球磨硅酸三钙的颗粒特征与分形维数研究

深蓝梦境

　　摘要：采用激光粒度测量技术和扫描电镜测试技术对硅酸三钙(C3S)单矿物经高能球磨后的颗粒特性进行了测试，并运用分形理论对测试结果进行分析。结果表明，C3s经高能球磨粉磨后被迅速地细微化，产生了脆性破坏和塑性变形两种不同类型的破坏。球磨C3S的分形维数与其粉磨试样的粒度分布、比表面积和中位径等参数间存在良好的相关性，是一个能综合反映粉体颗粒特性的参数。

　　水泥材料的颗粒特征如粉磨细度、颗粒分布、颗粒形状等是材料的物理性能，与水泥在使用过程中的物理化学性能密切相关。长期以来，人们一直对水泥材料的颗粒特征与性能间的关系进行着多方面的研究。目前对水泥基材料的颗粒特性与性能间关系的研究，采用较多的是用比表面积S、颗粒分布特征;和均匀性系数n3个参数的相关性来共同表征，亦有用灰色系统理论和群子理论进行研究，这些理论均是基于一定尺度下的筛余量和一定限度下的比表面积得出的，因而具有一定的局限性。作者运用分形维数理论对球磨硅酸三钙的颗粒特征与分形维数间的关系进行了探索性研究。

　　1　实验

　　1)样品制备C3S的合成采用烘干后的分析纯氢氧化钙(Ca(OH)2)和分析纯二氧化硅(SiO2)，按C3S分子式进行计量配料后，置于陶瓷球磨罐内混料8h，在100kN压力下压制成φ30mm×6mm的试块，置于硅钼炉中煅烧，升温速率为5℃/min。升温到1500℃恒温2h出炉，空气急冷。所得样品磨细至全部通过80 pm标准筛后加少量分析纯无水乙醇拌合，再次压块人炉煅烧，如此重复进行4次，直至出炉后得到坚硬不粉化的试块。XRD检测为三斜晶系C2S。合成的C2S预磨至全部通过100目筛后置于QM―IF型行星式，高能球磨机中无助磨剂干法粉磨，采用2级钢球级配，球料质量比为10:1，转速为300r/min。粉磨时，每0.5h停机冷却以控制罐内温度低于50℃。分别粉磨不同时间取样做相关测试。
　　2)样品测试样品的比表面积测试按照GB/T8074进行，粒度分布与中位径采用英国产Malvern型激光粒度仪测量，用日产JSM一5610LV型扫描电镜观察粉磨样品的颗粒形貌。

　　2　结果与分析

　　2.1　C3S的颗粒特征
　　C3S粉磨不同时间样品的粒度分布数据列于表1，图1为样品的中位径(d50)及比表面积(S)变化趋势的测定结果。由表1及图1可知，粉磨5h时，C3S粉体中3μm以下的颗粒含量即达到最多，16μm以上各粒级含量减至最少，中位径迅速降至次低(2.59μm)，勃氏比表面积增至568.9m2/kg。粉磨12h.3μm以下颗粒含量略有减少，5～16μm粒级含量减至最低，其它各粒级含量则开始增加，表面积达到最大575.8m2/kg，中位径略有增加，说明粉磨5 h后有团聚现象发生。

　　此后继续粉磨至72h前，3μm以下颗粒持续减少，3～10μm和32μm以上各粒级含量渐增，表明团聚现象加剧。粉磨72h.3μm以下含量再次增加并达到最大，其它各粒级含量则均减少，同时中位径减至最小(2.34μm)，表面积又增至572.1m2/kg，但比表面积在5h后变化不大，同时还可注意到所有粉磨试样32 gm以上颗粒含量均不足1%。较多发生的是脆性破坏，塑性变形相对不足。对照粉磨不同时间C3S样品的扫描电镜(SEM)图(见图2)，可见初始粉磨0.5h时，G3S样品的颗粒较粗大、棱角分明。至粉磨5h时，大颗粒上仍可见棱角，但颗粒的圆形度大为改善。粉磨48h，样品颗粒的圆形度显著提高，在大颗粒上可见明显的剥蚀痕迹，颗粒间基本未见到团聚现象。在粉磨72h的样品SEM图上，可见C3S颗粒进一步细化，圆形度进一步提高，同时可观察到轻微的团聚现象。这一变化过程与之前描述吻合。

　　2.2　C3S的分形研究
　　根据y=(xz)OCX3-D式对表1中所列数据进行的ln ym(x)～ln x线性拟合可得良好的线性关系。求得的C3S的分形维数D值与粉磨时间的关系如图3所示。可见其变化规律与C3S样品的比表面积随时间的变化规律相一致。粉磨12h前，分形维数随颗粒的细化、比表面积的增加而增大;粉磨12h时，随着比表面积达到最大，分形维数也达到峰值(2.6969)。此后，随着粉磨的进一步进行，C3S颗粒由于团聚与再粉碎现象的发生，并伴随圆形度的改善，比表面积发生了减小后再增大的变化(中位径出现增大后再减小的变化)。与此相对应，分形维数表现出先降低再增大的变化。

　　图4和图5显示的分别是C3s粉磨试样的分形维数与比表面积S和中位径d50。之间的变化关系。可见分形维数与比表面积间显现出较好的线性关系，与中位径间表现为良好的逆变关系。这一结果与作者对水泥基材料颗粒特性与分形维数的研究结果相一致。进一步分析表1所示C3S粉磨不同时间各粒级颗粒含量的变化规律与图2所示C3S颗粒形貌的轮廓变化情况可知，分形维数随着3μm以下细颗粒含量的增加和颗粒间自相似性(即圆形度)的改善而增大。

　　3　结论
　　a.C3S在高能球磨机的作用下被迅速地细微化，产生了脆性破坏和塑性变形两种不同类型的破坏。
　　b.长时间的球磨作用使C3S微粒的球形度不断提高，并发生了二次粉碎现象，但团聚现象并不严重。
　　c.球磨C3S的分形维数与其粉磨试样的比表面积、中位径、粒度分布与颗粒形貌间存在良好的相关性，是一个能综合反映粉体颗粒特性的参数。


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