不同細(xì)度鐵鋁酸鹽水泥的粒度特征及其對(duì)性能的影響研究

鐵鋁酸鹽水泥是我國(guó)自主發(fā)明的一種新型低碳水泥，具有快硬早強(qiáng)、耐腐蝕和體積穩(wěn)定性等優(yōu)異性能，在嚴(yán)酷海洋腐蝕環(huán)境、鹽堿環(huán)境、極地高原等低溫環(huán)境等特殊環(huán)境建設(shè)工程中有著廣闊的潛在應(yīng)用前景，受到了國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注。由于鐵鋁酸鹽水泥熟料燒成溫度低、熟料礦物活性高，水泥水化速度較快，造成凝結(jié)時(shí)間較短、流動(dòng)性能保持能力較差，而現(xiàn)代土木建筑工程尤其是大型工程中施工時(shí)，對(duì)混凝土流動(dòng)性能及其保持時(shí)間有較高的要求，因此，鐵鋁酸鹽水泥在現(xiàn)代土木建筑工程尤其是現(xiàn)澆工程中應(yīng)用就必須解決工作性能保持的問(wèn)題。要解決這個(gè)問(wèn)題，一方面可以通過(guò)外加劑如緩凝劑，另一方面也需要通過(guò)水泥自身參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。細(xì)度是水泥自身對(duì)水泥性能影響最大的物理參數(shù)，研究鐵鋁酸鹽水泥細(xì)度對(duì)其性能的影響規(guī)律有助于進(jìn)一步對(duì)鐵鋁酸鹽水泥性能進(jìn)行優(yōu)化。水泥細(xì)度有三種常用表征方式，分別是篩余、比表面積和顆粒分布。篩余主要基于傳統(tǒng)篩分方法，采用篩上殘余樣品質(zhì)量的比例來(lái)表示粉體粗細(xì)程度，在水泥工業(yè)中常采用80μm和45μm負(fù)壓篩篩余來(lái)表示水泥生料及水泥成品的細(xì)度。比表面積是表征水泥成品細(xì)度最普遍的方法，通常用勃氏（Blaine）透氣儀進(jìn)行測(cè)定。顆粒分布是通過(guò)不同粒徑的顆粒分布來(lái)表示物料的粗細(xì)程度，與篩余和比表面積結(jié)果僅獲得單一信息不同，通過(guò)粒度分布能獲得各種特征粒徑等多種信息。水泥工業(yè)顆粒分布測(cè)定最常用的方法是激光衍射粒度分析法。本文分別采用三種常用的細(xì)度表征方法對(duì)不同細(xì)度鐵鋁酸鹽水泥進(jìn)行了表征，分析了其相互之間關(guān)聯(lián)性及其差異原因，并就細(xì)度對(duì)鐵鋁酸鹽水泥性能影響進(jìn)行了研究。1、實(shí)驗(yàn)原材料與實(shí)驗(yàn)方法1.1實(shí)驗(yàn)原材料實(shí)驗(yàn)所用主要原材料鐵鋁酸鹽水泥熟料、硬石膏和石灰石均來(lái)自廣西某特種水泥廠生產(chǎn)鐵鋁酸鹽水泥所用的原材料和熟料，化學(xué)成分如表1所示。表1材料的化學(xué)成分%1.2實(shí)驗(yàn)方法1.2.1實(shí)驗(yàn)程序先將鐵鋁酸鹽水泥熟料、硬石膏和石灰石分別用實(shí)驗(yàn)室小型顎式破碎機(jī)破碎至5mm左右的顆粒，然后按照熟料∶硬石膏∶石灰石為75∶15∶10的比例稱(chēng)取5kg物料，放入實(shí)驗(yàn)室球磨機(jī)中粉磨至不同細(xì)度的鐵鋁酸鹽水泥樣品。水泥粉磨過(guò)程中，采用水泥工業(yè)中最常用的勃氏比表面積對(duì)樣品的細(xì)度進(jìn)行控制，樣品編號(hào)及相應(yīng)比表面積控制范圍見(jiàn)表2。表2鐵鋁酸鹽水泥樣品的控制比表面積將制得的不同細(xì)度鐵鋁酸鹽水泥樣品分別進(jìn)行篩余分析、勃氏比表面積分析、激光粒度分析以及物理性能檢驗(yàn)。1.2.2測(cè)試方法篩余分析：采用SF-150型水泥負(fù)壓篩析儀，按照GB/T1345—2005《水泥細(xì)度檢驗(yàn)方法篩析法》進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試負(fù)壓為-4~-6kPa。