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分别粉磨配制水泥强度预测

来源:http://www.cement365.com     发布日期:2025-03-03    编辑:见招标信息原文
核心提示:分别粉磨配制水泥强度预测

 

分别粉磨配制水泥强度预测

 

俞小飞,虞露彬 1,俞小亮 胡兵兵 2

(1. 浙江南方水泥有限公司,浙江 杭州 310000;2.白马山水泥厂,安徽 芜湖 241000)

 

摘要:常见的水泥颗粒级配指导生产主要考虑物理尺寸,兼顾颗粒水化;混合粉磨无法分清起胶凝 作用的熟料磨细状况,强度预测难度较大;分别粉磨先制作熟料粉与辅材粉,再配制混匀水泥成品, 其强度预测可依据不同材料、不同组份、不同龄期的水化凝胶量对强度影响,侧重化学反应兼顾物 理结构。

关键词:分别粉磨;强度预测;凝胶;粒径 

 

近年来分别粉磨为不少单位推广使用,其精准配制把原料化学组成对水化影响与 产品粒径分布对紧密堆积影响完美结合,在保证水泥产品强度及施工性能的情况下, 充分发挥了熟料胶凝作用,减少了过度粉磨造成的浪费,有效使用了活性较低的廉价 辅材,促进了水泥行业节能减排。本文侧重讲述分别粉磨配制水泥基于不同粒径产生 的凝胶量,对水泥强度影响的二元回归分析预测模型建立。

1 分别粉磨概述 分别粉磨是将不同材料按性能分成二组或多组,单独粉磨,或二

到三种易磨性相近的材料一组共同粉磨,粉磨到目标粒径分布范围再混合搅匀配制成品;受材料水份 等影响,少数单位采用半分别粉磨,材料分组粉磨成半成品,再配制入二级磨共同混合粉磨出成品。生料有将砂岩单独粉磨的工艺,水泥熟料价值高且难于磨细,选择分别粉磨则更为有效。如使用双闭路粉磨系统,将熟料(配石膏)粉磨成品 90%以上颗粒 控制在 3-32µm,能有效发挥胶凝材料作用,提高熟料利用率,使用辊压机或立磨终粉磨辅材生产超细粉或宽粒径分布的成品粉,两种或三种细粉入混料机混合均匀成水泥产品,材料成本大幅下降,水泥使用性能改善。国外 PⅠ、PⅡ型水泥较多,混凝土搅拌站自掺细料胶材,异曲同工,国内分别粉磨起步较晚,涉及粉体计量、搅拌设施等工艺装备技术进步。

2 强度预测指导思想 分别粉磨配制水泥主要目标是降低熟料料耗,同时保证强度

及性能不降或改善,为此强度预测很有意义。笔者参考《水泥颗粒特征与现代水泥粉磨技术》文献[1]介绍, 结合与外资企业交流资料,收集归纳了部分技术信息供参考。

(1)颗粒级配概念被广泛认识,是在 2000 年左右 ISO 检测方法标准转换时,专家发现各厂强度降幅差异较大,才引起水泥行业重视。外资企业强度下降较少,内资


水泥普遍较粗,新旧标准检测结果差异较大,物理(粒径)与化学(成份)相互作用 影响了水泥水化作用。

(2)国内外长期试验研究证明,水泥颗粒级配对水泥性能有很大影响,目前比较公认的水泥最佳颗粒级配为:3`32um 颗粒对强度增长起主要作用,其间粒度分布是连续的,总量不低于 65%;16-24um 颗粒对水泥性能尤为重要,含量愈多愈好;小于 3um 的细颗粒易结团,不要起过 10%;大于 65um 的颗粒活性很小,最好没有。RRB 最佳粒 度分布方程与 Fuller 最紧密堆积方程,3um 下微粉差异接近 20%, Fuller 方程推出粉 状物料最紧密堆积,3um 以下的细颗粒含量 29.18%,较多的细粉颗粒使得需水量较高, 而且还可能导致后期强度的倒缩。

熟料颗粒水化测定结果,0-10 um 颗粒一天水化 75%,28 天接近完全,10-30um 颗 粒 7 天水化近一半, 30-60um 颗粒 28 天水化近一半,≥60um 颗粒 3 个月水化还不到

