水泥颗粒形状和大小对水泥强度的影响

水泥中国水泥网信息中心 2025-02-05

水泥颗粒的特性是影响水泥强度的核心因素。水泥颗粒的比表面积、细度和颗粒形貌等参数是表征其特性的关键指标。在国内建筑材料领域，比表面积和细度已被广泛用于描述水泥颗粒的特性差异。研究表明，在环境温度、湿度和养护流程等外部条件保持不变的情况下，水泥颗粒的比表面积越大、细度越小，水泥强度越高。

水泥颗粒的特性包括颗粒级配、颗粒形状、细度和比表面积等，其对水泥的强度有着重要的影响，其中水泥颗粒的形状和大小对水泥强度的影响效果显著。如何通过调整水泥颗粒的形状和大小来更好地提高水泥的强度成为了一个亟待解决的重要课题。

一、水泥颗粒的特性

以广泛应用的普通 32.5 级水泥为例，其细度被精准界定为 80μm，方孔筛余量严格把控在不超过 6.0% 的区间范围之内，而比表面积稳定处于 350～380m²/kg 的特定区间，每一项参数的精准设定，均是基于大量实验优化与质量管控实践的结晶；再聚焦 42.5 级水泥，细度同样精准锚定在 80μm，方孔筛余量遵循更为严苛的标准，限定不超 4.0%，比表面积亦为 350～380m²/kg。

此外，水泥颗粒的形貌和级配对水泥强度也有显著影响。就高标号波特兰水泥而言，其颗粒最优组成结构已然被精细解析：在 9 - 25μm 这一关键区间内，颗粒含量作为核心支撑力量，稳定占据 38% 的比例份额，为水泥强度的构建筑牢根基；3 - 9μm 含量仿若灵动敏捷的 “战术协同单元”，依据实际工况在 22% - 36% 的区间内灵活调配，实现与其他粒径颗粒的高效协同；0 - 3μm 含量则作为辅助补充力量，占比处于 10% - 20% 区间，各部分各司其职、相辅相成，共同搭建起水泥强度的稳固架构。有学者提出颗粒圆形度理应精准把控在 0.76 左右。

二、水泥颗粒形貌表征参数

水泥颗粒的形貌对水泥强度有重要影响，球形度和圆形度是描述其形貌的核心参数。在实际研究和生产中，获取球形度和圆形度数据的方法包括人工法和图像仪器法。人工法通过科研人员的细致观察和精确测量，对水泥颗粒的球形度和圆形度进行逐一统计。图像仪器法则借助高精度显微镜成像技术、图像分析软件和数据处理算法，能够快速扫描大量水泥颗粒样本，并自动统计出球形度和圆形度的详细参数。这些方法为研究水泥强度与颗粒形貌之间的内在联系提供了数据支持。

三、对水泥强度的影响

（一）水泥细度和比表面积对水泥强度的影响

水泥颗粒的细度和比表面积对水泥强度有显著影响。一般来说，水泥颗粒越细，比表面积越大，水泥强度越高。在水化反应初期，水反应表面积是决定硬化初期水化物数量的关键因素。随着水化进程的推进，水泥颗粒周围的水化产物结构逐渐形成，反应速率逐渐减缓。因此，提高粉磨细度可以显著提升早期水泥强度。实验表明，小于 3μm 的颗粒在早期强度发展中起决定性作用，但后期作用有限；3 - 9μm 和 9 - 25μm 的颗粒是支撑水泥最终强度的“中坚力量”，持续为强度增长贡献力量；增加 3 - 32μm 颗粒的含量能显著提升水泥强度。以 CEM I32.5 水泥为例，当比表面积从 3040cm²/g 增加到 3100cm²/g 时，水泥强度明显提高。

（二）颗粒级配与颗粒形貌对水泥性能的影响

水泥颗粒的级配和形貌对水泥强度有显著影响。在水泥比表面积相近的情况下，颗粒级配的微妙变化是决定水泥强度的关键因素。研究表明，当粒径不大于 32μm 的颗粒含量越高，水泥的强度越高。其中，3 - 32μm 的颗粒是增强水泥强度的关键，其含量应不低于 65%，且粒级分布要连续；粒径小于 3μm 的颗粒应控制在 10% 以内；粒径大于 65μm 的颗粒含量越少越好；16 - 24μm 的颗粒对强度影响极大，含量越多越好。此外，在比表面积相似的情况下，球形度较高的水泥具有独特优势，用水量显著减少，且 28d 抗压强度大幅提升。