比表面積測(cè)試：采用SBT-127型數(shù)顯勃氏透氣比表面積儀，按照GB/T8074—2008《水泥比表面積測(cè)定方法勃氏法》規(guī)定的方法進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試中標(biāo)準(zhǔn)樣品采用國(guó)家水泥質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心研制的GSB14-1511水泥細(xì)度和比表面積標(biāo)準(zhǔn)樣品。激光粒度分析：采用Bettersize2600型激光粒度分析儀進(jìn)行測(cè)試，方法為干法，分散介質(zhì)為空氣。物理性能檢驗(yàn)：凝結(jié)時(shí)間按GB/T1346《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)，膠砂強(qiáng)度參照GB/T17671《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》規(guī)定進(jìn)行，其中用水量、加料順序以及脫模時(shí)間按JC/T933—2019《快硬高鐵硫鋁酸鹽水泥》規(guī)定方法進(jìn)行。2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論2.1鐵鋁酸鹽水泥的細(xì)度表征與分析不同細(xì)度鐵鋁酸鹽水泥勃氏透氣法比表面積測(cè)試結(jié)果如表3所示。從表3可見(jiàn)，F(xiàn)1~F7樣品比表面積均在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)控制范圍內(nèi)。表3不同細(xì)度鐵鋁酸鹽水泥樣品的比表面積和篩余量不同細(xì)度鐵鋁酸鹽水泥80μm和45μm方孔篩篩余量結(jié)果如表3所示。從表中結(jié)果可見(jiàn)，從樣品F1到F7，隨著細(xì)度增加，80μm和45μm篩篩余都是呈現(xiàn)單調(diào)遞減的趨勢(shì)。采用干法激光粒度儀測(cè)試的不同細(xì)度的鐵鋁酸鹽水泥粒度分布曲線如圖1所示。從圖1（a）中可見(jiàn)，鐵鋁酸鹽水泥的顆粒分布呈現(xiàn)雙峰分布，雙峰頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的粒度范圍分別為2~6μm和20~50μm。隨著細(xì)度增加，粗顆粒分布峰減小，細(xì)顆粒分布峰增大，與此同時(shí)粗顆粒和細(xì)顆粒分布峰均向粒徑減小的方向偏移。從圖1（b）中可見(jiàn)鐵鋁酸鹽水泥累計(jì)分布曲線隨著細(xì)度增加向粒徑減小的方向偏移，且曲線向大粒徑方向凸起的程度逐漸減小。通過(guò)激光粒度法累計(jì)分布曲線計(jì)算得到的0.08mm和0.045mm篩篩余數(shù)值示于表4。將表4中計(jì)算篩余量與表3中負(fù)壓篩實(shí)測(cè)篩余量數(shù)值進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，同樣是0.08mm和0.045mm篩篩余量，實(shí)測(cè)篩余數(shù)值與激光粒度法計(jì)算數(shù)值并不一致，且二者也不呈線性關(guān)系。造成二者不一致的原因主要是由于兩種測(cè)量方法原理不同。篩分法以通過(guò)篩孔來(lái)表征顆粒大小即篩分徑，而激光粒度法則采用等效體積徑來(lái)表征顆粒大小。對(duì)于球形顆粒，篩分徑和等效體積徑都是圓球直徑，兩種方法測(cè)得的結(jié)果具有較好的一致性。