一半。建材院试验推算水泥颗粒分布与 28 天抗压强度关系: R28=A·W3+B·W16+C·W32+D·W>32

式中 W3、W16、W32、W>32 分别为<3um、<16um、<32um 和≥32um 颗粒的含量。邓聚龙教

授提出的灰色关联分析法,从关联度系数上看<5um、5-10um、10-30um、30-60um、≥

60um 料径的熟料颗粒,对 3 天抗压强度影响逐步减少,对 28 天抗压强度影响 5-10um 

关联度大于 5um 影响。0-10um 细小颗粒不但对 3 天强度影响巨大,而且对28 天强度也

有很大影响,一般情况下,这样细小的颗粒在 1 天内就水化完全,而且强度也贡献完

毕,但是由于细小颗粒本身水化强度就高,而且堆积紧密,它的迅速水化不但贡献了

较高的早期强度,而且对水泥胶砂结构的形成和强度的发展奠定了良好的基础。 

(3)水泥细度检测方法筛余、比表、颗粒分布等各有侧重及优缺点,细度检测只考虑了物理结构,无法兼顾化学组成影响。个人认为 RRB 与 Fuller 方程粒级影响差异多在于微粉颗粒化学成份的影响差异,且两种方程对颗粒形貌及表面特性都欠关联。国外发达国家水泥厂多闭路磨、纯硅水泥,常与搅拌站一体,其水泥颗粒级配基本代表胶凝材料熟料的实际水化性能。国内熟料、混合材及粉磨工艺装备差别极大,水泥各段颗粒难以分清是熟料还是混合材,更难量化。同样细度粒径下,1um 的熟料粉与混合材粉对水泥水化性能影响天壤之别,颗粒级配不分材料是偏面不完整的技术。

材料的组成、结构与性能三者中,结构起着关键作用,不仅材料的化学组成对材 料的最终性能产生重大影响,而且各种物理结构和形态也会对最终的使用性能起重要


 

作用。粉磨能量及材料的精准利用才能价值最大化,共同粉磨是选择性粉磨,大颗粒 及易磨的料容易磨细;分别粉磨配制水泥是解决混合材掺量、产品性能、能耗成本间 矛盾的最佳途径。

3 强度预测模型建立 常见的水泥颗粒级配指导生产主要考虑物理堆积,兼顾颗粒

水化;混合粉磨无法分清起胶凝作用的熟料磨细状况,强度预测难度较大。在分别粉磨后可以不同龄期不同粒径的熟料颗粒水化产生凝胶量,作为强度影响主要因素,进一步细化熟料中主要矿物成份对早期或后期强度的影响系数,预测侧重化学反应兼顾物理结构。

(1)熟料颗粒水化凝胶数量测算

假定熟料细粉颗粒为球状,水化产生产凝胶量为相应龄期水化深度形成的壳的体积(或重量),取近年较为公认的资料数据,以水化深度 1 天 0.5 微米、3 天 2 微米、

7 天 4 微米、28 天 8 微米,熟料颗粒密度 3g/cm3, 凝胶密度不变情况下简化测算,以 颗粒总体积减去不同龄期未水化的核,即为水化的凝胶壳体积,不同龄期不同熟料粒 径水化深度所产生的凝胶量见表 1。(后续作回归分析时可完善调整)

其中:

1 微米的颗粒 1 天、3 天、7 天、28 天完全水化产生的凝胶体积同球体积。

2 微米的颗粒水化 1 天后产生的凝胶体积为 3.14*23/6-3.14*(2-2*0.5) 3/6=3.7 um3,

3 天、7 天、28 天完全水化产生的凝胶体积同球体积。

5 微米的颗粒水化 1 天后产生的凝胶体积为 3.14*53/6-3.14* (5-2*0.5) 3/6=9.9 um3, 水化 3 天后产生的凝胶体积为 3.14*53/6-3.14*(5-2*2) 3/6=64.9 um3,7 天、28 天完全 水化产生的凝胶体积同球体积。

17 微米的颗粒水化 1 天后产生的凝胶体积为 3.14*173/6-3.14*(17-2*0.5) 

3/6=427.6 um3,水化 3 天后产生的凝胶体积为 3.14*173/6-3.14* (17-2*2) 3/6=1421.4 um3,水化 7 天后产生的凝胶体积为 3.14*173/6-3.14* (17-2*4) 3/6=2189.6 um3,水化 28 天后产生的凝胶体积为 3.14*173/6-3.14* (17-2*8) 3/6=2570.6 um3。

