引言
水泥颗粒的大小与形状已经成为生产商和使用商关注的水泥质量的内容之一。人们曾经以为水泥细度是水泥早强的关键，而科学研究认为，提高水泥早强不一定要走细磨道路，可以通过调整水泥颗粒分布达到最佳堆积密度，适当加入高效分散剂降低水胶比，使胶体中水泥颗粒靠得更紧密，同样可以配制出高早期强度和高密实性的混凝土（乔龄山语）。
在追求水泥细度的过程中，人们很容易发现，高细度会加大能耗、钢耗，会使用更多地助磨剂、减水剂。既然水泥颗粒分布的控制可以实现水泥早强提高的要求，水泥制造商必然会从成本和质量的角度出发，把精力放到颗粒分布的控制上来。
本文从水泥粒度控制理论依据出发，谈谈水泥粒度分析技术的发展趋势。
1水泥粒度控制的理论
关于水泥质量的控制,我国较多的水泥企业采用控制80μm 筛余和比表面积来实现，但实践证明，这些方法对于控制水泥性能和充分发挥水泥各组分的作用是远远不够的。细度（80μm 筛余）和勃氏比表面积只能部分的体现水泥的颗粒情况，无法完全了解水泥颗粒的分布。众所周知，即使筛分细度相同或比表面积相近，水泥的性能有时也会表现出较大的差异，其原因是粒度分布可能不同（当然，颗粒形状的因素也很重要）。勃氏透气法比表面积实际含有颗粒堆积因素，并非真正几何意义上的颗粒比表面积。激光计算比表面积值比较细致地考虑了颗粒形状和细度且与颗粒堆积状况无关，与水泥使用过程中强度的发挥对应性可能会更好。激光粒度仪能够得出水泥行业原来无法测量的粒度分布，建立起粒度分布与强度的关系。
国内外水泥性能研究人员的研究认为，水泥颗粒大小对水化过程有着直接的影响，不同粒径的水泥水化速度及水化程度差异很大。水泥中0~30μm 的颗粒对强度起主要作用，其中0~10μm 部分早期强度高，10~30μm 部分后期强度高。3~30μm 这部分颗粒含量越多，水泥质量越好。粉磨过程中，不能完全消除>32μm 的颗粒（但应尽量减少>60μm 的颗粒），同时又必然产生<3μm 的颗粒。最佳水泥颗粒级配是：3~32μm 的颗粒含量>65%，<3μm 的颗粒含量在10%左右。在适当的条件下，提高这一阶段的含量，就可达到提高强度的目的。
通过对粉磨方法及粉磨工艺的研究可知，调节选粉机产品的粒度分布可以提高水泥的强度，而不一定要由提高粉磨细度来实现这个目的。这些研究成果已经被很多从事水泥粉磨的技术人员和提供水泥粉磨咨询服务的公司所认可。在国内的几家水泥技术杂志的广告上，不少的从事粉磨服务的公司都在倡导这一技术思想。
2 推广水泥粒度测试方法的现状
在水泥质量控制观念发生变化以后，粒度测试渐渐进入水泥企业的实验室。除了国外知名品牌的粒度测试仪器涌入我国以外，用于水泥粒度的国产测试仪也多了起来。几年前，粒度测试在我国水泥行业的较高层次上也已引起一定的重视，2006年5月发布的建材行业推荐性标准《水泥颗粒级配测定方法――激光法》就足以说明。
这种观念的改变并非我们想像的那么快。目前粒度测试仪器在水泥生产企业的普及率还处于较低水平（2007年，在中国国际峰会上，张福根、曾学敏等认为粒度测试仪器在水泥企业的普及率只达到2%）。笔者认为其根本原因有二：一是国家的强制性标准只对细度作了规定，而粒度只是推荐性标准；二是广大的水泥生产企业及行业主管部门，对粒度测试还不够重视，没有真正理解粒度控制在水泥质量的提高和生产能耗降低方面的作用。
3 常见的粒度测试仪器
