水泥最佳顆粒級(jí)配及激光粒度分析方法的應(yīng)用

鄒 波王 軍鄒偉斌

1. 四川省星船城水泥股份有限公司，四川 資中 641200；2. 中國(guó)建材工業(yè)經(jīng)濟(jì)研究會(huì)水泥專業(yè)委員會(huì)，北京 100024

水泥最佳顆粒級(jí)配及激光粒度分析方法的應(yīng)用

鄒 波1王 軍1鄒偉斌2

1. 四川省星船城水泥股份有限公司，四川 資中 641200；2. 中國(guó)建材工業(yè)經(jīng)濟(jì)研究會(huì)水泥專業(yè)委員會(huì)，北京 100024

水泥中的顆粒分布及其優(yōu)化對(duì)水泥以及混凝土強(qiáng)度、性能及外加劑適應(yīng)性的影響，包括不同的粉磨工藝對(duì)水泥產(chǎn)量、質(zhì)量特別是能耗的影響，越來(lái)越受到水泥工程技術(shù)人員的重視。激光粒度分析方法改變了傳統(tǒng)水泥僅憑細(xì)度（篩余）和比表面積進(jìn)行粉磨質(zhì)量參數(shù)控制的思路。激光粒度分析可非常直觀地顯示水泥成品的顆粒分布范圍，對(duì)調(diào)整水泥顆粒級(jí)配、穩(wěn)定控制產(chǎn)品質(zhì)量，特別對(duì)在利用工業(yè)副產(chǎn)品資源降低水泥生產(chǎn)成本方面帶來(lái)很大便利。

激光粒度儀 顆粒分布 水泥質(zhì)量

0 引言

GB 175-2007《通用硅酸鹽水泥》新標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施后，我國(guó)水泥質(zhì)量控制較之以前有了很大改變，控制水平也隨之提高，水泥細(xì)度及比表面積的控制方式已不再單一。而水泥中的顆粒分布及其優(yōu)化對(duì)水泥以及混凝土強(qiáng)度、性能及外加劑適應(yīng)性的影響，包括不同的粉磨工藝對(duì)水泥產(chǎn)、質(zhì)量，特別是能耗的影響，越來(lái)越受到水泥技術(shù)人員的重視。激光粒度分析在水泥生產(chǎn)中的應(yīng)用也日趨廣泛，也直接影響著水泥產(chǎn)量、質(zhì)量及成本控制。本文就實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用激光粒度儀的相關(guān)技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行探討。

1 水泥最佳顆粒級(jí)配的意義

隨著現(xiàn)代混凝土技術(shù)及水泥粉磨技術(shù)的發(fā)展，用戶對(duì)水泥的質(zhì)量及使用性能的要求也不斷在提高，從混凝土耐久性的角度出發(fā)，除要求水泥有足夠高的強(qiáng)度外，對(duì)水泥的工作性能以及和外加劑的適應(yīng)性也提出了技術(shù)要求，由于水泥的工作性能與水泥的顆粒分布密切相關(guān)，單一的比表面積或指定篩孔篩余的控制方法，已不能滿足了解水泥粉體中不同粒徑分布情況的要求。一般規(guī)律是：在水泥比表面積或篩余一定的前提下，顆粒分布越窄，則水泥的標(biāo)準(zhǔn)需水量越大，與混凝土外加劑的適應(yīng)性就越差，必須增加外加劑使用量，從而導(dǎo)致單方混凝土制備成本提高，商混攪拌站對(duì)此反映強(qiáng)烈。反之，顆粒分布越寬，則水泥的標(biāo)準(zhǔn)需水量越小，與外加劑的適應(yīng)性就越好。當(dāng)熟料質(zhì)量較好（如堿含量與C3A較低、還原料少等）、混合材品種（如：?；郀t礦渣、鋼渣、適量石灰石等）與粉磨工藝相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，水泥標(biāo)準(zhǔn)需水量亦變化不大；不同粒徑的水泥顆粒對(duì)強(qiáng)度及水泥性能起到不同的作用，對(duì)水泥膠砂強(qiáng)度的發(fā)揮也不盡相同，并非水泥磨得越細(xì)，或超細(xì)粉含量越高，水泥的膠砂強(qiáng)度及工作性能就越好，而是適宜的水泥粒徑及含量才能對(duì)水泥的膠砂強(qiáng)度及工作性能起到至關(guān)重要的作用。如何在水泥粉磨過(guò)程中對(duì)顆粒分布進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，使其顆粒級(jí)配變寬，從而有效降低水泥標(biāo)準(zhǔn)需水量，提高水泥與混凝土適應(yīng)性能，成為水泥企業(yè)面臨的技術(shù)問(wèn)題。在獲得高強(qiáng)度及工作性能的同時(shí)，還需要兼顧水泥粉磨成本，因此，與水泥制造成本相關(guān)的最佳顆粒組成就成為水泥工作者重點(diǎn)研究的課題。

