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水泥是现代建筑施工中使用最广泛的胶凝材料,而水泥的生产需要消耗大量的资源和能源,在节能减排的大背景下,生产优质水泥,提高产品利用效率,减少水泥使用量,实现节能减排便成为当今水泥行业的一项大的研究课题。水泥的性能从化学角度分析受其化学成分及矿物组成的影响,从物理角度来讲则受其颗粒特性的影响。在资源日益匮乏的今天,原料的可选性很小,因而通过物理途径改变水泥的颗粒特性来优化水泥性能就显得尤为重要。 水泥的颗粒特性最主要的就是粒度分布,根据RRB方程的描述,水泥的粒度分布由特征粒径和均匀指数来决定,不同的特征粒径和均匀指数对应着不同粒度分布的水泥。研究发现,特征粒径和均匀指数对水泥粉体颗粒水化程度和堆积密度有很大影响,从而决定了水泥强度的发挥;对于纯熟料水泥,为获得较高的抗压强度,特征粒径与均匀指数的最佳组合为x=28μm,n=1.2或x=21μm,n=1.4;当在熟料中添加混合材时,熟料部分特征参数最佳组合为x=28μm,n=1.4,添加混合材后水泥整体粒度分布符合Fuller曲线对粒度的要求。 水泥的颗粒特性还包括颗粒形貌,其对水泥强度也有重要影响,颗粒圆形度较好时,有利于水泥强度的发挥。新近开发的行星式球磨机不但可以节约能耗,还可以获得圆形度较好的水泥颗粒,有利于水泥的高效应用。 水泥的粒度分布影响着水泥的水化和堆积性能,目前存在的很多粒度分布模型描述了不同的粒度分布,具有代表性的即是Fuller曲线堆积模型和RRB方程堆积模型。Fuller曲线分布的特点是细粉含量高,堆积孔隙率较小,但较高含量的细颗粒也使水泥标准稠度需水量增加,而且还可能导致后期强度的倒缩;另外对水泥中后期水化起重要作用的3-32μm部分颗粒含量较低,造成水泥中后期水化动力不足。RRB方程分布的特点是满足该模型粒度分布的水泥能达到最佳水化条件,但由于细粉含量较少,无法获得紧密堆积,孔隙率较高。为了充分利用水泥就需要开发一种新的堆积模型来描述水泥的粒度分布,同时实现水泥堆积密度和水化程度的最佳化。 Horsfield堆积模型是一种不连续颗粒的紧密堆积模型,满足该模型粒度分布的粉体颗粒堆积时孔隙率较低,但与现实中水泥粉体颗粒的连续分布相矛盾。而根据等径球理论的描述,当粒径分布区间宽度系数大于0.7时,区间内所有球形颗粒可以视为等径球。因此我们考虑将给定区间按照大于0.7的区间宽度系数划分为若干个连续的粒径单元。对于每个单元,再按照Horsfield堆积的要求将其划分为5个粒径区间,并按照Horsfield填充的个数比的要求分布,以此达到整体上的连续分布和分粒径区间的紧密堆积。在此基础上我们提出了新型水泥粉体颗粒堆积模型——PH堆积模型,弥补了RRB方程分布和Fuller曲线分布的不足。满足该模型粒度分布的水泥粉体颗粒不但细颗粒含量较低,还增加了对水泥中后期水化起重要作用的3-32μm部分颗粒,改善了水泥的颗粒组成,兼有堆积密度高和水化性能好的双重优势;应用于水泥粉体颗粒体系后,水泥硬化浆体有较高的抗压强度和较高的水化程度,实验结果满足理论设计要求,可以将其作为水泥粉体颗粒堆积模型,指导水泥的生产。 在新模型建立过程中,计算机模拟软件的使用方便了颗粒堆积状态的研究,能在理想状态下模拟粉体颗粒的运动状态,并对指定区域进行孔隙率的计算,提高了分析效率。