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摘要：用不同组分、不同颗粒组成的水泥标准稠度用水量近似计算水泥颗粒的堆积孔隙率，分析研究了水泥颗粒组成对水泥 颗粒堆积状态的影响规律和贡献。分析结果表明，水泥颗粒堆积孔隙率与水泥的颗粒组成具有良好的相关性，呈线性关系；在 通常水泥的颗粒分布参数中，水泥颗粒的堆积状态与80 μm 筛余、45 μm 筛余最为相关，均匀性系数次之，而与 3 μm 筛余的相 关性最差；在水泥颗粒分布参数中，均匀性系数对水泥颗粒堆积程度的影响最大，80 μm筛余次之。即水泥颗粒的堆积程度主 要受颗粒分布宽窄、水泥中的粗颗粒粒径及含量的控制。在水泥整体粗细程度相近或相同的情况下，水泥颗粒分布越宽、水泥 中的粗颗粒越大以及含量越高，水泥颗粒堆积的越紧密。
关键词：颗粒分布；颗粒堆积程度；孔隙率；标准稠度用水量
引言
在水泥生产中，水泥细度与颗粒 分布已日益受到重视，实验与生产都 已经证明，通过调整水泥和混凝土掺 合料微细粉的颗粒分布，可提高水泥 砂浆与混凝土强度及其密实性。本文 主要阐述水泥颗粒形貌和分布对水 泥与混凝土性能的影响，并简要介绍 了优化水泥颗粒级配的技术途径。
一、颗粒形貌与分布对水泥性能的影响
1.1颗粒形貌对水泥性能的影响 水泥颗粒形貌是水泥颗粒特性的基本参数之一，其对水泥的流动性，标准稠度用水量，凝结时间，水泥石孔结构及其强度等均有影响。
（1）水泥的凝结时间 凝结时间是水泥重要的物理性能之一。在石膏掺量相同，比表面积及颗粒分布相近的情况下，颗粒形貌 改善后，无论是初凝还是终凝，都比 改善前的时间长，平均相差 30min 左 右。这是由于颗粒形貌改善后，颗粒 表面的棱角少，较圆滑，颗粒间搭接 绞合以及粘附力受到影响的结果。
（2）水泥石孔结构与强度 对于相同品种的水泥，球形水泥具有流动性好，标准稠度用水量低，水泥强度高的特点并可改善水泥与 外加剂的相容性。表 1 所列为同 样比表面积和颗粒组成，但其“圆形度”不同的水泥强度的测定结果。颗 粒圆形貌改善后水泥强度提高的主 要原因是，硬化水泥石中的空隙率 低，孔结构得以改善F 大孔含量减 少，细孔增多，导致水泥石孔结构更 密实。因此，我们必须重视粉磨工 艺，尽可能提高水泥的“圆形度”。水 泥粉磨采用球磨机（水泥圆形度为0.86），所得产品（比表面积相同）的圆 形度要比立磨、挤压磨（水泥圆形度 为 0.78）及振动磨（水 泥 圆 形 度 为0.85）高。若在球磨机的细磨仓采用小 钢球代替钢锻，也能提高水泥的圆形度，其效果也很好。
水泥“圆形度”可采用“图像分析 仪”（由光学显微镜、图像板、摄像机 和计算机组成）来测定。摄像得到 的图像是具有一定灰度值的图像，需 按一定的阈值转变为二值图像，颗粒 的二值图像经过实域分割、补洞运 算、去弧立点，目标分离等处理后，将 每个颗粒单独提取出来，逐个测量其 面积、长径、短径与周长等形状参数，根据所得的形状参数。
（2）抗压与劈裂抗拉强度的影响 在水灰比为 0.45 和 K2 级稠度的
混凝土上，n 值小的水泥混凝土强度 与水泥强度有较好的对应关系，而 n 值大的水泥则不然，随着水泥 n 值的 提高混凝土抗压强度提高不明显，或 没有提高甚至还有些下降。究其原 因，一方面是由于在水泥砂浆试体 中，集料（砂）+水泥的综合颗粒分布 更接近最佳堆积密度的理想筛析曲 线（Fuller 曲线），对空隙的填充和颗 粒支撑效应比较好，在混凝土中由于 水泥 n 值的增大，0～20μm 颗粒含量 过多，颗粒分布远离理想的 Fuller 曲 线。另一方面 n 值大的水泥用水量 大，作水泥抗压强度检验时采用固定 水灰比，只要砂浆还有足够的流动 性，可以振实，就没有什么不利影响。但在混凝土上则不同，它使混凝土所 需的用水量和水泥浆含量增大，从而 影响其抗压强度。
