引言

現代社會，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度、高工作性、高耐久性等性能。按我國水泥標準，對于出廠水泥強度的品質是按各齡期考核的，出廠水泥的各齡期強度均不得低于標準規定的齡期強度，否則視為不合格品。研究表明，影響水泥質量和使用性能的因素很多，包括水泥熟料的質量、粉末工藝條件和參數、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度的貢獻是不相同的，本文就水泥熟料粒徑對其強度的影響機制進行分析，探討更好的粒徑區間，從而正確地指導生產和實踐。

(1)熟料粒徑與熟料凈漿強度。為了探討熟料不同粒徑與其性能之間的關系，熟料取自本公司某一穩定運行時間段，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)，5～30mm(編號K2)和大于30mm(編號K3)的熟料各10kg，每種稱出5kg摻入5％的磷石膏后進行小磨實驗對比，控制比表面積相近，然后測定不同粒徑區間的熟料各齡期強度，結果見表1。

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

(2)熟料粒徑與熟料化學成分。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行化學成分分析，結果見表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。

(3)熟料粒徑與熟料礦物組成。分別對K1、K2、K3熟料樣本進行了XRD分析，結果見表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B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。

(4)熟料粒徑與巖相分析。K1、K2、K3熟料樣品巖相見圖4～6。

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的情況，而且因結粒大，部分熟料中心有未燒透的現象。

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55μm以下，通過液相將這些幾十μm的小晶體“膠結”在一起。

可見，液相的數量和性質(粘度和表面張力)對熟料結粒的形成起著至關重要的作用。要使熟料結好粒，必須有足夠的液相，并要求顆粒在液相內分布均勻，形成較高的表面張力，較低的液相粘度，適宜的結粒時間和溫度等。

因此，影響熟料結粒大小的最根本因素是液相的數量和性質。熟料液相量太少不易結粒，太多易結成致密的大塊熟料；液相表面張力大易結粒；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，隨溫度的上升而下降，一般說來液相粘度值減少，有利于熟料結粒。

根據研究，熟料中的堿含量、鋁率偏高表示高溫液相粘度偏大，導致熟料煅燒更容易結大塊，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出現的組分)會降低液相的表面張力，導致熟料結粒困難。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較慢，而且液相量偏少，所需的燒成溫度變高，熟料結粒困難。

根據表2的數據，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是決定熟料強度特性的主要成分，共有7種晶型，工業熟料中一般是M1型和M3型，通常認為其對稱性高的晶型強度高，R型強度最強，M1型比M3型的強度高10％左右。

C₂S有5種晶型，水泥熟料在燒結溫度1425℃會生成α-C₂S，如果緩慢冷卻會轉化成水硬性微弱的γ-C₂S，并發生粉化現象，俗稱黃心料，粉化后的熟料強度很低，甚至沒有強度。如果急速冷卻至670℃，會轉化為介穩狀態的β-C₂S并伴隨玻璃相的生成。

β-C₂S熱力學不穩定，活性較高，但不如C₃S，故水化速率較C₃S慢，但是晚期強度會逐漸增加。純凈的C₃A是立方晶體，但在Na的取代下，會轉變成含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，且早期和晚期強度都比較低。

根據表3的數據，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強度應該最高；K2中C₃A的含量最高，C₃A水化速度最快，1d內就可以具有較高的強度，主要提供水泥的早期強度，所以K2的3d強度是最高的。

根據三種熟料礦物巖相結果，可以看到結粒小的熟料其C₂S和游離鈣反應生成C₃S更完全，阿利特的含量增加，游離鈣的減少，對熟料強度提高都是有利的。結粒大的熟料，中心還未反應完全就被包裹，殘留的游離鈣就多，熟料性能自然就會降低。

通過對不同粒徑的熟料顆粒進行凈漿強度、化學成分、礦物組成的比較，可以得出如下結論：在相同的煅燒條件下，隨著熟料粒徑變大，其3d強度會先增加再減小，28d強度會不斷減小。而熟料粒徑的大小，可以通過改變高溫液相出現的溫度和速度，高溫液相的粘度和表面張力來調節，具體就是調整熟料的硅率、鋁率以及有害成分(堿、三氧化硫和氧化鎂)的含量，在保證窯內煅燒正常的前提下，使熟料結粒更小，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。

作者：馮翔

來源：《葛洲壩嘉魚水泥有限公司》

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