吳笑梅：粉磨工藝對水泥品質(zhì)與生產(chǎn)能耗的影響　

  目前，各企業(yè)生產(chǎn)的水泥均存在品質(zhì)差異的，不同品質(zhì)的水泥在配置混凝土將影響著混凝土的五大性能：工作性能、力學(xué)性能、耐久性能、體積穩(wěn)定性能、經(jīng)濟(jì)性能。所以，越發(fā)達(dá)的地區(qū)對水泥品質(zhì)的認(rèn)識就越清晰，這也就導(dǎo)致在同一地區(qū)不同企業(yè)的水泥售價(jià)完全不同的重要因素之一。

  影響水泥品質(zhì)（強(qiáng)度、標(biāo)稠、外加劑相容性）的主要因素：

  （1）熟料的礦物組成（配方設(shè)計(jì)）

  （2）礦物的生長狀況（燒成及冷卻工藝）

  （3）水泥的顆粒組成（粉磨工藝系統(tǒng)）

  （4）混合材的品種與摻量

  （5）石膏的品種與摻量

  （6）其他（堿含量等）

  我們所關(guān)注的水泥品質(zhì)，除了過去一直說的強(qiáng)度之外，目前隨著商品混凝土技術(shù)的進(jìn)步，我們更多關(guān)注的是水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度。此外，還要關(guān)注外加劑的相容性、水泥的耐久性、體積穩(wěn)定性等因素。水泥的粉磨系統(tǒng)決定了水泥的顆粒組成，顆粒組成將影響到水泥的品質(zhì)和它所配置的混凝土的性能?；炷恋奈鍌€(gè)特性又決定了混凝土的生產(chǎn)成本和混凝土在使用過程中的壽命。唐明述院士提出過，最大的節(jié)能減排是延長基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的使用壽命。也就是說建筑物壽命的延長是最大的節(jié)能減排?；炷恋奈宕笮阅芎昧耍ㄖ锊拍芨幽途?、更加經(jīng)濟(jì)，節(jié)能減排的效果才是最大的。

  過去我們關(guān)注更多的都是從粉磨系統(tǒng)自身的節(jié)能減排，如何降低粉磨電耗、增加混合材摻量。這些都是粉磨過程的節(jié)電、節(jié)能。我們今天要強(qiáng)調(diào)的是，評價(jià)和衡量一個(gè)水泥粉磨系統(tǒng)的好壞，要在保障終端產(chǎn)品節(jié)能減排的的基礎(chǔ)上考慮過程的節(jié)能減排。

  一、從三種理念出發(fā)設(shè)計(jì)的粉磨系統(tǒng)

  1、從最緊密堆積（構(gòu)件結(jié)構(gòu)致密性）角度出發(fā)，顆粒組成靠攏Fuller曲線（<3um顆粒含量22.5%，n=0.62），如開路磨系統(tǒng)，康必丹磨。此種方式過粉磨現(xiàn)象嚴(yán)重，電耗高。但是由于微粉含量高，就更符合最緊密堆積的顆粒級配。

  2、根據(jù)S.Tsivills的研究結(jié)果，從水泥28d強(qiáng)度出發(fā)，3～32um含量越多越好（>65％）即S.T級配最有利于熟料強(qiáng)度的發(fā)揮。如閉路系統(tǒng)。此種方式效率較高，電耗較低，混合材摻量大。

  3、從系統(tǒng)效率出發(fā)，產(chǎn)量高，電耗低，投資少，維護(hù)方便。如立磨系統(tǒng)。

  理想狀態(tài)是以上三方面均可最大限度地得到滿足。但事實(shí)上因這些因素均存在著關(guān)聯(lián)，不可能完全統(tǒng)一，取決于我們在建造粉磨系統(tǒng)時(shí)側(cè)重考慮哪個(gè)因素或如何更合理地處理好這三者的關(guān)系。

