水泥最佳颗粒级配及激光粒度分析方法的应用

邹 波王 军邹伟斌

1. 四川省星船城水泥股份有限公司，四川 资中 641200；2. 中国建材工业经济研究会水泥专业委员会，北京 100024

水泥最佳颗粒级配及激光粒度分析方法的应用

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1. 四川省星船城水泥股份有限公司，四川 资中 641200；2. 中国建材工业经济研究会水泥专业委员会，北京 100024

水泥中的颗粒分布及其优化对水泥以及混凝土强度、性能及外加剂适应性的影响，包括不同的粉磨工艺对水泥产量、质量特别是能耗的影响，越来越受到水泥工程技术人员的重视。激光粒度分析方法改变了传统水泥仅凭细度（筛余）和比表面积进行粉磨质量参数控制的思路。激光粒度分析可非常直观地显示水泥成品的颗粒分布范围，对调整水泥颗粒级配、稳定控制产品质量，特别对在利用工业副产品资源降低水泥生产成本方面带来很大便利。

激光粒度仪 颗粒分布 水泥质量

0 引言

GB 175-2007《通用硅酸盐水泥》新标准实施后，我国水泥质量控制较之以前有了很大改变，控制水平也随之提高，水泥细度及比表面积的控制方式已不再单一。而水泥中的颗粒分布及其优化对水泥以及混凝土强度、性能及外加剂适应性的影响，包括不同的粉磨工艺对水泥产、质量，特别是能耗的影响，越来越受到水泥技术人员的重视。激光粒度分析在水泥生产中的应用也日趋广泛，也直接影响着水泥产量、质量及成本控制。本文就实际生产中应用激光粒度仪的相关技术问题进行探讨。

1 水泥最佳颗粒级配的意义

随着现代混凝土技术及水泥粉磨技术的发展，用户对水泥的质量及使用性能的要求也不断在提高，从混凝土耐久性的角度出发，除要求水泥有足够高的强度外，对水泥的工作性能以及和外加剂的适应性也提出了技术要求，由于水泥的工作性能与水泥的颗粒分布密切相关，单一的比表面积或指定筛孔筛余的控制方法，已不能满足了解水泥粉体中不同粒径分布情况的要求。一般规律是：在水泥比表面积或筛余一定的前提下，颗粒分布越窄，则水泥的标准需水量越大，与混凝土外加剂的适应性就越差，必须增加外加剂使用量，从而导致单方混凝土制备成本提高，商混搅拌站对此反映强烈。反之，颗粒分布越宽，则水泥的标准需水量越小，与外加剂的适应性就越好。当熟料质量较好（如碱含量与C3A较低、还原料少等）、混合材品种（如：粒化高炉矿渣、钢渣、适量石灰石等）与粉磨工艺相对稳定时，水泥标准需水量亦变化不大；不同粒径的水泥颗粒对强度及水泥性能起到不同的作用，对水泥胶砂强度的发挥也不尽相同，并非水泥磨得越细，或超细粉含量越高，水泥的胶砂强度及工作性能就越好，而是适宜的水泥粒径及含量才能对水泥的胶砂强度及工作性能起到至关重要的作用。如何在水泥粉磨过程中对颗粒分布进行调节和控制，使其颗粒级配变宽，从而有效降低水泥标准需水量，提高水泥与混凝土适应性能，成为水泥企业面临的技术问题。在获得高强度及工作性能的同时，还需要兼顾水泥粉磨成本，因此，与水泥制造成本相关的最佳颗粒组成就成为水泥工作者重点研究的课题。

2 水泥粉磨中常规控制缺陷及激光粒度分析仪的作用

目前，国内水泥粉磨过程中最常规的手段是控制水泥的细度（筛余）与比表面积。而细度控制仅能够大致判断出水泥中最大颗粒所占的比例，无法详细了解水泥平均粒径，更不能测定出水泥是否存在“过粉磨”现象；而比表面积也只能从水泥颗粒的总表面积大小去判断水泥的粗、细程度。理论上讲：比表面积越高，水泥颗粒粒径整体下降，对应的筛余相对较小。因为决定比表面积高低的是＜5μm的细颗粒含量；但实际生产过程中，往往因为混合材品种与易磨性以及熟料品种、烧结程度、冷却状况、易磨性等指标不同导致水泥成品比表面积高而细度（筛余）也大（如使用天然或人工火山灰：沸石、凝灰岩、烧矸石、粉煤灰、锅炉渣等）或比表面积低但细度筛余小（如：材料易磨性好、使用助磨剂等）的情况，但对水泥中不同颗粒的具体分布无法作出准确的判断，对调整水泥的性能及磨机的级配不能提供全面、准确的依据。采用激光粒度分析方法，能非常准确地判断出水泥中不同粒径颗粒的含量分布情况，对掌握磨机粉磨系统状况及指导研磨体级配调整与粉磨工艺技术改造提供最直接的数据支持。现阶段，激光粒度分析仪已成为水泥企业指导水泥粉磨系统质量指标调整过程的重要工具。