45 微米的颗粒水化 1 天后产生的凝胶体积为 3.14*453/6-3.14* (45-2*0.5) 

3/6=3109.1um3,水化 3 天后产生的凝胶体积为 3.14*453/6-3.14* (45-2*2) 3/6=11620.1 um3,水化 7 天后产生的凝胶体积为 3.14*453/6-3.14* (45-2*4) 3/6=22180.3um3,水化 28 天后产生的凝胶体积为 3.14*453/6-3.14* (45-2*8) 3/6=34925.3um3。

……


 

表 1 不同龄期不同熟料粒径水化深度所产生的凝胶量

 

粒径 um

表面积 um2

体积 um3

重量 g

1 天深度 体积 um3

3 天深度 体积 um3

7 天深度 体积 um3

28 天深度 体积 um3

0.5

0.8  

0.1  

1.963E-13 

0.1  

0.1  

0.1  

0.1  

1

3.1  

0.5  

1.57E-12 

0.5  

0.5  

0.5  

0.5  

2

12.6  

4.2  

1.256E-11 

3.7  

4.2  

4.2  

4.2  

3

28.3  

14.1  

4.239E-11 

9.9  

14.1  

14.1  

14.1  

4

50.3  

33.5  

1.005E-10 

19.4  

33.5  

33.5  

33.5  

5

78.5  

65.4  

1.963E-10 

31.9  

64.9  

65.4  

65.4  

6

113.1  

113.0  

3.391E-10 

47.6  

108.9  

113.0  

113.0  

7

153.9  

179.5  

5.385E-10 

66.5  

165.4  

179.5  

179.5  

8

201.1  

267.9  

8.038E-10 

88.4  

234.5  

267.9  

267.9  

9

254.5  

381.5  

1.145E-09 

113.6  

316.1  

381.0  

381.5  

10

314.2  

523.3  

1.57E-09 

141.8  

410.3  

519.1  

523.3  

16

804.2  

2143.6  

6.431E-09 

377.3  

1239.3  

1875.6  

2143.6  

17

907.9  

2571.1  

7.713E-09 

427.6  

1421.4  

2189.6  

2570.6  

32

3217.0  

17148.6  

5.145E-08 

1558.0  

5660.4  

9914.0  

15005.0  

45

6361.7  

47688.8  

1.431E-07 

3109.1  

11620.1  

21180.3  

34925.2  

65

13273.2  

143720.4  

4.312E-07 

6531.7  

24933.7  

46802.7  

82150.8  

80

20106.2  

267946.7  

8.038E-07 

9922.9  

38215.9  

72613.5  

130758.0  

.......

(2)熟料矿物组成对强度影响量化评估

熟料煅烧、冷却状况难以量化评估,熟料晶形、石膏、外加剂等因素本文暂不作 要素分析,C3S、C3A 等矿物水化速率及对各龄期强度等性能作用不同,按照影响预估系 数。参考《水泥工艺学》文献[2]介绍:

C3S 在水泥熟料中的含量一般约为 50%,有时高达 60%以上,故硬化水泥浆体的性 能在很大程度上取决于 C3S 的水化使用、产物以及所形成的相应结构。C3S 水化诱导前 期,加水后立即发生急剧反应,但该阶段时间很短,在 15min 内结束;诱导期 1-4h, 呈塑性状态,基本到初凝结束,此前称为水化早期;加速期 4-8h,终凝结束,开始硬 化;减速期 12-24h,稳定期……分析认为 C3S 对早期及后期强度起决定作用。估算时 C3S 水化程度 3 天 60%、7 天 70%、28 天 80%测算对强度影响系数。

C2S 在熟料中的多为β型,β-C2S 水化速率很慢,约 C3S 的 1/20,即使在几个星期 以后也只有在表面上覆盖一层无定形的水化硅酸钙,而且水化产生层厚度的增长也很 慢……分析认为 C2S 对早期强度作用微弱,对 28 天后的强度影响逐渐增强。估算时 C2S 水化程度 7 天 0%、28 天 10%测算对强度影响系数。


 

C3A 的水化反应迅速。处于碱性介质的 C4AH13 在室温下以能够稳定存在,其数量迅 速增多,据认为是使浆体产生瞬时凝结的一个主要原因;C3A 几分钟便开始快速反应, 数小时完成水化;分析认为 C3A 对早期强度起较大作用,后期强度影响极小,甚至有负 面影响。估算时 C3A 水化程度 3 天 80%、7 天 90%、28 天 100%测算对强度影响系数。