常见的粒度测试仪器有：激光粒度仪、沉降粒度仪、电阻法颗粒计数器、颗粒图像仪以及动态光散射仪等。其中动态光散射仪的测量范围主要在亚微米和纳米级，显然不适合水泥的测量；沉降仪、电阻法计数器和图像仪的测量范围虽然主要在微米级，但它们的动态范围不够。所谓动态范围就是粒度仪器在一个量程内能测量的最大与最小粒径之比。前述三种仪器的动态范围均在20:1左右，而一个水泥样品的粒度分布范围大约在100:1左右，所以这三种仪器难以满足水泥的粒度测试需要。在上世纪七、八十年代，我国水泥行业尝试过推广沉降天平，最终没有成功。原因有很多，其中原理性的原因就是动态范围不够。激光粒度仪适合测量水泥的粒度分布，首先因为其动态范围可以达到1000:1以上，大于水泥的粒度分布范围；其次它在样品分散方式上还可用空气作为介质（干法分散），做到了既方便又低成本。用激光法进行水泥粒度分布测量的突出优点是速度快，操作简便，重复性好。激光法是国内外水泥行业首选的一种新的粒度分布测定方法。
4 水泥粒度分析技术的发展趋势
对于那些明白水泥粒度分布（颗粒级配）对水泥强度、混凝土性能的影响及其带来方方面面效益的企业，在实验室改造和新线建设时就很重视粒度测试仪器的配置。
激光法用于水泥粒度测试常见的形式有离线测定和在线测定，在线测定因能提供比人工取样的实验室测量结果更为精确而连续的数据而成为发展趋势。最为先进的自动化在线测定已经在豪西蒙（Holcim ）的Obourg公司使用。
4.1在线测定水泥粒度的案例
上海联合水泥有限公司在做了一段时间的调查后，选用了英国Malvern 公司的Insitec 在线粒度监控系统来在线监控水泥的粒径分布。因为Insitec 系统能自动监控质量，提供连续的数据，使实时生产优化成为可能。生产优化是终极目标，通过生产监控来决定哪些参数需要优化，如何进行优化。
在使用Insitec 以前，每小时测量比表面积和80μm 筛余1 次。但上海联合水泥有限公司发现，有时人工比表面积并不能及时地反映粉磨系统操作状态的变化。有时生产很平稳，人工比表面积值却波动较大，有时生产已出现较大波动，人工比表面积值却没有什么变化。
上海联合水泥有限公司安装新的Insitec 在线分析系统的目的是，在线监控水泥的粒径分布，及时调整选粉机的转速，通过对水泥在线粒径分布的更佳控制来提高对水泥质量的控制力度。
?? Insitec 在线分析系统的工作过程是：使用一种可调速的螺旋取样器将样品取出，调节螺旋取样器转速以确保收集到足够的样品给下一级取样系统。利用Eductor，次级取样系统每小时取样量可达20kg。Eductor通过陶瓷管吸入样品并将其输送到流动池做激光衍射粒径测量。当颗粒通过激光光束时，前散射光被接收镜接收并聚焦到圆环孔环形检测器，被高速扫描、记录和数字化，用于连续实时分析。测量结束（瞬时测量）后，样品通过有陶瓷内衬的回料管回到水泥主管路中去，避免损失和泄漏。
在线设备的主要优点是它提供闭合回路并使用根据粒径分布计算而得的关键参数去自动控制选粉机的可能性。Insitec 系统每秒测量一次，但我们选择30 秒钟的平均值来控制选粉机。
利用选粉机速度微调的性能，可以对选粉机的转速做细微的改变，操作人员坐在中央控制室，几秒钟之后就可以看到水泥的粒度是如何随着选粉机转速的变化而变化以及变化大小，好像一台实验室仪器搬到了现场。而目前现有的实验室测量粒径和比表面积仪器，由于取样的局限性，不能及时、真实的反应生产线上的实际情况。在线水泥细度监控使操作员能将水泥细度控制在更窄的范围内。
