・ 68・ 材料导报:综述篇 2010年12月(上)第24卷第12期 水泥粒度分布对水泥性能影响的研究进展 汪洋,徐玲玲 (南京工业大学材料科学与工程学院,南京210009) 摘要 从两个方面总结了水泥粒度分布对水泥性能影响的研究进展,一方面总结了反映水泥颗粒群整体情况 的特征参数比表面积S、特征粒径 和均匀性指数”对水泥性能的影响;另一方面总结了不同粒径区间水泥颗粒的 性能。介绍了描述水泥粒度分布的RRB方程和Fuller曲线,综述了理论上粒度分布对水泥性能的影响情况,认为水 泥的粒度分布是与其性能有明确定量关系的细度参数,是水泥粉磨细度控制的最终目标。 关键词 水泥粒度分布性能 Reasearch Progress of the Influence of Particle Size Distribution on the Properties of Cement WANG Yang,XU Lingling (College of Material Science and Engineering,Naming University of Technology,Naming 210009) Abstract The effect of the particle size distribution on the properties of cement is summarized in tWO aspects. On the one hand.the effect of different characteristic parameters such as specific surface area 5。characteristic particle size T’and uniformity faetor which reflect the overal1 situation of cement particle size distribution on the properties of cement is summarized.On the other hand,properties of cement in different particle size ranges are summarized.RRB equation and the Fuller curve which are used to discribe the particle size distribution of cement iS introduced.And in- fluence of particle size distribution on properties of cement in theory is simply introduced.It is considered that particle size distribution is a fineness parameter which has a clear quantitative relationship with properties of cement and it is the ultimate goal of fineness control for cement grinding. Key words cement,particle size distribution,properties 水泥作为一种重要的建筑材料,其使用性能如强度、凝 据GB/T4131—1997中的定义,某一孔径的筛余、比表面积和 结时间、流动性等都必须满足工程应用的要求。水泥的生产 粒度分布都作为水泥细度的表示方法之一。对于具体的控 会消耗大量的能量,在提倡节能减排的今天,如何尽量减少 制指标,GB175—2007规定:硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥以 能量的消耗,获得性能好的产品显得十分重要。而水泥性能 比表面积表示,不小于300m。/kg;矿渣硅酸盐水泥、火山灰 的影响因素,从化学的角度出发,主要是水泥的化学组分和 质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥以筛余 矿物组分。不同组分的水泥,其水化反应的程度和快慢不 表示,80 m方孔筛筛余不大于10 或45>m方孔筛筛余不 同,反映到水泥的使用性能上就表现出差异性。从物理的角 大于3O%。结合生产实际,某一孔径的筛余和比表面积与水 度出发,需考虑其作为一种粉体的水泥颗粒的特性。