C4AF 的水化反应及其产物与 C3A 十分相似,所形成的 C4 (A,F)H13 在室温下也较稳定, 水化放热曲线也很相似……分析认为 C4AF 前期影响近 C3A,后期能持续增进。估算时 C4AF 水化程度 3 天 50%、7 天 60%、28 天 80%测算对强度影响系数。

F-c 膨胀应力对强度起反作用,其水化反应快于游离氧化镁。估算时 C4AF 水化程 度 3 天 70%、7 天 80%、28 天 100%测算对强度影响系数。

硅酸盐水泥水化。C3S 迅速溶出 Ca(OH)2,石膏也很快溶解于水,物别是水泥粉磨 时部分二水石膏可能脱水成半水石膏或可溶性硬石膏,其溶解速率更大。熟料中所含 碱溶解也很快,甚至 70-80% 的 K2SO4 可在几分钟内溶出。因此,水泥的水化作用在开 始后,基本是在含碱的 Ca(OH)2 及 CaSO 4 的饱和溶液中进行。一般 C3A 水化最快,C3S 和 C4AF 次之,而 C2S 最慢,设计同龄期熟料矿物化学反应对强度影响系数见表 2。(后 续作回归分析时可完善调整)

表 2 不同龄期熟料矿物化学反应对强度影响系数估算

 

3d 参加反应

7d 参加反应 

28d 参加反应 

C3S

C2S

C3A

C4AF

F-c 

C3S 

C2S

C3A 

C4AF 

F-c 

C3S 

C2S 

C3A

C4AF

F-c

0.6

0

0.8

0.5

-0.7 

0.7 

0

0.9 

0.6 

-0.8 

0.8 

0.1 

1

0.8

-1

(3)建立回归方程预测水泥强度

寻找两个或两个以上变量间关系的方法,称为回归分析。本案例兼顾物理粒径与 化学组成,两个自变量推导一个强度因变量,以 SD 某公司分别粉磨 P·O42.5 水泥 28 天强度预测为例,参考《地方水泥企业化验室工作手册》文献[3]介绍,建立电子表格, 使用数据回归分析或 linest 函数(高版 excel),推导二元回归线性方程的回归系数:

Y28=a+b1X1+b2X2

式中:

Y28-水泥 28 天抗压强度,MPa; a、b1、b2-回归系数,待求解;

X1–28 天龄期不同熟料粒径水化深度所产生的凝胶量影响系数; X2–28 天龄期熟料矿物化学反应对强度影响系数。

对于掺有混合材的水泥,熟料用量按配比打折,矿粉可激发后期强度,石灰石可


 

提升早期强度等,混合材的活化效应、骨架作用以及紧密规程效应,将在回归系数 a 推导时体现。100 克样品 1 的颗粒级配各区间颗粒数量与单粒水化凝胶壳厚体积相乘即 可得到凝胶总量,测算见表 3。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

表 3  样品 1 颗粒级配及凝胶量测算 

本案例 1 其熟料粒径分布折算 28 天各颗粒产生的凝胶量总和为 2.95*1013um3,

P·O42.5 水泥熟料掺入量 75%,折合凝胶量为 2.95*1013×75%=2.213*1013,为使数据易

 

于表达,取数 1/1012 折 X 值为 22.13 计算,这样取数与化学组成取数接近,且不影响

 

回归方程求解,否则可能出现 b1、b2 两回归系数数字相差太大,其它样品 2、样品 3……

同样计算,以此例推出 X21  、X31 ……。

参考表 2,依照熟料矿物组成推算案例中样品 1 的影响系数见表 4。

表 4  样品 1 矿物组成及影响系数估算

 

矿物组成

3d 参加反应(可调)   

28d 参加反应(可调)   

C3S

C2S 

C3A

C4AF 

F-c

C3S 

C2S

C3A 

C4AF

F-c

折算 

C3S 

C2S

C3A

C4AF 

F-c

折算 

58.1

21.6 

7.8

10.6 

1.22

0.6 

0

0.8 

0.5

-0.7

34.16 

0.8 

0.1

1

0.8 

-1

63.7 

本案例样品 1 熟料矿物各组份对 28 天强度影响系数折算 X12 值为 63.7, P·O42.