对于劈裂抗拉强度的影响。在 7d 令期以下时，水泥颗粒分布的影响与 抗拉强度的相似。n 值大的水泥，若 8～32μm 颗粒含量过多，远高于<8μm 的颗粒含量便会降低劈力抗压强度。为了清除这种影响，我们可通过调整 水泥与混凝土掺合料微细粉的粒径 分布，使水泥浆体处于最佳堆积状 态，从而使水泥混凝土获得最密实的 孔结构和最高的劈裂抗拉强度。
二、水泥颗粒堆积空隙率近似计算的假设和计算
2.1 水泥颗粒堆积空隙率近似计算的假设
水泥颗粒堆积空隙率的近似计算采用标准稠度 用水量进行，并作如下假设：
（1）假设在自加水搅拌的几分钟之内，水泥结 合用水量忽略不计（根据乔龄山[4]介绍的
K.Kuhl?manm 等人的研究结果，水泥的物理用水量超过了 总用水量的90%，化学结合水不足10%）；
（2）基于以上假设，假设水泥的组分不影响水 泥的化学结合用水量；
（3）假设水泥的组分不影响水泥的物理用水 量；
（4）假设覆盖水泥颗粒表面的水膜用水量相同 或忽略不计。
2.2 水泥颗粒堆积空隙率的计算方法及计算结果介绍了一种测定粉体颗粒堆积空隙率的方法——饱和点用水量法。该方法与用维卡仪检测水泥标准稠度用水量法相似，且两者的相关性好。计算方法为：在不含气泡的混合试样中，为水所
充填的空隙体积含量组分是以用水量 nw 来表示，所 达到的堆积密度用下式计算：nw= Vw/（Vk+Vw）=（mw/pw）/（mk/pk+mw/pw）
式中：nw 为水填充的空隙含量分数（体积含量，总 体积量为1）；Vw 为最紧密堆积排列状态下饱和点用 水量体积，cm3；Vk 为称取的固体颗粒体积量，cm3；mw为最紧密堆积排列状态下饱和点用水质量g；mk 为称取的固体颗粒质量，g；pk 为粉体颗粒体积密度，
g/cm3；pw 为水的密度，g/cm3。因为水的密度通常以 pw=1.0g/cm3计入，故（1）式可简化为：nw=mw/（mk/pk+mw）
三、结果分析
3.1 水泥颗粒组成与水泥颗粒堆积孔隙率的关系 在水泥颗粒组成的表征方式上，有筛余（Rx）、特征粒径（X′）、均匀性系数（n）等参数。其中，筛余表征了水泥中某一粒径粗 颗粒的相对质量分数，均匀性系数表征了 水泥颗粒分布的宽窄。虽然特征粒径也是 常用的水泥颗粒组成的表征参数之一，但 其表征的是水泥颗粒的整体粗细程度。因 此，本文利用筛余、均匀性系数表征水泥的 颗粒组成，与水泥颗粒的堆积孔隙率进行 了线性回归，见图1~图4。从图1~图3可以看出，水泥颗粒的堆积 孔隙率与水泥的80 μm 筛余（R80）、45 μm 筛 余（R45）、3 μm 筛余（R3）相关，成线性关系。即随着水泥中80μm筛余、45μm筛余、3μm 筛余的增大，水泥的颗粒堆积孔隙率逐渐 减少，颗粒堆积越紧密。在各表征颗粒粗细的参数中，80 μm 筛余、45 μm 筛余与水泥颗粒的堆积程度最为 相关，而3 μm 筛余稍差，见表 2。表 2 颗粒 参数与相关性系数的结果表明，水泥的颗 粒堆积状态主要与水泥中的粗颗粒大小、含量多少相关；虽然小于3 μm 的颗粒含量 也影响水泥的颗粒堆积状态，但不是主要 相关因素。同时，从颗粒堆积程度与3 μm筛余的关系也可看出，如果单纯提高水泥 中的微粉含量，不一定能够提高水泥颗粒。
的堆积程度。
上述试验结果也证明了水泥品种对这种关系基 本没有影响。也就是在水泥自加水搅拌几分钟内（一般5min），水泥基本没有水化，或水化的很少。从图4和表2看出，水泥颗粒的堆积密度与均匀 性系数也密切相关。但与筛余的规律相反，即均匀 性系数越小、水泥颗粒分布越宽，水泥颗粒堆积越紧 密。因此，我们将80 μm 筛余、45 μm 筛余、3 μm 筛余与均匀性系数拟合（即拟合后的颗粒新参数这 Rx/n）。
四、优化水泥颗粒级配的技术途径
4.1 选用选粉效率高的选粉设备 在圈流磨系统中其选粉设备可