2 水泥粉磨中常規(guī)控制缺陷及激光粒度分析儀的作用

目前，國(guó)內(nèi)水泥粉磨過(guò)程中最常規(guī)的手段是控制水泥的細(xì)度（篩余）與比表面積。而細(xì)度控制僅能夠大致判斷出水泥中最大顆粒所占的比例，無(wú)法詳細(xì)了解水泥平均粒徑，更不能測(cè)定出水泥是否存在“過(guò)粉磨”現(xiàn)象；而比表面積也只能從水泥顆粒的總表面積大小去判斷水泥的粗、細(xì)程度。理論上講：比表面積越高，水泥顆粒粒徑整體下降，對(duì)應(yīng)的篩余相對(duì)較小。因?yàn)闆Q定比表面積高低的是＜5μm的細(xì)顆粒含量；但實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，往往因?yàn)榛旌喜钠贩N與易磨性以及熟料品種、燒結(jié)程度、冷卻狀況、易磨性等指標(biāo)不同導(dǎo)致水泥成品比表面積高而細(xì)度（篩余）也大（如使用天然或人工火山灰：沸石、凝灰?guī)r、燒矸石、粉煤灰、鍋爐渣等）或比表面積低但細(xì)度篩余小（如：材料易磨性好、使用助磨劑等）的情況，但對(duì)水泥中不同顆粒的具體分布無(wú)法作出準(zhǔn)確的判斷，對(duì)調(diào)整水泥的性能及磨機(jī)的級(jí)配不能提供全面、準(zhǔn)確的依據(jù)。采用激光粒度分析方法，能非常準(zhǔn)確地判斷出水泥中不同粒徑顆粒的含量分布情況，對(duì)掌握磨機(jī)粉磨系統(tǒng)狀況及指導(dǎo)研磨體級(jí)配調(diào)整與粉磨工藝技術(shù)改造提供最直接的數(shù)據(jù)支持。現(xiàn)階段，激光粒度分析儀已成為水泥企業(yè)指導(dǎo)水泥粉磨系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo)調(diào)整過(guò)程的重要工具。

3 最佳顆粒級(jí)配的探討

由于新標(biāo)準(zhǔn)中取消了P·O32.5級(jí)水泥，因此，企業(yè)在生產(chǎn)P·O42.5級(jí)水泥時(shí)，根據(jù)成品各齡期膠砂強(qiáng)度增長(zhǎng)率，將比表面積控制值提高至(370±10)m2/kg甚至更高；對(duì)于水泥的顆粒分布，部分專家認(rèn)為我國(guó)水泥中的細(xì)顆粒含量偏少，普遍遠(yuǎn)離Fuller曲線。然而國(guó)內(nèi)外混凝土界卻有不同的看法：美國(guó)的Burrows在他的專著《混凝土中的可見(jiàn)與不可見(jiàn)裂紋》中列舉了大量高強(qiáng)混凝土由于大的收縮、自收縮和溫度變形以及接近于零徐變引起的結(jié)構(gòu)嚴(yán)重開(kāi)裂的實(shí)例，提出“即使?jié)B透性很小的高強(qiáng)混凝土當(dāng)存在裂紋時(shí)，裂紋成了侵蝕介質(zhì)進(jìn)入混凝土的便捷通道”[1]。我國(guó)著名混凝土專家黃士元對(duì)水泥的“高早強(qiáng)、高比表面積”也提出了異議，認(rèn)為這是導(dǎo)致預(yù)拌混凝土早期產(chǎn)生裂縫的主要原因之一，他對(duì)水泥行業(yè)提出了“適當(dāng)?shù)臉?biāo)號(hào)和不太高的3 d強(qiáng)度”、“細(xì)度不要磨得太細(xì)”、“比表面積應(yīng)控制在300～320 m2/kg左右”[2]的呼聲。生產(chǎn)實(shí)踐亦證實(shí)：太細(xì)的水泥顆粒必然導(dǎo)致水泥粉磨臺(tái)產(chǎn)的降低、能耗指標(biāo)提高以及生產(chǎn)成本的增加；學(xué)術(shù)界公認(rèn)的成品水泥適宜的顆粒粒徑分布應(yīng)為：＜3 μm顆粒一般控制在8%～12%范圍為宜，不能太多，3 μm～32 μm顆粒應(yīng)達(dá)到60%～65%甚至更多，粒徑在16 μm～24 μm之間顆粒越多越好，＞65 μm的顆粒水化速度極慢，主要作為填充料，相對(duì)于制造成本較高的熟料而言是一種浪費(fèi)，應(yīng)越少越好。