對(duì)于不規(guī)則顆粒，篩分徑具有不確定性，因?yàn)椴灰?guī)則顆粒只要有一個(gè)方向的Feret徑小于篩孔尺寸，就可能通過(guò)篩孔，但即使顆粒所有方向的Feret徑均小于篩孔尺寸，也不一定會(huì)通過(guò)篩孔。根據(jù)篩分原理，顆粒通過(guò)篩孔是有概率的，一般認(rèn)為顆粒粒徑小于篩孔尺寸的0.75倍時(shí)，易通過(guò)篩孔；而顆粒粒徑大于0.75倍篩孔尺寸時(shí)，通過(guò)篩孔的概率大幅度減少，被稱(chēng)作難篩顆粒。在磨礦工程中，通常認(rèn)為通過(guò)方孔篩最大顆粒粒徑為篩孔尺寸的0.9倍。正因?yàn)椴灰?guī)則顆粒的篩分徑具有不確定性，造成了篩分徑與等效體積徑之間具有較大的偏差，因此篩分法篩余結(jié)果和激光粒度法得到累計(jì)分布曲線計(jì)算篩余結(jié)果之間沒(méi)有對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖1不同細(xì)度鐵鋁酸鹽水泥的顆粒分布通過(guò)粒度分布曲線，可以獲得鐵鋁酸鹽水泥樣品的體積平均徑、面積平均徑等特征粒徑（見(jiàn)表5）。不同細(xì)度的鐵鋁酸鹽水泥的體積平均徑、面積平均徑、最可幾粒徑及D10、D50和D90等雖然表達(dá)的意義和計(jì)算公式各不相同，但從表5結(jié)果可知，這些特征粒徑的數(shù)值均隨著細(xì)度增加而減小，說(shuō)明這些特征粒徑均能在一定程度上表征粉體細(xì)度特征。表4粒度分布曲線計(jì)算篩余量表5不同細(xì)度鐵鋁酸鹽水泥的特征粒徑μm在鐵鋁酸鹽水泥顆粒分布的基礎(chǔ)上，采用下列公式可以得到樣品的計(jì)算比表面積Sc，結(jié)果見(jiàn)表6。式中，Vi是粒徑di的顆粒的體積，為鐵鋁酸鹽水泥的密度，取值2.90g/cm3。表6鐵鋁酸鹽水泥的計(jì)算比表面積將表6中鐵鋁酸鹽水泥計(jì)算比表面積與表3中勃氏法測(cè)定比表面積對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩種方法得到的比表面積在數(shù)值上有著明顯的差異，顆粒分布計(jì)算比表面積明顯大于透氣法測(cè)定的勃氏比表面積，這與文獻(xiàn)中報(bào)道結(jié)果類(lèi)似。勃氏比表面積測(cè)試原理是將料層空隙視作毛細(xì)管束，氣體在毛細(xì)管束中進(jìn)行黏滯流滲透，氣體體積流量、壓差及比表面積之間符合Kozeny-Carman公式。該方法所測(cè)得的是氣體在壓差作用下滲透流過(guò)的料層的比表面積，但下層多孔底板附近會(huì)有氣體不流過(guò)的區(qū)域；另外料層中各空隙實(shí)際上是相互連通的而并非理論上不連通的毛細(xì)管，相互連通會(huì)導(dǎo)致空隙不均勻處的部分小空隙為大空隙所短路，這些都會(huì)造成測(cè)得比表面積偏小。由激光粒度法根據(jù)公式（1）計(jì)算比表面積時(shí)，是按照等效體積球計(jì)算比表面積的，實(shí)際上等效球比表面積是相同體積各種形狀顆粒最小的比表面積，對(duì)于實(shí)際非球狀顆粒而言，其實(shí)際比表面積是高于等效球比表面積的，因此激光粒度法計(jì)算比表面積也是偏低的。透氣法測(cè)得的勃氏比表面積比激光法計(jì)算比表面積還低，說(shuō)明勃氏比表面積對(duì)于粉體比表面積的低估程度更高。雖然勃氏比表面積與激光法計(jì)算比表面積對(duì)于實(shí)際非球形顆粒比表面積都有所低估，但是二者存在良好的線性相關(guān)性，如圖2所示，線性相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.99以上。值得注意的是，上述關(guān)系式是基于同一物料、同一粉磨設(shè)備磨制的不同細(xì)度鐵鋁酸鹽水泥回歸得到，對(duì)于同一物料不同粉磨設(shè)備是否適用還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。