3 最佳颗粒级配的探讨

由于新标准中取消了P·O32.5级水泥，因此，企业在生产P·O42.5级水泥时，根据成品各龄期胶砂强度增长率，将比表面积控制值提高至(370±10)m2/kg甚至更高；对于水泥的颗粒分布，部分专家认为我国水泥中的细颗粒含量偏少，普遍远离Fuller曲线。然而国内外混凝土界却有不同的看法：美国的Burrows在他的专著《混凝土中的可见与不可见裂纹》中列举了大量高强混凝土由于大的收缩、自收缩和温度变形以及接近于零徐变引起的结构严重开裂的实例，提出“即使渗透性很小的高强混凝土当存在裂纹时，裂纹成了侵蚀介质进入混凝土的便捷通道”[1]。我国著名混凝土专家黄士元对水泥的“高早强、高比表面积”也提出了异议，认为这是导致预拌混凝土早期产生裂缝的主要原因之一，他对水泥行业提出了“适当的标号和不太高的3 d强度”、“细度不要磨得太细”、“比表面积应控制在300～320 m2/kg左右”[2]的呼声。生产实践亦证实：太细的水泥颗粒必然导致水泥粉磨台产的降低、能耗指标提高以及生产成本的增加；学术界公认的成品水泥适宜的颗粒粒径分布应为：＜3 μm颗粒一般控制在8%～12%范围为宜，不能太多，3 μm～32 μm颗粒应达到60%～65%甚至更多，粒径在16 μm～24 μm之间颗粒越多越好，＞65 μm的颗粒水化速度极慢，主要作为填充料，相对于制造成本较高的熟料而言是一种浪费，应越少越好。

而在水泥行业的专业文献中却存在两个矛盾的颗粒级配，一个是关于水泥最佳性能的颗粒级配，一个是符合紧密堆积的Fuller曲线的水泥颗粒级配（Fuller曲线要求＜3μm颗粒应达到29%）。然而，相对于水泥企业而言，必须面对实际生产工艺与产品性能以及行业现状和混凝土施工要求，同时，结合水泥粉磨能耗指标与混合材料品种选择及制造成本等多方面因素进行综合考虑，应以满足水泥质量指标为前提。

4 不同颗粒级配对水泥产质量的影响

笔者在公司两条相同工艺配置的水泥粉磨生产线做了相应的工业性试验：在使用相同熟料、混合材（主要为粒化高炉矿渣）、石灰石、石膏的前提下生产同一品种同等级水泥。粉磨线主机设备采用140-80辊压机（通过能力360 t/h，主电机功率560 kW×2）+V型选粉机+旋风收尘器+Φ3.8 m×13 m双仓管磨机（筒体工作转速16.6 r/min，主电机功率2 800 kW，研磨体装载量180 t～190 t）+O-Sepa N-3000（主轴电机功率160 kW，选粉风量180 000 m3/h，喂料能力540 t/h，选粉能力108～180 t/h）高效选粉机组成的双闭路联合粉磨系统进行了不同品种、等级水泥的粉磨试验，对不同颗粒级配下的水泥强度以及产量、质量等技术指标作了详细对比。我公司采用激光粒度仪分析分析了不同的颗粒级配水泥，其粒度分布见图1～图5。

图1 水泥样品1的粒度分布

图3 水泥样品3的粒度分布

图1 ～图5中不同颗粒级配的水泥产量、质量对比结果见表1。

从表1可以看出：3 μm～32 μm颗粒含量对水泥强度发挥影响较大，含量在60%～65%之间时强度增进率较高，但此区间颗粒分布比例过高时，系统产量下降非常显著（8～10 t/h左右），综合考虑生产成本不可取。从表1中数据可知：本公司水泥3 μm～32 μm颗粒含量在60%～65%左右时是相对经济的，且水泥质量较好，吨成本亦较低。

图4 水泥样品4的粒度分布

图5 水泥样品5的粒度分布

5 颗粒级配调整中出现的问题及处理措施

5.1 出现的问题

（1）入V选物料打散与分级效果较差，提供给磨机的物料3μm～32μm颗粒含量仅18%左右，且0.2 mm的筛余最高时达6%左右，粗细颗粒物料明显不均匀，磨机负荷较重，且由于粗颗粒的含量较多，不易于磨机球配的调整。

表1 不同颗粒级配水泥产量、质量对比

（2）当磨机球配不合理与选粉机用风及主轴转速等参数调节时，往往会出现水泥比表面积高但细度（筛余）却偏粗的情况。

（3）磨机用风参数调整不合理，磨尾负压过大或过小，系统循环负荷及选粉效率不相适应，不能更好地发挥磨机与选粉机的功效。

（4）辊压机辊面与侧挡板磨损或因工作压力及辊缝控制不当，不能形成适宜的料饼，辊压机挤压做功能力较差。

5.2 解决措施

（1）为有效解决入V选物料打散效果，在入V选下料管中设置了三道倒V形打散棒，呈三角形分布，自上而下的物料经三道打散棒后，入V选物料打散、分级效果明显好转，入磨物料0.2 mm筛余降至3%左右，0.080m m筛余由35%降至20%左右。

