硅酸鹽水泥熟料研磨方式對水泥性能和混凝土抗裂性能的影響

李書明 鄧青山 謝永江 鄭新國 劉競 胡家林

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 高速鐵路軌道系統全國重點實驗室， 北京 100081

硅酸鹽水泥的生產過程可概括為兩磨一燒，即水泥生料的粉磨、煅燒和水泥熟料的研磨［1］。水泥熟料通常采用球磨工藝，同時為了降低生產成本，水泥廠家會將水泥熟料、石膏和火山灰質材料一起研磨，導致水泥熟料粒徑偏?。?］。采用這種水泥配制的混凝土開裂風險較高。沖擊粉磨是一種新型研磨工藝，具備同時研磨和選粉功能，采用該工藝制備的熟料粒徑分布可控可調。目前該工藝在新能源行業應用較多，較少用于水泥行業。

本文首先介紹球磨和沖擊粉磨兩種研磨方式的工作原理，采用這兩種方式對同一水泥熟料研磨后，往兩種水泥熟料中加入二水石膏制成水泥，然后用這兩種水泥配備混凝土，測試其抗裂性能。

1 球磨和沖擊粉磨工作原理

球磨機是水泥生產常用的粉磨設備，通常在鋼筒內部裝有大小不一的研磨體，利用鋼筒轉動帶動研磨體轉動將物料研磨破碎。球磨機工作原理如圖1（a）所示。傳動裝置驅使球磨機筒體回轉時，在離心力和摩擦力的作用下，研磨體黏附在筒體內壁的襯板上，隨筒體一起回轉。研磨體到達一定高度時，在重力作用下落到球磨機底部。下落時沖擊底部物料，將其擊碎，該過程周而復始。與此同時，研磨體的相對滑動、滾動，研磨體、襯板和物料之間的相互摩擦均會將物料磨細。

圖1 兩種研磨機工作原理

沖擊粉磨機工作原理如圖1（b）所示。物料從粉磨機底部的進料口進入機體后，迅速被轉盤上的錘頭打散，并高速撞擊到襯板上，進入襯板和轉盤組成的粉碎區。轉盤高速轉動時粉碎區產生大量空氣渦流。在空氣渦流和離心力的雙重作用下，物料相互碰撞，同時在襯板和轉盤間發生剪切、研磨等相互作用。物料在這一系列物理作用下被不斷磨細。

沖擊粉磨機同時配備有分級選粉裝置。粉碎后的物料在主氣流帶動下進入分級區，粒徑滿足要求的微粉隨氣流通過分級渦輪排出機外，由收集裝置收集。不滿足粒徑要求的粗粉在離心力作用下被渦輪葉片打回筒壁，重新粉磨。分級渦輪葉輪的轉速由變頻器控制。轉速越高，物料粒徑越小，磨出的物料越少。

本次試驗研磨體為鋼球，物料為水泥熟料。

2 水泥性能和混凝土抗裂性能測試

2.1 原材料及試樣制備

水泥熟料為硅酸鹽水泥，其中氧化物含量和礦物組成分別見表1、表2。

表1 水泥熟料氧化物含量%

表2 水泥熟料礦物組成%

參照GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》中P?I型硅酸鹽水泥質量配合比，將95%球磨的水泥熟料和5%二水石膏制備成水泥a，將95%沖擊粉磨的水泥熟料和5%二水石膏制備成水泥b。A 組、B 組混凝土分別采用水泥a和水泥b制備。

2.2 試驗設備、儀器和方法

1）水泥熟料粉磨

水泥熟料的球磨采用QM?3SP4 型行星式球磨機。鋼球級配為?20 mm 鋼球10 個，?10 mm 鋼球200 個，?6 mm 鋼球400 個。入磨水泥熟料質量400 g，熟料球磨時間為25 min。水泥熟料的沖擊粉磨采用CR 系列臥式超細機械沖擊粉磨機。球磨、沖擊粉磨后熟料比表面積分別為270、260 m2/kg。

2）熟料粒徑測試和微觀形貌觀察

采用Mastersizer 2000 激光粒度分析儀測試水泥熟料的粒徑。采用TESCAN MIRA LMS 型場發射掃描電子顯微鏡觀察水泥熟料的微觀形貌，樣品表面鍍層材料為金屬鉑。

3）水泥和混凝土的性能測試

按照GB/ T 1346—2011《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》測試水泥的標準稠度用水量。按照GB/ T 17671—1999《水泥膠砂強度試驗（ISO法）》測試水泥3、7、28、56、90 d 的抗折強度和抗壓強度，并計算水泥的折壓比。按照JC/ T 603—2004《水泥膠砂干縮試驗方法》測試水泥1、2、3、7、14、28、56、90、120 d 的干燥收縮率。按照ASTM C1581—2009［3］測試混凝土抗裂性能。

兩組混凝土配合比見表3。經測試，A 組、B 組混凝土坍落度分別為200、210 mm。

表3 兩組混凝土配合比kg·m-3

3 試驗結果分析

3.1 研磨方式對水泥熟料粒徑分布的影響

球磨和沖擊粉磨的水泥熟料粒徑分布曲線見圖2。

圖2 水泥熟料的粒徑分布曲線

由圖2可知，與沖擊粉磨的水泥熟料相比，球磨的水泥熟料中粒徑在0 ～ 10 μm的細顆粒較多。

文獻［4］研究發現，水泥熟料的均勻性指數表征水泥熟料粒徑分布范圍大小。均勻性指數越大，粒徑分布范圍越窄，顆粒越均勻。特征粒徑與細顆粒含量相關。特征粒徑越小，水泥中細顆粒含量越多。