對(duì)于特定鐵鋁酸鹽水泥生產(chǎn)線而言，通常物料和設(shè)備都是相同的，可以通過(guò)關(guān)系式相互計(jì)算。這就意味著采用激光粒度分析可以替代勃氏比表面積測(cè)定，這在鐵鋁酸鹽水泥生產(chǎn)控制與檢驗(yàn)中具有現(xiàn)實(shí)意義。激光粒度分析受環(huán)境和人員影響因素小，重復(fù)性好，自動(dòng)化程度高，可實(shí)現(xiàn)在線分析；而透氣法測(cè)試對(duì)環(huán)境、人員操作方法等較敏感，容易產(chǎn)生誤差。用激光粒度分析法替代透氣法對(duì)于鐵鋁酸鹽水泥生產(chǎn)控制與檢驗(yàn)，尤其是對(duì)于生產(chǎn)控制自動(dòng)化十分有利。圖2鐵鋁酸鹽水泥勃氏比表面積與計(jì)算比表面積的關(guān)系大量研究表明，煤、水泥等脆性材料破碎粉磨后粒度分布一般符合RRSB方程。式中：R——粒徑D的累計(jì)篩余，%；De——特征粒徑，即篩余為36.8%時(shí)的粒徑，μm；n——均勻性系數(shù)；D——顆粒粒徑，μm。將式（2）變形后得到：即lgD與lglg（100/R）呈線性關(guān)系，通過(guò)對(duì)二者進(jìn)行線性回歸可以得到均勻性系數(shù)n和特征粒徑De的值。將不同比表面積鐵鋁酸鹽水泥的顆粒分布數(shù)據(jù)進(jìn)行l(wèi)gD與lglg（100/R）的線性回歸，回歸過(guò)程中為了避免邊界不良傳遞，累計(jì)篩余R取（3%，97%）范圍?；貧w曲線如圖3所示。從圖中可見(jiàn)，不同細(xì)度鐵鋁酸鹽水泥RRSB擬合線基本近似平行線，擬合得到的均勻性系數(shù)n、特征粒徑De及相關(guān)系數(shù)R2示于表7中。圖3不同細(xì)度鐵鋁酸鹽水泥RRSB分布曲線表7不同細(xì)度鐵鋁酸鹽水泥RRSB擬合特征值從表7中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，隨著細(xì)度增加，線性相關(guān)系數(shù)R2略有降低。從圖3中可以看出，實(shí)測(cè)鐵鋁酸鹽水泥顆粒RRSB分布曲線并非嚴(yán)格直線，而是略帶S形，而且隨著細(xì)度增加，S形狀愈加明顯，這也導(dǎo)致擬合線性相關(guān)系數(shù)隨著細(xì)度增加略有降低?？傮w上而言，所有細(xì)度鐵鋁酸鹽水泥的SSRB擬合R2值均大于0.95，說(shuō)明其線性擬合是可接受的。不同細(xì)度鐵鋁酸鹽水泥均勻性系數(shù)n變化不大，細(xì)度較高的F6和F7樣品n值有較明顯的下降，主要是由于RRSB分布曲線偏離直線加劇造成的。這說(shuō)明相同物料、相同設(shè)備粉磨得到不同細(xì)度粉體均勻性系數(shù)幾乎保持不變。鐵鋁酸鹽水泥特征粒徑De隨著細(xì)度增加而逐漸減小，其變化趨勢(shì)與D10、D50、D90類(lèi)似。根據(jù)Anselm的研究，水泥比表面積與RRSB分布曲線中均勻性系數(shù)和特征粒徑的乘積（n·De）成反比。將不同細(xì)度鐵鋁酸鹽水泥勃氏比表面積SB與（n·De）進(jìn)行乘冪曲線回歸擬合（見(jiàn)圖4），發(fā)現(xiàn)鐵鋁酸鹽水泥的SB與（n·De）呈較好的冪函數(shù)關(guān)系，但冪函數(shù)指數(shù)與Anselm得出的-1不同，而是-0.75，這可能跟鐵鋁酸鹽水泥與硅酸鹽水泥粉磨后顆粒形貌不相同有關(guān)。圖4勃氏比表面積與n·De的關(guān)系2.2不同細(xì)度鐵鋁酸鹽水泥的物理性能對(duì)不同細(xì)度的鐵鋁酸鹽水泥的凝結(jié)時(shí)間以及強(qiáng)度等物理性能進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表8。