上海联合水泥有限公司使用Insitec 系统后认为：（1）在线监控3-32μm 的百分比，能更好的控制水泥的颗粒级配；（2）实验室每天的工作量减少22 次；（3）实验室每天只需测试一次一天平均细度值，来验证细度在设定范围；（4）水泥细度标准偏差更小，早期强度和后期强度更稳定；（5）生产的水泥具有比表面积值偏差更小，颗粒级配更加合理，分散性更好，早强高，后期增进好，质量更稳定等特性，更加具有竞争力。
4.2 自动化在线测定水泥粒度的案例
由于水泥生产商致力于降低日常运营相关成本，建立自动化实验室成为日渐兴起的趋势。完全自动化可以使分析过程与日常操作更紧密地集合在一起，从而提高了对业务需求的响应。此外，分析变成了生产过程中不可或缺的一部分而不是服务设施，其坐落位置通常会更接近实际生产线。
据国外某水泥专业媒体报道， Holcim的Obourg(比利时)水泥厂进行了化验室改造，使其能够进行日常水泥成分和粒径分析的自动化实验室。所选用的颗粒表征的系统是来自马尔文仪器公司的Insitic ALISS，它能够满足以最少的维护工作实现连续操作的需求。
Holcim是世界顶尖的水泥和混凝土供应商之一，业务遍及全球70多个国家。比利时的Obourg工厂每年生产约160万砘水泥，产品分为十个不同的级别。由于水泥质量主要取决于化学成分和细度，因此成分分析和颗粒大小测量是日常操作所需的常规功能。
Obourg工厂对矿渣、石膏、无水硫酸钙、粉煤灰及高炉矿渣的混合物进行研磨，制造成相应的颗粒大小，用以生产各种不同级别的水泥。颗粒大小很重要，因为它决定了在进行水化时水泥的活性，从而会直接影响抗压强度，这是水泥用户非常关心的参数。
在生产地，用两台独立的球磨机生产水泥。这两台球磨机的下游均具有分级机和收尘器，用以从磨粉机出口物质获取最终产品，并将粗料回收取到磨粉机。对各种成分的进料速率会被进行控制，以获得理想化学成分的产品，同时结合研磨机和各种分级机来控制颗粒大小。
在安装自动化实验室之前，X-射线荧光光谱分析（XRF）、X-射线衍射分析（XRD）及粒径分析仪在离生产流水线一定距离和集中地进行分析试验。取样、传输、制备和后续分析会自动执行，但设备会逐渐老化，而且需要每天进行清洁/维护。实验室和生产流水线间的距离很近，因而并不适合进行样品运送。两年前，工厂决定通过设计、安装自动化实验室对已有的设施进行升级，以满足日常分析对成分和粒径要求。
新设备的安装为Obourg团队提供了一次机会，让他们能够解决现有系统中存在的问题，并设计一个实验室以满足用最少的手动输入获得相同分析结果的发展需求。对于新安装的仪器，关键要求是几乎不需要清洁、或清洁工作全部自动化，高可靠性以及能够在少量维护的情况下全天候运行的能力。随着控制自动化程度的提高，日常操作和数据传输与现有控制平台的集成也变得很重要。
Holcim的自动化实验室是一间接近主控制区域的专用房间；白天由一个人负责运行，正常工作时间以外基本上无需值守。实验室的中心位置有一个机器人，用以对样品进行分配，在样本制备和分析过程中运送样品，并在测量后清洗样品罐。机器人周围是相连的操作单元：样品接收区；两台磨机和一台碾压机用于为XRD和XRF制备样品；两台传送装置，用于将数据磁盘运送到相关的分析仪；以及用于测量细度的Insitec ALISS。