采用Rosin?Rammler?Bennet 方程［5］計算了兩種水泥熟料的均勻性指數和特征粒徑。計算結果為：沖擊粉磨的水泥熟料均勻性指數為1.56，特征粒徑為26.29 μm；球磨的水泥熟料均勻性指數為1.50，特征粒徑為23.89 μm?？芍号c沖擊粉磨相比，球磨的水泥熟料粒徑分布范圍較寬，細顆粒含量較多。

3.2 研磨方式對水泥熟料微觀形貌的影響

兩種研磨方式下水泥熟料微觀形貌見圖3。

圖3 兩種研磨方式下水泥熟料微觀形貌

由圖3 可知：①兩種研磨方式下水泥熟料顆粒外觀均棱角分明且不規則，說明研磨方式對水泥熟料顆粒形貌影響不大。②球磨的水泥熟料中細顆粒較多，沖擊粉磨的水泥熟料中細顆粒明顯變少，說明球磨產生更多的細顆粒，容易出現過粉磨現象。過粉磨對水泥品質不利，雖然在一定程度上可以提高水泥早期強度，但會對其他性能產生不利影響。因此制備水泥時應盡量避免過粉磨。

3.3 研磨方式對硅酸鹽水泥性能的影響

1）標準稠度用水量

標準稠度用水量用于評價混凝土抗裂性能。采用標準稠度用水量較少的水泥配制的混凝土抗裂性能更好［6］。采用球磨、沖擊粉磨方式制備的水泥標準稠度用水量分別為27.6%、25.0%，說明采用沖擊粉磨方式制備的水泥配制的混凝土抗裂性能更好。

2）抗折抗壓強度與折壓比

折壓比用于評價水泥韌性。折壓比越高，水泥韌性越好，混凝土抗裂性能也越好［7］。兩種研磨方式下水泥力學性能指標隨養護齡期變化曲線見圖4。

圖4 水泥力學性能指標隨養護齡期變化曲線

由圖4 可知：①采用球磨方式制備的水泥早期強度大于采用沖擊粉磨方式制備的水泥，28 d 齡期時采用沖擊粉磨方式制備的水泥抗折強度超過采用球磨方式制備的水泥，90 d 齡期時采用沖擊粉磨方式制備的水泥抗折強度和抗壓強度均超過采用球磨方式制備的水泥。這是因為采用沖擊粉磨方式制備的水泥細顆粒含量比采用球磨方式時少，早期強度不高，隨養護時間延長，粗顆粒水泥繼續水化，從而提高了基體后期強度。②28 d 齡期后，采用沖擊粉磨方式制備的水泥折壓比明顯高于采用球磨方式時，說明采用沖擊粉磨方式制備水泥時混凝土抗裂性能更好。

3）干燥收縮率

干燥收縮率用于評價混凝土抗裂性能。采用干燥收縮率較小的水泥配制的混凝土抗裂性能更好［8］。兩種研磨方式下水泥干燥收縮率隨養護齡期變化曲線見圖5。其中，負號表示收縮?？芍?，采用球磨方式制備的水泥干燥收縮率明顯高于采用沖擊粉磨方式時，說明采用沖擊粉磨方式制備水泥時混凝土抗裂性能更好。1、28、90 d 齡期采用球磨方式制備的水泥干燥收縮率分別為2.01 × 10-4、9.32 × 10-4、10.52 × 10-4，采用沖擊粉磨方式制備的水泥干燥收縮率分別為0.66 × 10-4、6.80 × 10-4、8.12 × 10-4，甚至120 d齡期時干燥收縮率都沒有超過8.50 × 10-4。這是由于采用球磨方式制備的水泥細顆粒含量較多，早期水化時生成的小孔較多，而小孔容易導致試塊干燥收縮［9］。

圖5 兩種研磨方式下水泥干燥收縮率隨養護齡期變化曲線

3.4 研磨方式對混凝土抗裂性能的影響

圓環約束收縮試驗可直觀反映混凝土的抗裂性能。將采用兩種研磨方式所得水泥制備成混凝土試件，進行圓環約束收縮試驗。混凝土應變時程曲線見圖6?？芍?，采用球磨方式制備水泥時混凝土試件在25 d 出現開裂，而采用沖擊粉磨方式制備水泥時混凝土試件34 d都沒有出現開裂。

圖6 混凝土應變時程曲線

4 結論

本文采用兩種方式對同一水泥熟料研磨后，加入二水石膏制成水泥，然后用這兩種水泥制備混凝土。對水泥熟料粒徑分布、水泥性能和混凝土抗裂性能進行測試與分析。主要結論如下：

1）與球磨相比，沖擊粉磨的水泥熟料顆粒粒徑分布范圍較窄，0 ～ 10 μm 細顆粒含量較少，但兩種水泥熟料顆粒外觀均呈不規則形狀，研磨方式對水泥熟料顆粒形貌影響不大。

2）與采用球磨方式相比，采用沖擊粉磨方式制備的水泥雖然早期強度較低，但后期強度較高，標準稠度用水量較少，折壓比較高，干燥收縮率較小。采用沖擊粉磨方式制備水泥時混凝土抗裂性能更好。建議使用沖擊粉磨方式生產鐵路高抗裂混凝土用硅酸鹽水泥。