而在水泥行業(yè)的專業(yè)文獻(xiàn)中卻存在兩個(gè)矛盾的顆粒級(jí)配，一個(gè)是關(guān)于水泥最佳性能的顆粒級(jí)配，一個(gè)是符合緊密堆積的Fuller曲線的水泥顆粒級(jí)配（Fuller曲線要求＜3μm顆粒應(yīng)達(dá)到29%）。然而，相對(duì)于水泥企業(yè)而言，必須面對(duì)實(shí)際生產(chǎn)工藝與產(chǎn)品性能以及行業(yè)現(xiàn)狀和混凝土施工要求，同時(shí)，結(jié)合水泥粉磨能耗指標(biāo)與混合材料品種選擇及制造成本等多方面因素進(jìn)行綜合考慮，應(yīng)以滿足水泥質(zhì)量指標(biāo)為前提。

4 不同顆粒級(jí)配對(duì)水泥產(chǎn)質(zhì)量的影響

筆者在公司兩條相同工藝配置的水泥粉磨生產(chǎn)線做了相應(yīng)的工業(yè)性試驗(yàn)：在使用相同熟料、混合材（主要為?；郀t礦渣）、石灰石、石膏的前提下生產(chǎn)同一品種同等級(jí)水泥。粉磨線主機(jī)設(shè)備采用140-80輥壓機(jī)（通過(guò)能力360 t/h，主電機(jī)功率560 kW×2）+V型選粉機(jī)+旋風(fēng)收塵器+Φ3.8 m×13 m雙倉(cāng)管磨機(jī)（筒體工作轉(zhuǎn)速16.6 r/min，主電機(jī)功率2 800 kW，研磨體裝載量180 t～190 t）+O-Sepa N-3000（主軸電機(jī)功率160 kW，選粉風(fēng)量180 000 m3/h，喂料能力540 t/h，選粉能力108～180 t/h）高效選粉機(jī)組成的雙閉路聯(lián)合粉磨系統(tǒng)進(jìn)行了不同品種、等級(jí)水泥的粉磨試驗(yàn)，對(duì)不同顆粒級(jí)配下的水泥強(qiáng)度以及產(chǎn)量、質(zhì)量等技術(shù)指標(biāo)作了詳細(xì)對(duì)比。我公司采用激光粒度儀分析分析了不同的顆粒級(jí)配水泥，其粒度分布見(jiàn)圖1～圖5。

圖1 水泥樣品1的粒度分布

圖3 水泥樣品3的粒度分布

圖1 ～圖5中不同顆粒級(jí)配的水泥產(chǎn)量、質(zhì)量對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1可以看出：3 μm～32 μm顆粒含量對(duì)水泥強(qiáng)度發(fā)揮影響較大，含量在60%～65%之間時(shí)強(qiáng)度增進(jìn)率較高，但此區(qū)間顆粒分布比例過(guò)高時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)量下降非常顯著（8～10 t/h左右），綜合考慮生產(chǎn)成本不可取。從表1中數(shù)據(jù)可知：本公司水泥3 μm～32 μm顆粒含量在60%～65%左右時(shí)是相對(duì)經(jīng)濟(jì)的，且水泥質(zhì)量較好，噸成本亦較低。

圖4 水泥樣品4的粒度分布

圖5 水泥樣品5的粒度分布

5 顆粒級(jí)配調(diào)整中出現(xiàn)的問(wèn)題及處理措施

5.1 出現(xiàn)的問(wèn)題

（1）入V選物料打散與分級(jí)效果較差，提供給磨機(jī)的物料3μm～32μm顆粒含量?jī)H18%左右，且0.2 mm的篩余最高時(shí)達(dá)6%左右，粗細(xì)顆粒物料明顯不均勻，磨機(jī)負(fù)荷較重，且由于粗顆粒的含量較多，不易于磨機(jī)球配的調(diào)整。

