水泥熟料粒徑與性能關(guān)系的探討

馮 翔（葛洲壩嘉魚水泥有限公司，湖北 咸寧 437000）

0 引言

現(xiàn)代社會，水泥是目前用量最大，用途最廣的土木工程材料，其本身需要具有高強(qiáng)度、高工作性、高耐久性等性能。按我國水泥標(biāo)準(zhǔn)，對于出廠水泥強(qiáng)度的品質(zhì)是按各齡期考核的，出廠水泥的各齡期強(qiáng)度均不得低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的齡期強(qiáng)度，否則視為不合格品。研究表明，影響水泥質(zhì)量和使用性能的因素很多，包括水泥熟料的質(zhì)量、粉末工藝條件和參數(shù)、混合材的種類和摻量等，其中最主要的影響因素就是水泥熟料的質(zhì)量。熟料冷卻時會形成大小不同的顆粒，不同粒徑的熟料顆粒對其各齡期強(qiáng)度的貢獻(xiàn)是不相同的，本文就水泥熟料粒徑對其強(qiáng)度的影響機(jī)制進(jìn)行分析，探討更好的粒徑區(qū)間，從而正確地指導(dǎo)生產(chǎn)和實踐。

1 實驗及結(jié)果

（1）熟料粒徑與熟料凈漿強(qiáng)度。為了探討熟料不同粒徑與其性能之間的關(guān)系，熟料取自本公司某一穩(wěn)定運(yùn)行時間段，取樣之后，依次使用5mm圓孔篩和30mm方孔篩篩出粒徑小于5mm（編號K1），5～30 mm（編號K2）和大于30 mm（編號K3）的熟料各10kg，每種稱出5kg摻入5%的磷石膏后進(jìn)行小磨實驗對比，控制比表面積相近，然后測定不同粒徑區(qū)間的熟料各齡期強(qiáng)度，結(jié)果見表1。

表1 不同粒徑熟料強(qiáng)度的測定結(jié)果

從表1中可以看出，熟料粒徑小于5mm時，3d強(qiáng)度較高，28d強(qiáng)度最高，達(dá)到了64.1MPa；熟料粒徑為5～30mm時，3d強(qiáng)度最高，28d強(qiáng)度較高；而熟料粒徑大于30mm時3d強(qiáng)度最低，28d強(qiáng)度也最低，與最高的相比低了10.5MPa。這表明，熟料顆粒粒徑對其抗壓強(qiáng)度有很大的影響，在一定范圍內(nèi)，粒徑越小，熟料的28d強(qiáng)度越高。

（2）熟料粒徑與熟料化學(xué)成分。用X射線熒光分析儀對上述實驗中不同粒徑的熟料試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表2。由表2可看出：不同粒徑的熟料試樣,SiO2、MgO、Na2O含量以及計算出的飽和比相差不大，Al2O3、Fe2O3、CaO和SO3含量均和熟料粒徑成反比，K2O含量及計算出的硅率、鋁率和熟料粒徑成正比。

表2 不同粒徑熟料化學(xué)分析測定結(jié)果

（3）熟料粒徑與熟料礦物組成。分別對K1、K2、K3熟料樣本進(jìn)行了XRD分析，結(jié)果見3。從表3中可以看出，熟料粒徑越小，A礦M1型含量越高，M3型含量越低，其中K1樣品的A礦M1型比率幾乎是另外兩個樣品的兩倍，三個樣品的A礦合計相差不大。熟料K1、K3中β型B礦含量較高，三個樣品的αH型B礦含量和熟料粒徑成反比，α型B礦含量都很低，均沒有會導(dǎo)致粉化的γ型B礦，B礦合計含量不到A礦合計含量的1/4。三個樣品中的C3A合計含量K2最高，K3其次，K1最低，C4AF含量與粒徑成反比。

表3 不同粒徑熟料XRD測定結(jié)果 %

（4）熟料粒徑與巖相分析。K1、K2、K3熟料樣品巖相見圖4～6。

圖4 K1熟料樣品巖相照片（200×）

圖5 K2熟料樣品巖相照片（200×）

圖6 K3熟料樣品巖相照片（200×）

對比三個樣品的巖相照片，可以看出，K1熟料樣品的阿利特尺寸大，晶體發(fā)育完整，可見二次貝利特，說明煅燒溫度較高。而K2、K3熟料樣品的晶體尺寸相對較小，孔洞相對較多，游離鈣礦巢較多，可見游離鈣與貝利特相鄰而未反應(yīng)的情況，而且因結(jié)粒大，部分熟料中心有未燒透的現(xiàn)象。

