筛余为粉磨过程例行控制的依据，在粉磨设备及其运转参数发生明显改变时并不能很好反映粒度分布。曾经发现，在32μm筛余没有明显改变的情况下，45μm筛余发生了明显增加，此时检验水泥粒度分布发生明显变化，强度降低。

　　使用RRB公式可以很好地对水泥颗粒分布进行拟合，控制RRB公式中的两个参数特征粒径 和均匀性系数（n）即可达到控制粒度分布的目的。该工厂测定15μm、20μm、32μm、45μm、63μm筛余，通过回归分析求得RRB公式，相关系数（r）很高，可以达到0.98以上。该工厂定期或在怀疑粒度分布有问题时使用该方法测定粒度分布。

　　有一种比较简便的方法可以大致判断粒度分布是否正常，如果使用32μm筛余或45μm筛余作为粉磨过程例行控制的依据，并且32μm筛余或45μm筛余处于正常控制范围，可以增加测定另一个小于63μm的筛余，这个筛余的尺寸与例行质量控制筛余的尺寸至少相差10μm。将测得的筛余与以往粒度分布正常的数据进行比较，如果增加测定的筛余数据与以往粒度分布正常的数据具有明显区别，则提示粒度分布可能具有明显变化。例如该工厂正常情况下，32μm筛余大约16%±1.5%,45μm筛余大约5%±1.5%,如果32μm筛余处于正常控制范围,45μm筛余超出目标值3%，则提示粒度分布可能具有明显变化。

4.2.4 助磨剂

　　该工厂在水泥粉磨时添加占水泥重量比0.02%-0.03%的助磨剂，使用效果良好。曾经发生助磨剂的短时间中断，尽管此时调整选粉机转数，使水泥的32μm筛余仍然处于控制范围之内，但是水泥的RRB公式中的两个参数特征粒径 和均匀性系数（n）发生了明显变化，即水泥的颗粒分布发生了明显变化，水泥强度也随之明显降低。

5 结论

5.1 水泥粉磨设备、粉磨工艺合理，水泥粒度分布接近理想分布，则水泥强度可以明显提高。在该工厂与熟料28天抗压强度比较，P.II 42.5R水泥28天抗压强度高约6MPa，P.O 42.5R水泥28天抗压强度高约4MPa。

5.2 与水泥物理性能特别是强度密切相关的是水泥的粒度分布，80μm筛余或比表面积均难以准确反映水泥的粒度分布。测定32μm筛余或45μm筛余为粉磨过程例行控制的依据是适宜的。在使32μm筛余或45μm筛余处于控制范围的同时，还应该对RRB分布曲线的特征粒径 和均匀性系数（n）进行控制，定期检查和控制水泥的粒度分布是非常必要的。

5.3 立磨+球磨是一种较好的水泥粉磨设备，粉磨产品质量好，电耗合理。

5.4 合理选用助磨剂有利于改善水泥的粒度分布,减轻过粉磨现象,减少小于3μm以下颗粒的数量。

5.5 与激光粒度分析仪比较，负压筛更适合于例行质量控制。在即将颁布的国家标准GB/T 1345-××××《水泥细度检验方法》中已经列入了45μm负压筛的检验方法。

参考文献

1 王爱勤.颗粒级配对水泥性能的影响的探讨.水泥工程1996，(6)：16.

2 乔龄山.水泥颗粒特征参数及其对水泥和混凝土性能的影响.水泥，2001，(10)：1.

3 黄有丰等.水泥颗粒特性及粉磨工艺进展对水泥性能的影响.水泥技术，1999（2）：8.

4 王昕等.我国回转窑水泥不同粉磨工艺颗粒形貌剖析.水泥，2002（2）：1.

5 王文义，缪沾.加强和改造粉磨工艺是提高水泥质量的基本途径.建材发展导向2003（1）：38.

6 林传英.水泥颗粒组成的数据分析.水泥，2003(1)：26.

7 肖忠明，王昕.研究颗粒组成与性能关系新方法——兼论水泥的最佳颗粒组成.水泥，2000（4）：8.

8 乔龄山.水泥的最佳颗粒分布及其评价方法.水泥，2001，(8)：1.

摘自：中国水泥网论坛