Insitec? ALISS使用激光衍射技术测量颗粒大小，该技术已为水泥及其它行业所公认。在Obourg，使用激光衍射分析技术已经很多年——马尔文的Mastersizer是一套很有用的实验室设备。为自动化实验室选择分析仪时，Holcim从马尔文得到的技术支持和Goffin Meyvis（Holcim公司在比利时的供应商）的经验起到了重要作用。这两家公司总是提供的非常模范的服务，Holcim团队深知在遇到任何有关新实验室的问题时，他们可以信赖这一点。此外，以前使用其它马尔文系统的体验也让他们信心倍增。
最新开发的Insitec ALISS是一款现场粒径分析仪，为手动或全自动分析而设计，为技能相对不熟练的人员在生产工艺环境中操作。它设计稳健，不受周围环境中的粉尘和振动的影响，且易于使用——只要简单装载样品并启动分析过程即可。可以轻松地设定数据显示以满足用户的需求，而且拥有技术完善的软件包，能够直接与现有控制平台进行通信。
Insitec ALISS提供了大量对于Holcim自动化实验室水泥应用特别重要的功能。包括：抗磨损的陶瓷内衬部件；可以防止产品积累积聚从而降低清洁要求的高光洁表面；快速的测量时间，少于一分钟。不需要进行样本制备，只要机械臂将样品直接倒入分析仪，因此只要使用邻近的空气喷嘴清洁即可。数据结果传输到控制系统，以便于自动或手动控制研磨过程。
从两条磨粉机流水线出口处获得的样品，每隔一小时会被定期送入自动化实验室。通常每隔12min从最终产品传送装置上进行一次取样用于分析。这样可以得到前一小时的平均样本，而不是生产工艺的瞬间表现。如果有必要，可加快取样，以便能够收集到点样。然而，对于日常操作，通过一个小时内收集和混合的样品能生成更具代表性的数据。样品被放在密闭容器中，通过气动线路传送到自动化实验室，在这里将其等分并进行分析。250g样品中的80g用于颗粒大小测量，其余部分则用于其它分析，并用作24h的组合样品来进行分析日常平均结果。
传输至Windows CC控制系统的数据会将信息传送至操作员，用于对工艺进行控制。主要参数是直径小于10μm、22 μm和32 μm样品的百分比，如有需要，也可以对其它参数进行报告，包括比表面积。
对于每一级别的水泥，Holcim建立了相应的控制模型，对怎样根据次优或超出规格的粒径测量结果更改不同工艺变量进行了描述。这些经验模型是在安装了Insitec ALISS之后，利用该新型分析仪测量的数据而建立的。根据这些模型，控制系统可以控制磨粉机进料速率、分级机速度和过滤器的气体流速，以确保粒径不会超标。这一自动化控制由操作员密切监控，而且在必要时可以轻松予以干预。
自动化实验室满足了项目的简化要求，只需要很少的手动干预便可全天候运行。维护工作，特别是清洁过程，与原先的装置相比减少了繁重的步骤，而且与控制系统的通信也更容易。
5结束语
随着我国水泥工业产业结构调整的不断深入，水泥工作者的节能视线必然会从主机工艺转向生产细节。精细管理将是水泥企业立于不败之地的制胜法宝。在线颗粒大小分析必然成为精细管理的一环。水泥行业甚至会越来越普遍地将在线颗粒大小分析与全自动化控制相结合，使用自动化现场分析也能够获得良好的控制能力。自动化实验室让分析过程更接近生产，并最大程度地减少了日常分析所需的人力。该项技术已经发展到能够以最少的人工输入工作量实现全自动化实验室全天候的测量。分析系统（例如Insitec ALISS）设计为可在工艺环境中运行，并与现有控制平台集成，促进了使用测量数据进行自动化控制的策略。在Holcim的水泥厂的应用表明方法非常有效，并且说明了从传统实验室转型工艺集中分析方法之后，水泥企业将获益更多。