描述颗 泥的粒度分布相比,更易监测和控制。但是单一孔径的筛余 粒特性的一个非常重要的方面就是粒度分布,大量的研究和 和比表面积并不能完全反映水泥的细度。张大康 的定量 实验[1-16 都表明粒度分布对水泥性能的影响很显著。最后, 分析研究表明,水泥的粒度分布与水泥性能具有很好的相关 从工艺的角度,即使相同的原料,不同的粉磨方式和粉磨设 性,单一粒径的筛余或比表面积不是水泥性能的单值函数。 备所生产出来的水泥,其颗粒特性也会有差异,进而会反映 相同的筛余或比表面积下可以获得不同粒度分布的水泥,其 到水泥的使用性能上。 性能也会有差异。他认为粒度分布是与水泥性能有明确定 本文以水泥的粒度分布为重点,综述了近年来国内外一 量关系的细度参数,是水泥粉磨细度控制的最终目标。因此 些主要的研究情况。 他推荐以45肛m筛筛余作为日常生产的控制参数,同时定期 1 水泥粒度分布的实验研究 检验3o~35p.m或55~6O m区间内某一个粒径的筛余,作 为水泥粉磨细度的控制方法。 在实际的工业生产中,需要对水泥的细度进行控制。根 国内外对水泥粒度分布的一些实验研究主要从以下两 *国家重点基础研究发展规划(973计划)(2009CB623103) 汪洋:男,1986年生,硕士研究生,研究方向为无机非金属材料 E-mail:wanlyanl@163.com徐玲玲:通讯作者,女,博士,教授, 研究方向为水泥物理化学E-mail:XI I @njut.edu.en 水泥粒度分布对水泥性能影响的研究进展/汪 洋等 个途径来进行:一方面,研究表征水泥粒度分布的特征参数 和水泥性能的相互关系,确定水泥最佳粒度分布的特征参 数;另一方面,研究不同粒径区间水泥颗粒的分布情况及对 水泥性能的影响,确定各个粒径区间水泥颗粒的最佳含量。 途径虽然不一样,但都是为了提出水泥的最佳粒度分布。 ・ 69 ・ 2O世纪80年代末,S.Tsivilis等 明确提出,水泥中粒 径小于3ptm的颗粒应该小于10 ,粒径为3~3O m的颗粒 应该在65 以上,粒径大于60p.m和小于lp.m的颗粒应尽量 减少,这个看法到目前为止得到比较一致的公认。各粒径区 间颗粒对水泥性能的影响见表1。 表1不同粒径区间水泥颗粒对水泥性能的影响 Table 1 Effect of different particle size ranges on properties of cement 1.1 水泥粒度分布的特征参数对水泥性能的影响 实验研究中探讨水泥细度的特征参数主要是比表面积 S、特征粒径 以及均匀性指数 [1 。比表面积与水泥的强 度、需水量等都具有较好的对应关系l ,在生产实际中作为 】水泥细度的一个重要参数被广泛应用。特征粒径 和均匀 性指数”都是反映水泥颗粒群整体情况的特征参数。特征 粒径表示的是水泥粒度的粗细程度,均匀性指数表示的是粒 度分布的宽窄程度。 这方面国内外做了大量的实验研究 卜 ],也得到了 一些比较一致的看法。对于水泥颗粒的大小,并不是越细越 好,还要受到粒度分布宽窄的影响。 乔龄山_】 ]研究了工业生产的熟料在试验室闭路球磨机 和间歇式球磨机中制备的水泥性能,认为在比表面积S固定 时,随着均匀性指数”值(由RRB方程确定)的增大,特征粒 径 减小,同时发现水泥的强度随I"1值的增大而提高。 张大康 ]对比表面积S、特征粒径 以及均匀性指数” 与水泥强度的关系做了更为系统的研究。他将水泥厂正常 生产的熟料在试验室用闭路磨机和间歇式磨机中制得一系 列不同均匀性系数、特征粒径和比表面积的水泥,通过固定 某一参数,研究其它两个参数的关系及对水泥性能的影响, 认为,固定任一参数,其它两个参数都以近似乘幂的关系降 低。水泥的抗压强度在比表面积S相同的情况下与均匀性 指数”成正比;在特征粒径 相同的情况下,与均匀性指数 成反比;在均匀性指数//-相同的情况下,与特征粒径 成反 比。对于需水量,在比表面积S相同的情况下,其随均匀性 指数 的增加而增加。保持32 m筛余不变,凝结时间随均 匀性指数”的增加而延长。 肖忠明等 认为上述固定单一参数的方法比较繁琐,发 现用均匀性指数”(由RRB方程确定)与特征粒径 的乘积 与比表面积S以及水泥的性能也具有很好的相关性。均 匀性指数”在一定范围内,例如在0.6~O.9 水泥强度随眦 的增加而下降,但是在”>1的情况下结果如何,还有待研 究。 1.2不同粒径区间的水泥颗粒对水泥性能的影响 单一粒径的筛余或比表面积不是水泥性能的单值函数, 而反映粒度分布宽窄的均匀性指数 在实际生产中又不易 直接检测和控制。