顆粒形貌改善對水泥性能及孔結構的影響

薛婷婷

摘要：本文利用掃描電鏡等測試方法，對多組顆粒級配、比表面積基本一致的水泥樣品進行測試，得出了水泥顆粒形貌改善對水泥性能及孔結構等相關影響的結論。

顆粒形貌是水泥顆粒的重要特性之一，一般以顆粒圓形度（或圓形系數）表征。圓形系數，即與顆粒投影面積相等的圓的周長與顆粒投影面積的周長之比。圓形系數越高，表示顆粒就越圓，顆粒形貌也就越好。

1.實驗

1.1不同顆粒形貌水泥樣品的制備為了減小實驗結果的偶然性，實驗中選用了多個水泥熟料樣品摻入等量的石膏制備成硅酸鹽水泥。制樣時，將同一熟料樣品分成兩份：一份直接用Φ500mm×500mm. 實驗室標準小磨制成一般水泥（用OP 表示）；另一份先預磨一定細度后，再用氣流磨粉磨以改善其顆粒形貌（用SP表示）。

1.2實驗

1.2.1實驗樣品的測試，按GB8074-87水泥比表面積測定方法（Blaine法）檢測水泥樣品比表積，利用JSM-35c 型的SEM觀測水泥激光粒度分析儀檢測水泥顆粒形貌。通過計算機配備的軟件統計計算顆粒圓形系數。

1.2.2對比實驗 按GB/T2494-92水泥膠砂流動度測定方法檢測水泥膠砂流動度，其中水灰比m（w）/m（c）=0.5，，m（c）/m（s）=1：3實驗砂為中國ISO標準砂。按 GB1346-89水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法檢測凝結時間、水泥凈漿標準稠度。利用Φ75mm，高91mm，容積400ml金屬圓筒測得密實度。采用水銀壓入法檢測水泥砂漿孔隙率：砂漿孔隙率實驗前，先將達到預定養護強度齡期的水泥膠砂試體破碎成小塊，取試體中央部位的小樣塊，用無水乙醇終止其水化，然后進行孔結構檢測。按 GB17671-1999 水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）檢測水泥膠砂試體強度。

2.結果及討論

2.1水泥需水性及膠砂和易性

對水泥顆粒形貌改善前后砂漿流動性進行實驗研究，可見：水泥顆粒形貌改善后水泥膠砂流動度均普遍增大，如#3 樣品顆粒圓形系數由0.60 提高到 0.71 時，水泥膠砂流動度可提高25%；同時，水泥凈漿的標準稠度有所降低。

結果表明：水泥顆粒形貌的改善，有利于水泥膠砂流動性的提高，降低了水泥的需水性。

Tanaka等研究過顆粒形貌對水泥砂漿流動度性的影響機理，認為：水泥顆粒表面越圓，顆粒在漿體中旋轉需水面就越小，有利于獲得很好的砂漿流變性。

用SEM對水泥顆粒進行分析，并模擬出顆粒需水量圖。通過實驗，證實了文獻的觀點，同時認為：流動度的提高還與顆粒形貌改善后砂漿中水泥顆粒與骨料顆粒滑動的摩擦阻力減小有關。因為表面越趨光滑，顆粒間相對運動阻力就越小，所以流動性也就越好。隨著水泥顆粒圓形系數的提高，水泥膠砂流動度有不斷增大的趨勢。

2.2 密實度

水泥粉狀顆粒的密實度，反映單位體積物料緊密堆積時的密實程度。密實度越大，物料堆積越緊文獻認為：在相同水化深度下，密，孔隙越小。孔隙率與粉狀顆粒堆積密度呈線性關系。當水化深度較低時（早期），堆積是主要的，水化程度是次要的。

通過比較顆粒形貌改善前后水泥顆粒堆積狀態可看出：水泥顆粒形貌改善后，顆粒的堆積狀況變得更加密實。這是由于物料顆粒表面棱角減少，趨于圓形化，使顆粒間相對滑動阻力小，填充效果增強的緣故。

2.3凝結時間

凝結時間是重要的水泥物理性能之一。水泥凝結硬化過快或過慢將影響水泥的使用。影響凝結時間的因素，除了水泥化學成分、礦物組成、水泥細度、石膏等因素外，還與水泥顆粒級配有關。當水泥顆粒組成中0-10μm 細粉顆粒含量偏多，水泥水化速率相對加快，水泥水化產物生成迅速，漿體硬化快，凝結時間相應變短，同時需水量也隨之增加。通過實驗，研究對比了水泥顆粒形貌改善前后的凝結時間， 由在石膏摻量相同、比表面積及顆粒級配相近的情況下，顆粒形貌改善后（SP）無論是初凝還是終凝，都比改善前（OP）凝結時間長，平均約相差30min左右。這可能是由于顆粒形貌改善后，顆粒表面棱角少、較圓滑，顆粒間搭接絞合以及摩擦阻力相對減弱，生成的水泥產物相互間搭接絞合及粘附力受到了影響。

2.4水泥膠砂孔結構

實驗表明：改善水泥顆粒形貌，有利于改善水泥石孔結構，有害及害大孔減少，無害細孔數量增多，中位孔徑和總孔率降低，這對提高水泥強度、耐久性等十分有益。

2.5水泥膠砂強度

實驗可知：在相同膠砂流動度下，水泥顆粒形貌改善后，無論其早期還是后期強度，都比一般水泥高20%以上，同時m（w）/m（c）可減少8%左右。顆粒形貌改善后水泥強度提高的主要原因是硬化水泥石中孔隙率低，孔結構得以改善，大孔含量減少，細孔增多，水泥石結構更密實的緣故。

3.結論

（1）水泥顆粒形貌改善后，需水量減小，膠砂和易性好。水泥膠砂流動度有隨圓形系數的提高而不斷增大。當水泥顆粒圓形系數由0.60提高至0.71時，流動度可提高25%。

（2）顆粒形貌改善后水泥顆粒堆積更密實。

（3）顆粒形貌改善后凝結時間延長。初凝時間平均延長約30min，終凝時間延長多于40min。

（4）顆粒形貌改善后，28d，水泥石總孔隙率低，中位孔徑小，大孔（孔徑 >100nm）及超大孔（孔徑>1000nm）含量少，細孔（15.1-39 ；F nm）或微細孔（3.4-15.1nm）含量多。

（5）在相同水灰比下，水泥顆粒圓形系數平均由0.65提高至0.73時，28d抗壓強度可提高6MPa 左右（平均提高約10%），60d的可提高10MPa（平均增長約12%），而水泥抗折強度提高的幅度較小。

（6）在相同膠砂流動度下，當顆粒圓形系數由0.67 提高至0.72 時，水灰比可減少8，且無論早期還是中后期水泥膠砂強度，都比一般的水泥高20%以上。

（7）水泥強度提高的主要原因是顆粒形貌改善后水泥顆粒堆積更密實，水泥石中孔隙率低，中位孔徑小，細孔數增多，大孔減少所致。

參考文獻：

[1]球形水泥的實用化[J]. 四川建材，1992（3）；38-41