表1 不同顆粒級(jí)配水泥產(chǎn)量、質(zhì)量對(duì)比

（2）當(dāng)磨機(jī)球配不合理與選粉機(jī)用風(fēng)及主軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)調(diào)節(jié)時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)水泥比表面積高但細(xì)度（篩余）卻偏粗的情況。

（3）磨機(jī)用風(fēng)參數(shù)調(diào)整不合理，磨尾負(fù)壓過(guò)大或過(guò)小，系統(tǒng)循環(huán)負(fù)荷及選粉效率不相適應(yīng)，不能更好地發(fā)揮磨機(jī)與選粉機(jī)的功效。

（4）輥壓機(jī)輥面與側(cè)擋板磨損或因工作壓力及輥縫控制不當(dāng)，不能形成適宜的料餅，輥壓機(jī)擠壓做功能力較差。

5.2 解決措施

（1）為有效解決入V選物料打散效果，在入V選下料管中設(shè)置了三道倒V形打散棒，呈三角形分布，自上而下的物料經(jīng)三道打散棒后，入V選物料打散、分級(jí)效果明顯好轉(zhuǎn)，入磨物料0.2 mm篩余降至3%左右，0.080m m篩余由35%降至20%左右。

（2）為給磨機(jī)提供顆粒均勻的物料，對(duì)V選的導(dǎo)風(fēng)板進(jìn)行調(diào)節(jié)。遮擋一、二級(jí)進(jìn)、出風(fēng)口導(dǎo)風(fēng)板，人為地將V選選粉用風(fēng)下壓至物料分散效果更佳的區(qū)域，導(dǎo)風(fēng)板開(kāi)度調(diào)節(jié)前兩級(jí)減小，而后級(jí)加大開(kāi)度，有效提高V選選粉量及選粉效率。通過(guò)上述兩種方法調(diào)節(jié)后，入磨物料3μm～32μm顆粒含量達(dá)26%左右，且0.2 mm的篩余為零，有效減小了磨機(jī)粉磨負(fù)荷。

（3）輥壓機(jī)輥面應(yīng)保持完整，當(dāng)輥壓機(jī)輥面“一字紋”磨損到一定程度時(shí)，必須及時(shí)補(bǔ)焊；工作輥縫調(diào)節(jié)改為液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)，及時(shí)準(zhǔn)確；側(cè)擋板磨損嚴(yán)重，且物料會(huì)向側(cè)擋板部位滑移導(dǎo)致漏料而影響做功，在側(cè)擋板空檔位置加層耐磨圓弧形凸起，有效解決了此問(wèn)題，提高了輥壓機(jī)做功能力。

（4）當(dāng)粉磨過(guò)程中成品水泥出現(xiàn)0.080 mm篩余較高而比表面積也較高時(shí)，應(yīng)適當(dāng)考慮增加部分Φ50 mm的大球，增強(qiáng)粉磨效果；當(dāng)出現(xiàn)0.080 mm篩余較少而比表面積卻不高時(shí)，就適當(dāng)考慮加大、中、小球的合理級(jí)配，增加研磨能力，以提高出磨水泥比表面積。筆者經(jīng)長(zhǎng)期對(duì)水泥質(zhì)量跟蹤測(cè)試總結(jié)認(rèn)為，針對(duì)本公司生產(chǎn)線而言，適宜的控制參數(shù)為：當(dāng)成品0.080 mm篩余控制在0.8%～1.2%范圍，而比表面積在350 m2/kg左右時(shí)效果較好，水泥使用性能更優(yōu)。

（5）磨機(jī)參數(shù)調(diào)節(jié)對(duì)水泥質(zhì)量控制影響較大，曾出現(xiàn)循環(huán)負(fù)荷70%而選粉效率80%的情況，也有循環(huán)負(fù)荷≥200%而選粉效率＜40%的情況。因此，在設(shè)備允許的情況下，適宜的循環(huán)負(fù)荷和選粉效率能帶來(lái)更好的粉磨效果。筆者認(rèn)為：應(yīng)根據(jù)物料易磨性及系統(tǒng)工藝參數(shù)，循環(huán)負(fù)荷控制在70%～150%之間，選粉效率達(dá)到60%～70%是比較適宜的。