由于水泥的粒度分布和水泥的性能具有 很好的相关性【_】 ,可以通过提出水泥颗粒在各粒径区间的合 理分布情况来控制水泥的细度。 20世纪80年代初,周棠森_2 对于同一组成的熟料,在 掺加石膏、混合材相同的条件下以不同研磨体级配磨制不同 颗粒组成的水泥,考察它们的强度,认为,40/ ̄m以下的颗粒 是发挥强度的有效组成,而大于40/,m的颗粒对强度并不起 积极作用。 粒度范围/tim 对水泥性能的影响 一3 易结团,最好没有 —16十3 对强度增长起主要作用 —32+16 最重要,越多越好,对强度增长起主要作用 ——64上32 强度增长较慢 +64 颗粒活性ql ̄d,,尽量减少 20世纪9O年代初,赵飞等口 用旋风分离法分离出0~ 5 m、O~10 m、O~3O m的水泥颗粒以及相应的粗颗粒,研 究认为0~3O m的水泥颗粒强度发挥正常,0~5gm和0~ 10/ ̄m的水泥颗粒在早期就达到较高的强度,但后期没有增 长,甚至倒缩。 冯修吉等[2妇将灰色系统理论应用于粒度分布对水泥抗 压强度的影响上,认为在寻求水泥体系最佳粒度分布时,一 个重要的原则是增加5~30p ̄m颗粒含量,限制0~5 m和 30~60 m颗粒含量,减少大于60p.m颗粒含量。 张铁华等[25]应用灰色系统理论,通过关联度分析,对水 泥强度与粒度分布的关系进行整体性研究,得出了各粒径的 水泥颗粒对强度贡献的大小。他们认为,5~40gm的颗粒 对强度的贡献最大,0~5 m和4O~50/ ̄m的颗粒对强度贡 献较大,50/ ̄m以上的颗粒对强度的贡献较小。 陈云波等 应用灰色关联分析方法,用原始测试数据直 接进行关联度分析和均值化变换后再进行关联度分析,研究 了水泥颗粒级配与水泥强度之间的关系,发现各粒径区间颗 粒对各龄期强度贡献程度大小的顺序是不一样的,详细结果 如表2所示。 表2各粒级区间颗粒对强度贡献大小的顺序 Table 2 The size order of the contribution tO strength in different particle size ranges 龄期/d 顺序/ m 1 (0,3)>(3,10)>(10,20)>(20,30)> (30,45)>(45,63)>63以上 (3,10)>(10,2O)>(0,3)>(20,30)> 3 (30,45)>(45,63)>63以上 28 (10,20)>(3,10)>(2O,30)>(0,3)> (30,45)>(45,63)>63以上 由表2可以看出,(0,3)区间颗粒对强度的贡献在早期 很明显,随着龄期的增长,其贡献越来越小;而(3,30)区间颗 粒对强度的贡献随着龄期的增长越来越大。这里只给出了 28d以前各粒级区间颗粒对强度贡献大小的顺序,而长龄期 ・ 70 ・ 的结果怎样,还需要探讨。 材料导报:综述篇 2010年12月(上)第24卷第12期 ∞ 皇≥锭口∞ ∞0 AI∞嚣k【i罨0 日 窆j ∞0 Al∞器 宣c示。结果表明当 <2时,随着 值的增加,水泥的抗压强度 没有明显变化;当 >2时,各龄期的抗压强度随 值的增加 变化都很明显。 最近,I.B.Celik等 。 对O~1O m、0~20 m、O~30/ ̄m 和0 ̄45Fm的颗粒进行了分离,并单独将3 ̄32pm和5~ 20/tm分离出来,分别考察它们对强度的贡献。结果表明,3~ 32t ̄m颗粒对强度的贡献最高,如图1所示。 图1 不同粒级样品各龄期的抗压强度 Fig.1 Compressive strengths of PC 42.5 R and fractions[ ’] 图2 3~32 m粒级颗粒不同掺量下水泥 各龄期的抗压强度 Fig.2 Compressive strengths of PC 42.5 R,3~32 fraction and samples including varying amounts of 3~32 m[。9] 图3 由GGS粒度方程确定的均匀性指数与 水泥抗压强度的关系_I Fi舀3 The relationship between compressive strength and uniformity factor according to Gates- Gaudin-Schuhman plotting ̄ 9] I.B.CelikE ̄gJ还将3 ̄32tLm的颗粒以不同的比例添加到 工业PC42.5R水泥中,然后对比它们对强度的贡献,结果见 图2。这样在考察各粒径区间的基础上,也照顾了各粒径区 间的协同作用。