2 實驗結(jié)果分析

水泥熟料是由阿里特和貝利特等4種礦物晶體組成的，其中阿利特是硅酸鹽水泥的主要礦物，具備硅酸鹽水泥的主要性能，有很大的活化水性，并對水泥的各種性質(zhì)有著重要的影響，貝利特是硅酸鹽水泥的重要組成。阿利特礦物晶體平均尺寸約在65μm以下，貝利特礦物晶體平均尺寸約為55 μm以下，通過液相將這些幾十μm的小晶體“膠結(jié)”在一起?？梢?，液相的數(shù)量和性質(zhì)（粘度和表面張力）對熟料結(jié)粒的形成起著至關(guān)重要的作用。要使熟料結(jié)好粒，必須有足夠的液相，并要求顆粒在液相內(nèi)分布均勻，形成較高的表面張力，較低的液相粘度，適宜的結(jié)粒時間和溫度等。因此，影響熟料結(jié)粒大小的最根本因素是液相的數(shù)量和性質(zhì)。熟料液相量太少不易結(jié)粒，太多易結(jié)成致密的大塊熟料；液相表面張力大易結(jié)粒；不同成分熟料的液相粘度值是不同的，液相粘度還與溫度有關(guān)，隨溫度的上升而下降，一般說來液相粘度值減少，有利于熟料結(jié)粒[1]。

根據(jù)謝小云[2]等的研究，熟料中的堿含量、鋁率偏高表示高溫液相粘度偏大，導(dǎo)致熟料煅燒更容易結(jié)大塊，而一些有害成分（主要是堿含量、三氧化硫和氧化鎂等以液相狀態(tài)出現(xiàn)的組分）會降低液相的表面張力，導(dǎo)致熟料結(jié)粒困難。阿利特的形成條件是良好的煅燒溫度和液相量，二者缺一不可，一般在配料中必須考慮合適的液相量（26%～28%），如果配料中硅酸鹽礦物含量高，即硅率偏高，煅燒過程中液相就出現(xiàn)較慢，而且液相量偏少，所需的燒成溫度變高，熟料結(jié)粒困難。

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，本次實驗中粒徑最小的K1樣品，硅率、鋁率、堿和三氧化硫含量都最低，表明高溫液相粘度較低，表面張力較大時，熟料更容易結(jié)粒形成小顆粒。

熟料所含四種主要礦物都有多種晶型。C3S是決定熟料強(qiáng)度特性的主要成分，共有7種晶型，工業(yè)熟料中一般是M1型和M3型，通常認(rèn)為其對稱性高的晶型強(qiáng)度高，R型強(qiáng)度最強(qiáng)，M1型比M3型的強(qiáng)度高10%左右。C2S有5種晶型，水泥熟料在燒結(jié)溫度1425℃會生成α-C2S，如果緩慢冷卻會轉(zhuǎn)化成水硬性微弱的γ-C2S，并發(fā)生粉化現(xiàn)象，俗稱黃心料，粉化后的熟料強(qiáng)度很低，甚至沒有強(qiáng)度。如果急速冷卻至670℃，會轉(zhuǎn)化為介穩(wěn)狀態(tài)的β-C2S并伴隨玻璃相的生成。β-C2S熱力學(xué)不穩(wěn)定，活性較高，但不如C3S，故水化速率較C3S慢，但是晚期強(qiáng)度會逐漸增加。純凈的C3A是立方晶體，但在Na的取代下，會轉(zhuǎn)變成含Na的活性較低的立方晶體和斜方晶體，立方晶體的活性大于斜方晶體。C4AF水化速率慢，且早期和晚期強(qiáng)度都比較低。

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)，三個樣品中阿利特合計含量相近，但是K1中M1型阿利特含量最高，M1型比率幾乎是另外兩個樣品的兩倍，所以K1樣品的28d強(qiáng)度應(yīng)該最高；K2中C3A的含量最高，C3A水化速度最快，1d內(nèi)就可以具有較高的強(qiáng)度，主要提供水泥的早期強(qiáng)度，所以K2的3d強(qiáng)度是最高的。

根據(jù)三種熟料礦物巖相結(jié)果，可以看到結(jié)粒小的熟料其C2S和游離鈣反應(yīng)生成C3S更完全，阿利特的含量增加，游離鈣的減少，對熟料強(qiáng)度提高都是有利的。結(jié)粒大的熟料，中心還未反應(yīng)完全就被包裹，殘留的游離鈣就多，熟料性能自然就會降低。

3 結(jié)語

通過對不同粒徑的熟料顆粒進(jìn)行凈漿強(qiáng)度、化學(xué)成分、礦物組成的比較，可以得出如下結(jié)論：在相同的煅燒條件下，隨著熟料粒徑變大，其3d強(qiáng)度會先增加再減小，28d強(qiáng)度會不斷減小。而熟料粒徑的大小，可以通過改變高溫液相出現(xiàn)的溫度和速度，高溫液相的粘度和表面張力來調(diào)節(jié)，具體就是調(diào)整熟料的硅率、鋁率以及有害成分（堿、三氧化硫和氧化鎂）的含量，在保證窯內(nèi)煅燒正常的前提下，使熟料結(jié)粒更小，可以提高熟料中阿利特的含量，減少游離鈣的殘留，從而提高熟料性能。