（2）为给磨机提供颗粒均匀的物料，对V选的导风板进行调节。遮挡一、二级进、出风口导风板，人为地将V选选粉用风下压至物料分散效果更佳的区域，导风板开度调节前两级减小，而后级加大开度，有效提高V选选粉量及选粉效率。通过上述两种方法调节后，入磨物料3μm～32μm颗粒含量达26%左右，且0.2 mm的筛余为零，有效减小了磨机粉磨负荷。

（3）辊压机辊面应保持完整，当辊压机辊面“一字纹”磨损到一定程度时，必须及时补焊；工作辊缝调节改为液压系统调节，及时准确；侧挡板磨损严重，且物料会向侧挡板部位滑移导致漏料而影响做功，在侧挡板空档位置加层耐磨圆弧形凸起，有效解决了此问题，提高了辊压机做功能力。

（4）当粉磨过程中成品水泥出现0.080 mm筛余较高而比表面积也较高时，应适当考虑增加部分Φ50 mm的大球，增强粉磨效果；当出现0.080 mm筛余较少而比表面积却不高时，就适当考虑加大、中、小球的合理级配，增加研磨能力，以提高出磨水泥比表面积。笔者经长期对水泥质量跟踪测试总结认为，针对本公司生产线而言，适宜的控制参数为：当成品0.080 mm筛余控制在0.8%～1.2%范围，而比表面积在350 m2/kg左右时效果较好，水泥使用性能更优。

（5）磨机参数调节对水泥质量控制影响较大，曾出现循环负荷70%而选粉效率80%的情况，也有循环负荷≥200%而选粉效率＜40%的情况。因此，在设备允许的情况下，适宜的循环负荷和选粉效率能带来更好的粉磨效果。笔者认为：应根据物料易磨性及系统工艺参数，循环负荷控制在70%～150%之间，选粉效率达到60%～70%是比较适宜的。

（6）目前有在V选后增加一级选粉机的工艺改造，磨机提产能达到20%～30%，包括O-Sepa选粉机提高选粉效率的内部改造。水泥粉磨系统已形成多元化，增产节电潜力较大。

（7）经测定磨尾收尘器收集的细粉，比表面积可达400～450 m2/kg，不再进入选粉机分级，直接送入成品库。

6 工业粉煤灰对水泥颗粒级配的调节

公司本地拥有丰富的低价工业粉煤灰的资源，通过实验，粉煤灰中含有较高比例＜33 μm的超细颗粒，直接掺入成品水泥中，具有调节水泥最佳颗粒级配的作用，从而达到提高水泥质量、降低水泥成本的目的。

笔者就此方案做了工业性试验，将粉煤灰不经过磨机按不同比例直接掺入水泥中，做胶砂强度对比试验，得出最佳级配组合方案。

几种样品激光粒度分析结果见图6～图10。

图6 工业粉煤灰颗粒分布

图7 P·C32.5R水泥颗粒分布

从图6～图10可以看出：细粉煤灰中＜3 μm颗粒含量较高，直接掺入水泥中可调整水泥的颗粒级配，充分发挥粉煤灰所具有的“微集料填充效应、形态效应、火山灰活性效应”优势，从而达到提高水泥强度及工作性能的目的。在掺入不同含量粉煤灰后，水泥级配中＜3 μm颗粒含量明显增加，由于粉煤灰的易磨性比熟料要差，共同粉磨过程中仍会产生粉磨速度梯度差，相对而言，主导强度发展的3 μm～32 μm熟料颗粒比例随之提高，对调节水泥颗粒分布大有裨益。水泥胶砂强度结果见表2。

从表2可以看出，两种水泥在掺入不同比例粉煤灰后，对水泥胶砂强度基本无影响，但混合材掺入量却大大增加，吨水泥构成中的材料成本明显下降，标准稠度需水量均在28%以下，经综合技术经济分析认为此方案可行。

图8 掺5% 粉煤灰的P·C32.5R水泥颗粒分布

图9 P·O42.5R水泥颗粒分布

图10 掺3%粉煤灰P·O42.5R水泥颗粒分布

表2 不同粉煤灰掺量的不同品种水泥胶砂强度

7 结束语

实践证明，激光粒度分析应用于水泥生产中，在水泥粉磨及质量控制过程中起到了指导性作用。不论是工艺参数的调整，还是磨内的改造、钢球级配的调整等，可有效用于生产。改变了传统水泥仅凭细度（筛余）和比表面积进行粉磨质量参数控制的思路。激光粒度分析可非常直观地显示水泥成品的颗粒分布范围，对调整水泥颗粒级配、稳定控制产品质量，特别是对工业副产品资源的科学利用带来了便利。

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

[2] 黄士元.高性能混凝土发展的回顾与思考[J].混凝土，2003（7）：1-9.

2014-10-21)

TQ172.11

B

1008-0473(2015)01-0012-05

10.16008/j.cnki.1008-0473.2015.01.003