（三）颗粒形貌与分布对水泥石孔结构与强度的影响

水泥颗粒的形貌和分布对水泥石的孔结构和强度有显著影响。研究表明，球形水泥颗粒因出色的流动性而降低标准稠度用水量，同时强度表现优异。即使颗粒组成和比表面积相同，圆形度的差异也会导致水泥强度的显著不同。这是因为圆形度的提升优化了硬化水泥石中的孔结构，降低了空间隙率，增加了细小孔数量，减少了大孔数量，使石孔结构更加密实。因此，在生产实践中，优化粉磨工艺以提高圆形度是提升水泥强度的关键。

（四）颗粒级配对水泥凝结时间的影响

水泥凝结时间受颗粒级配的显著影响。水化产物数量与水泥颗粒间空隙共同决定了凝结时间。当水化产物充足时，凝结过程顺利；若颗粒间空隙较大，则需要更多水化产物来填补。颗粒分布较宽时，颗粒间堆积间隙小，标准稠度用水量减少，水化产物早期大量产生，颗粒间距离缩小，凝结时间缩短。反之，颗粒间隙分布窄时，用水量增加，水化产物早期产量少，颗粒间距离增大，凝结时间延长。

（五）颗粒分布对水泥水化率的影响

水泥颗粒分布对水化率有显著影响。在相同时间与水化深度下，粒径越小，水化率越高。当水化深度较浅时，颗粒分布宽的水泥水化率高，早期强度优势明显；而当水化深度较深时，颗粒分布窄的水泥后期水化率上升，实现超越。这种颗粒分布与水化率的博弈深刻影响着水泥的水化进程与强度发展。

（六）颗粒级配对水泥强度的影响

研究表明，调整水泥颗粒分布是提升水泥石孔结构密实性与强度的关键。最佳颗粒级配为：小于 3μm 颗粒含量控制在 10% 以内，3 - 32μm 颗粒含量大于 65%，大于 65μm 和小于 1μm 的颗粒含量均为零。增加 3 - 32μm 颗粒含量能显著提升水泥强度。合理规划颗粒分布能使水泥浆体达到最佳密度堆积状态，使水泥石空隙率与孔径显著缩小，结构均匀密实。通过精细调整颗粒分布，可优化堆积密度与反应面积，挖掘出最优粒径分布，实现水泥强度的优化升级。

四、优化颗粒形状和大小的方法

（一）选择合适的设备

提升选粉效率是优化水泥颗粒形状与大小的关键。选粉效率越高，颗粒分布越集中，能有效减少粒径小于 3μm 和大于 45μm 的颗粒含量。在圈流磨系统中，旋风式、离心式和 O - sepa 式选粉机是常用设备，但选粉效率差异显著。在相同循环负荷下，离心式选粉机效率为 50%，旋风式为 64%，而 O - sepa 式高达 78%。因此，在选择设备时，应优先考虑选粉效率高的设备，如 O - sepa 式选粉机，以提升水泥颗粒分布质量，为生产高品质水泥奠定基础。

（二）磨机内部结构调整

磨机内部的仓长比是关键参数，通常以 1：2 为宜。偏离该比例会导致磨机运行异常，颗粒级配失衡。通过科学改造，使仓长比重归 1：2，可提升磨机产量，优化颗粒级配，为生产高强度水泥提供保障。

（三）共同粉磨和分别粉磨

混合材料与熟料共同粉磨可以优化水泥颗粒的形状与大小。将粉煤灰、石灰石等易磨性好的混合材料与熟料共同粉磨，可以增加粒径小于 3μm 的颗粒，优化颗粒级配，提升水泥强度。然而，对于比熟料更难粉磨的混合材料，应采用分别粉磨策略，单独粉磨至合适粒径后再进行调配，以确保水泥质量的稳定性。

（四）矿物掺合料的加入

矿物掺合料因其较小的粒径在水泥生产中广泛应用。矿物掺合料的粒径通常要求小于水泥粒径的 0.41 倍，以发挥最佳效能。例如，粉煤灰的比表面积控制在 500m²/kg 左右，能够有效填补颗粒间隙，优化水泥颗粒级配，显著提升水泥的耐久性和强度。

编辑：戴冬虞

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