表8不同細(xì)度鐵鋁酸鹽水泥的物理性能由表8可見(jiàn)，從樣品F1到樣品F7，隨著鐵鋁酸鹽水泥細(xì)度的增加，鐵鋁酸鹽水泥凝結(jié)時(shí)間呈逐漸下降的趨勢(shì)。這主要是由于隨著細(xì)度增加，鐵鋁酸鹽水泥比表面積增大，與水接觸面積也就是水化反應(yīng)發(fā)生范圍更大，水化漿體形成更加迅速，從而導(dǎo)致鐵鋁酸鹽水泥凝結(jié)時(shí)間縮短。初凝和終凝曲線隨比表面積增加呈現(xiàn)向下凹的形狀（見(jiàn)圖5），表明比表面積較小時(shí)，其對(duì)初凝時(shí)間的影響較終凝時(shí)間更顯著，而在比表面積較大時(shí)，則相反。這主要是由于較粗的水泥達(dá)到凝結(jié)時(shí)水化程度較較細(xì)的水泥低。隨著鐵鋁酸鹽水泥細(xì)度增加，鐵鋁酸鹽水泥的抗折和抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，尤其是1d和3d強(qiáng)度增加顯著。28d強(qiáng)度則在比表面積400m2/kg以下時(shí)隨著比表面積增長(zhǎng)顯著，當(dāng)比表面積超過(guò)400m2/kg時(shí)，則隨比表面積增加增長(zhǎng)相對(duì)緩慢。將不同細(xì)度鐵鋁酸鹽水泥抗折、抗壓強(qiáng)度與其測(cè)定比表面積進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)度與比表面積之間呈向上凸起的曲線關(guān)系，見(jiàn)圖6。圖5凝結(jié)時(shí)間與比表面積的關(guān)系圖6鐵鋁酸鹽水泥比表面積與強(qiáng)度的關(guān)系水泥的凝結(jié)和強(qiáng)度發(fā)展與水化緊密相關(guān)。早期的研究認(rèn)為漿體強(qiáng)度與水化產(chǎn)物的數(shù)量或其平方成正比，Lea研究了10種水泥的結(jié)合水量與強(qiáng)度的關(guān)系，認(rèn)為強(qiáng)度與水化產(chǎn)物數(shù)量并非呈線性關(guān)系，而是呈向強(qiáng)度坐標(biāo)軸凸起的曲線關(guān)系。Powers認(rèn)為水化漿體強(qiáng)度是對(duì)應(yīng)空間中已水化水泥的函數(shù)，由于已水化水泥主要是凝膠，也是凝膠/空間比的函數(shù)。由此可見(jiàn)，雖然強(qiáng)度與水泥水化程度或水化產(chǎn)物含量的具體關(guān)系有不同結(jié)果，但是二者之間呈正相關(guān)是相關(guān)研究一致的結(jié)論。對(duì)于鐵鋁酸鹽水泥而言，同樣如此。將鐵鋁酸鹽水泥顆粒視作球形顆粒，假設(shè)不同細(xì)度鐵鋁酸鹽水泥堆積密度不發(fā)生明顯改變，其性能發(fā)展主要取決于水化產(chǎn)物的數(shù)量。如果鐵鋁酸鹽水泥水化主要受擴(kuò)散控制，可認(rèn)為相同時(shí)間內(nèi)不同顆粒水化深度是固定值。按照半徑為R的球形顆粒，水化深度為h（見(jiàn)圖7），則水化層體積為：圖7部分水化鐵鋁酸鹽水泥顆粒示意球形顆粒比表面積為：S=4πR2，即R=根號(hào)下S/4π代入式（4）得到：式中齡期固定時(shí)，h為常數(shù)，則式（5）可以寫(xiě)成：式中a、b、c為常數(shù)。從式（6）中可知，水化產(chǎn)物的體積與比表面積呈向比表面積所對(duì)應(yīng)坐標(biāo)軸凹的正相關(guān)關(guān)系。由于水化產(chǎn)物數(shù)量（在密度基本保持不變的情況下，可認(rèn)為與水化體積成正比）是決定水泥凝結(jié)和強(qiáng)度的主要因素，因此凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度與比表面積呈逐漸減緩