（6）目前有在V選后增加一級(jí)選粉機(jī)的工藝改造，磨機(jī)提產(chǎn)能達(dá)到20%～30%，包括O-Sepa選粉機(jī)提高選粉效率的內(nèi)部改造。水泥粉磨系統(tǒng)已形成多元化，增產(chǎn)節(jié)電潛力較大。

（7）經(jīng)測(cè)定磨尾收塵器收集的細(xì)粉，比表面積可達(dá)400～450 m2/kg，不再進(jìn)入選粉機(jī)分級(jí)，直接送入成品庫(kù)。

6 工業(yè)粉煤灰對(duì)水泥顆粒級(jí)配的調(diào)節(jié)

公司本地?fù)碛胸S富的低價(jià)工業(yè)粉煤灰的資源，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，粉煤灰中含有較高比例＜33 μm的超細(xì)顆粒，直接摻入成品水泥中，具有調(diào)節(jié)水泥最佳顆粒級(jí)配的作用，從而達(dá)到提高水泥質(zhì)量、降低水泥成本的目的。

筆者就此方案做了工業(yè)性試驗(yàn)，將粉煤灰不經(jīng)過(guò)磨機(jī)按不同比例直接摻入水泥中，做膠砂強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)，得出最佳級(jí)配組合方案。

幾種樣品激光粒度分析結(jié)果見(jiàn)圖6～圖10。

圖6 工業(yè)粉煤灰顆粒分布

圖7 P·C32.5R水泥顆粒分布

從圖6～圖10可以看出：細(xì)粉煤灰中＜3 μm顆粒含量較高，直接摻入水泥中可調(diào)整水泥的顆粒級(jí)配，充分發(fā)揮粉煤灰所具有的“微集料填充效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)、火山灰活性效應(yīng)”優(yōu)勢(shì)，從而達(dá)到提高水泥強(qiáng)度及工作性能的目的。在摻入不同含量粉煤灰后，水泥級(jí)配中＜3 μm顆粒含量明顯增加，由于粉煤灰的易磨性比熟料要差，共同粉磨過(guò)程中仍會(huì)產(chǎn)生粉磨速度梯度差，相對(duì)而言，主導(dǎo)強(qiáng)度發(fā)展的3 μm～32 μm熟料顆粒比例隨之提高，對(duì)調(diào)節(jié)水泥顆粒分布大有裨益。水泥膠砂強(qiáng)度結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2可以看出，兩種水泥在摻入不同比例粉煤灰后，對(duì)水泥膠砂強(qiáng)度基本無(wú)影響，但混合材摻入量卻大大增加，噸水泥構(gòu)成中的材料成本明顯下降，標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量均在28%以下，經(jīng)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析認(rèn)為此方案可行。

圖8 摻5% 粉煤灰的P·C32.5R水泥顆粒分布

圖9 P·O42.5R水泥顆粒分布

圖10 摻3%粉煤灰P·O42.5R水泥顆粒分布

表2 不同粉煤灰摻量的不同品種水泥膠砂強(qiáng)度

7 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐證明，激光粒度分析應(yīng)用于水泥生產(chǎn)中，在水泥粉磨及質(zhì)量控制過(guò)程中起到了指導(dǎo)性作用。不論是工藝參數(shù)的調(diào)整，還是磨內(nèi)的改造、鋼球級(jí)配的調(diào)整等，可有效用于生產(chǎn)。改變了傳統(tǒng)水泥僅憑細(xì)度（篩余）和比表面積進(jìn)行粉磨質(zhì)量參數(shù)控制的思路。激光粒度分析可非常直觀地顯示水泥成品的顆粒分布范圍，對(duì)調(diào)整水泥顆粒級(jí)配、穩(wěn)定控制產(chǎn)品質(zhì)量，特別是對(duì)工業(yè)副產(chǎn)品資源的科學(xué)利用帶來(lái)了便利。

[1] Richard W. Burrows（美國(guó)）.The visible and invisible cracking of concrete Acl.1998.

[2] 黃士元.高性能混凝土發(fā)展的回顧與思考[J].混凝土，2003（7）：1-9.

2014-10-21)

TQ172.11

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1008-0473(2015)01-0012-05

10.16008/j.cnki.1008-0473.2015.01.003