分为三类：离心选粉机、旋风选粉机 和新型高效选粉机（O- sepa 选粉机）。而不同类型选粉机的效率是不同的，在循环负荷相同的条件下，O- sepa 选 粉 机 的 选 粉 效 率（78%）高 于 旋 风 式 选粉机（64%），而旋风式选粉机的选 粉效率又高于离心式选粉机（50%）。同时，选粉效率越高，成品颗粒分布 越集中，较粗颗粒（>45μm）与微粉颗 粒（<3μm）的含量均较少。因此，在确 定粉磨工艺系统的选粉设备形式时，应尽量选用选粉效率高的选粉设备。
4.2 改造磨机内部结构
磨机的内部结构的主要参数为 仓 长 比，目 前 两 仓 长 度 比 例 有 1：2 的，也有接近 1：1 的。1：2 的比例为正 常范围。若超出此范围的仓长比应进 行适当的改造，以使获得一、二仓合 理的筛余的曲线，优化颗粒级配，提 高磨机的产量。
4.3 调整磨内研磨体级配 对于开流长磨，磨内物料的有效
粉磨时间较长，粉磨功能明确，若预 破碎好，研磨体级配合理，细磨仓采 用小钢球。其粉磨效率则可大大提 高。而对开流粉磨一般首选钢锻。
4.4 熟料与混合材共同粉磨[4，8] 在熟料中加入一些易磨性好的
混合材如石灰石，粉煤灰等共同粉 磨，可提供更多的<3μm 颗粒，从而优 化水泥的颗粒级配。
4.5 熟料与混合材分别粉磨[4，8] 对于比熟料难粉磨的混合材宜采用分别粉磨然后混合的方法，也同 样可达到所优化的颗粒级配。
4.6 在预拌混凝土中加入磨细粉物 掺合料
在预拌混凝土的生产中已广泛 采用掺矿物掺合料的技术，使矿物掺合料的粒径比水泥的粒径小，最好为 水泥粒径的 0.414 倍或更小[12]。如矿 渣的比表面积>450m2 /kg，粉煤灰的 比表面积达到 500m2 /kg 或 45μm 的 筛<12%，则可改善水泥（或胶凝材 料）的级配，节约水泥，降低成本和提 高混凝土的耐久性。
水泥颗粒分布的重要性已为大 家所公认。本文简单介绍了部分国内 外学者的研究成果与生产实践的经 验，要真正了解和掌握颗粒组成对水 泥性能的影响，并通过调整颗粒组成 达到改善水泥与混凝土性能的目的，还要进一步进行深入的研究，才能不 断提高水泥的产质量，使水泥与水泥 混凝土真正发展成为能满足我国现 代化建设所需求的高性能建筑材料。
结束语
经过试验分析，可以得出如下结论：
（1）水泥颗粒堆积程度与水泥的颗粒组成密切 相关，且呈线性关系；
（2）在水泥颗粒组成参数中，水泥颗粒的堆积 状态与80 μm 筛余、45 μm 筛余最为相关，均匀性系 数次之，与3μm 筛余的相关性最差；当将筛余与均 匀性系数拟合后，80 μm 筛余、45 μm 筛余拟合后的 相关性基本不变，3 μm 筛余拟合后相关性系数大幅 度提高；济贡献逐渐占据主导地位。但目前知识密集型企业 对知识产权的保护意识、保护理念、保护方法和保护 投入等方面仍存在不少问题，需要引起足够注意。
（2）知识密集型企业要很好实施对自身知识产 权的保护，需从机构设置、保护投入、管理制度建立、相关知识培训和分配激励机制等多个方面着手，做 好相关工作。知识产权的规范管理，将极大促进企 业知识产权的创造、发展、应用和保护，从而提高企 业的国际竞争优势。
（3）在当今信息爆炸的知识经济时代，各种信 息交流平台为我们打开了众多的信息窗口。作为知 识密集型企业要充分利用这些窗口，了解自我知识 产权的申请、审批和保护状态，宣传推广自身知识产 权和技术成果的应用与拓展，了解搜索自身知识产 权是否存在被侵权的情况等，从而能更好的发展自 身，引领行业。
参考文献
[1]徐培涛.水泥颗粒的表征及其研究方法.水泥.2011.07
[2]王根.东莞企业知识产权保护战略研究.华中师范大学2013.06
[3]樊粤明.水泥颗粒分布 及 其使用性能的影响.水泥.2016.07
论文作者:周坤
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第19期
论文发表时间:2018/11/12
标签：水泥论文; 颗粒论文; 用水量论文; 混凝土论文; 粒径论文; 含量论文; 系数论文; 《建筑学研究前沿》2018年第19期论文;