水泥熟料掺入量 75%,折合 X12 影响系数为 63.7×75%=47.78,其它样品 2、样品 3……同 样计算,以此例推出 X22  、X32 ……

汇总表 3 及表 4 各样品数据,结合相应水泥 28 天抗压强度,作回归分析推算回归 系数见表 5,回归分析自动计算 a=18.0235,b1=0.2618,b2=0.977。Excel 数据菜单栏中无 加归分析时需加载,表中部分数据结果略去,可以得出如下强度预测公式:

Y28=18.0235+0.2618X1+0.977X2 

式中字母及单位含义同前,即每个样品的 28 天抗压强度预测值为 18.0235、加 0.2618

倍的矿物组成系数(化学影响)、再加上 0.977 倍的颗粒水化凝胶量系数(物理影响) 三者之和。

预测强度与实际强度发生料大偏差时,可能是前面理论指导出现偏差,通过多次 调整凝胶水化深度及矿物化反应速度两组影响系数,逐步完善回归分析公式。

表 5 回归分析

 

序号 

抗压强度 Y28 

化学影响 X1 

物理影响 X2 

 

SUMMARY OUTPUT

 

 

 

1

52.00

47.78

22.13

 

 

 

 

 

2

53.00

47.90

22.80

 

回归统计

 

 

3

52.50

47.50

22.60

 

Multiple R

0.9379 

 

 

4

51.00

47.10

21.70

 

R Square

0.8796 

 

 

 

5

 

54.00

 

48.20

 

23.50

 

Adjusted R Square

 

0.8655 

 

 

6

53.10

48.00

23.20

 

标准误差

0.2562 

 

 

7

52.20

47.90

22.00

 

观测值

20 

 

 

8

52.10

47.50

22.10

 

 

 

 

 

9

51.80

47.00

21.90

 

方差分析

 

 

 

10 

53.30

48.20

22.95

 

   

df

SS

…

11 

52.80

47.90

22.80

 

回归分析

2

8.1538 

…

12 

52.40

47.67

22.60

 

残差

17 

1.1157 

…

13 

53.60

48.66

23.40

 

总计

19 

9.2695 

…

14 

52.50

47.96

22.13

 

 

 

 

 

15 

52.40

47.20

22.13

 

   

Coefficients 

标准误差

…

16 

52.00

46.90

22.10

 

Intercept

18.0235 

7.2587 

…

17 

53.00

48.00

23.00

 

化学影响 X1

0.2618 

0.2097 

…

18 

53.30

48.50

23.50

 

物理影响 X2

0.9770 

0.1740 

…

19 

52.80

47.90

22.95

 

 

 

 

 

20 

52.10

47.78

22.20

 

 

 

 

 

 

4 建议 粉磨能量及材料的精准利用才能价值最大化,分别粉磨是解决混合材掺量

、产品性能、能耗成本间矛盾的最佳途径,分别粉磨后按需配制水泥,简单易控。 按需把熟料(加石膏或难磨料)粉磨到 3-45um 区间超 90%,特征粒径控在 20um 内,


精准控制,这样可减少熟料浪费,兼顾早强及砼耐久性、自愈能力;把部分惰性混合 材研磨至 600m2/kg 以上比表,这样能使配制水泥中 3um 以下细粉达 30%以上,满足 FULLER 曲线最紧密堆积,且对水泥早期水化热、和易性等不产生过多负面影响;把多 种混合材共同粉磨,粒径拉开 0-1000um,省电同时,可填补水泥与搅拌站细砂间的粒 级空白;把各种材料按照组份及粒级构成,进行生产配制混匀,关键控制配制水泥的粉 体计量与混料,兼顾颗粒化学成份与料径级配,即兼顾熟料水化深度与水泥颗粒最紧 密堆积,实现粉磨能量及材料性能的精准利用。

根据熟料不同粒径、不同龄期水化深度产和凝胶量,不同矿物组成对强度影响系 数,兼顾物理结构与化学组成两主要因素,通过多元回归分析建立强度预测模型,可 有效指导分别粉磨生产。

 

参考文献: 

[1]  王文义.水泥颗粒特征与现代水泥粉磨技术[M].北京:原子能出版社,2004.

[2]  林宗寿.水泥工艺学[M].武汉:武汉理工大学出版社,2017.

[3]  李明豫等.地方水泥企业化验室工作手册[M].中国建材工业出版社,1994.

 

 

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