他还将5 ̄20tzm的颗粒分离出来,通过调节 不同配比,得到不同均匀性指数的样品,考察了均匀性指数” (由GGS粒度方程确定)与水泥抗压强度的关系,如图3所 2水泥粒度分布的理论探讨 2.1粒度分布的描述 水泥作为一种细颗粒粉体,其粒度分布可以用RRB方 程来描述。即: R( )一e-(手)” (1) 式中:R( )为粒径 的筛余量, ; 为粒径, m; 为特征 粒径,肚m;1l为均匀性系数。 对方程(1)取两次对数,就可以得到一个直线方程(2),” 就是直线方程的斜率。 Inl“而1=”1rLr--y/l眦 (2) 对于水泥的粒度分布,此方程有一定的局限性。乔龄 山[273指出,当 <1时,RRB方程的适应性很好,但”>1时, 方程的适应性有所下降。此外,对不同粉磨设备制备的水泥 颗粒,其适应性差别也很大。 水泥砂浆的强度与其结构的密实性有很大关系。从这 一点来考虑,如果能够得到一个最佳的堆积密度,就可以达 到降低需水量、减少空隙率的目的,从而提高强度。乔龄 山[2 介绍了最佳堆积密度的理想筛析曲线一Fuller曲线。 其数学式为: R( )一1oo×(告 (3) 式中:戤 )为粒径.27的筛余量, ;d,为筛孔尺寸,tLm;D为 最大颗粒直径, m; 为指数,视颗粒形状特性而定。 乔龄山从此方程出发,结合德国水泥与我国水泥进行了 比较,认为我国水泥细粉(特别是16Fm以下的细颗粒)含量 太少。在后续的研究工作中又详细介绍了国外对采用Ful一 1er曲线描述水泥粒度分布的研究成果。在此,也提到符合 Fuller曲线分布的水泥会带来微细粉过高的问题。 符合Fuller曲线要求的粉体中小于3 m的颗粒要达到 29 ,而前述通过实验得出的比较公认的最佳粒度分布要求 小于3Fm的颗粒要小于10 。胡如进 和张大康[跏等都 提出了这个矛盾并给出了解决的方案。他们认为可以采取 不同的粉磨方式,如将熟料与易磨性好的混合材一起粉磨或 者将难磨的混合材与熟料分别粉磨,让混合材代替尽可能多 的微细颗粒。这样,一方面满足了最佳堆积密度的要求,另 一方面也减少了过细的水泥颗粒量。 冯修吉等同 依据模糊群子理论的基本原理,导出了水泥 体系粒度分布的群子本征方程,并且得到了3个具有明确物 理意义的参数K、r。和,一 ,并将r ・r /K定义为粒径分布的 比分散度。通过实验发现,水泥浆体各龄期抗压强度对3个 参数有很好的依赖关系,认为可以用比分散度综合表征对水 泥性能的影响。 2.2粒度分布与水泥性能的关系 从理论上探讨粒度分布与水泥性能的关系,需要寻找粒 水泥粒度分布对水泥性能影响的研究进展/汪 洋等 度分布与水化反应的联系。20世纪8O年代,许仲梓』 从 Frigione的双粒子模型出发,从数学上论证了当比表面积相 同时,水泥颗粒越均匀(即均匀性指数 值大,粒度分布窄), 水泥浆体强度也越高的结论,并且推广到了任意分布的颗粒 体系,从理论上给出了特征参数7"/与强度的关系。王爱勤 等[ ]从堆积密度的角度用数学方法论证了二元体系中孔隙 率、堆积密度与水化程度的关系,也得出了相似的结论,即水 泥粒度分布越窄,水化程度越高。她的论证可以与最佳堆积 密度联系起来,但是并没有推广到多元体系。其后,她又从 RRB方程出发 I,以孔隙率为纽带,把水泥粒度分布方程、 特征参数与水泥性能联系起来,论证了粒度分布对水泥性能 的影响,认为,一方面,粒度分布越宽,堆积密度越高,孔隙率 越小,强度越高;另一方面,粒度分布越窄,水化速率越快,强 度增长就越快。所以,对于表征分布宽窄的”应该有一个最 佳值。王爱勤等从理论上证明了当 一1时,粒度分布最佳。 3结束语 (1)单一孔径的筛余和比表面积并 能完全反映水泥的 细度,而粒度分布是与水泥性能有明确定量关系的细度参 数,是水泥粉磨细度控制的最终目标。 (2)从理论上给出水泥粒度分布与性能的联系对寻求最 佳粒度分布具有指导意义。但是由于水泥颗粒体系的复杂 性,不能把水泥颗粒简单地看作为一般的粉体。水泥作为一 种粉体,其特殊性在于它的水化反应。在考虑水泥粒度分布 与水泥性能的联系时需要考虑到水泥的水化反应。 (3)水泥的粒度分l布与水泥的生产工艺有密切联系。不 同的粉磨设备如球磨、立磨和行星磨,不同的粉磨方式如分 别粉磨或者混合粉磨都对水泥的粒度分布有影响。所以,详 细考察不同生产工艺的水泥的粒度分布非常重要。 参考文献 1 Bentz Dale P,Garboczi Edward J,Haecker Claus J,et aI. 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