  二、水泥顆粒組成、部分性能及能耗的關(guān)系、粉磨系統(tǒng)的影響

  表1.不同大型粉磨系統(tǒng)磨制的PO42.5R水泥的檢測結(jié)果，比表面積360±10平方米/kg

注：顆粒分布數(shù)據(jù)為馬爾文激光粒度檢測儀所測得

  由表1數(shù)據(jù)可見：隨著粉磨系統(tǒng)效率提高（電耗低，產(chǎn)量高），過粉磨的現(xiàn)象在逐漸減少，3um以下顆粒逐漸減少，大于45um的顆粒也在減少，使得n值逐漸增大（顆粒集中），堆積密度下降，標(biāo)準(zhǔn)稠度增大。

  2、顆粒組成對水泥膠砂強(qiáng)度的影響

  S.T.sivills對某II型水泥的研究表明：膠砂28d強(qiáng)度與顆粒組成及n值關(guān)系為：

  Sb=450m²/kg時(shí)

  S28=0.219(%3-32μm) +40.17

  S28=22.22n+33.54

  Sb=400m²/kg時(shí)

  S28=0.145(%3-32μm) +41.70

  S28=15.75n+36.37

  Sb=350m²/kg時(shí)

  S28=0.128(%3-32μm) +40.60

  S28=12.25n+37.40

  Sb=300m²/kg時(shí)

  S28=0.133(%3-32μm) +38.32

  S28=11.23n+35.62

  當(dāng)比表面積360m²/kg以上時(shí)，n值增大，3～32um含量增多，28d膠砂強(qiáng)度越高；比表面積300m²/kg以下時(shí)，n越大，3～32um含量減少，28d膠砂強(qiáng)度降低 。這里描述的主要是熟料顆粒，若摻混合材較多，易磨性差異較大時(shí)，該規(guī)律會(huì)變化。

  上述結(jié)果的原因如下：

  C3A石膏與混合材易磨性較好，在<32um的細(xì)顆粒中含量較多；增加比表面積可增加C3S、C2S在3～32um顆粒中的含量，故提高比表面積，強(qiáng)度系數(shù)增大。需注意的是，混合材易磨性好，摻量多時(shí)，要發(fā)揮熟料的作用，比表面積要合理控高些。

  注：比表面積過大，水泥需水量大。

  3、粉磨系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步可以顯著改變水泥的顆粒組成——粉磨效率越高，往往顆粒分布越集中。

  輥壓機(jī)與球磨機(jī)功率比越高，系統(tǒng)節(jié)電效果越顯著；在輥壓機(jī)處理能力較大時(shí)，通過調(diào)整輥壓機(jī)的操作也可以調(diào)整水泥的顆粒分布（高壓低循環(huán)—n下降；低壓大循環(huán)—n上升）。

  若助磨劑摻量增大或助磨效果增強(qiáng)，上述指標(biāo)還可向閉路系統(tǒng)接近。

  對于輥壓機(jī)+閉路磨系統(tǒng)，立磨系統(tǒng)，在其設(shè)備相應(yīng)許可范圍內(nèi)，也可通過調(diào)整改變水泥顆粒分布，但隨之會(huì)帶來粉磨效率的變化。

  4、混合材對水泥顆粒組成的影響

  易磨性較好且自身需水量較低的混合材（如石灰石）有利于增加5um以下的細(xì)顆粒，對降低水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度有利此時(shí)水泥比表面積需稍提高一些，否則熟料不易磨細(xì)，引起強(qiáng)度下降。

  易磨性較差的混合材（比熟料易磨性還差，如礦渣、鐵渣等），有利于增加<32um中熟料的含量，即熟料顆粒更接近S.T級配，對提高水泥膠砂強(qiáng)度有幫助，但由于顆粒組成與Fuller級配差異增大，對標(biāo)準(zhǔn)稠度改善不大。

  因此，混合材的選擇既要考慮就地取材，也要考慮其對水泥顆粒組成，生產(chǎn)能耗，及水泥使用性能的影響。

  5、混凝土中礦物摻合料（輔助性膠凝材料）的作用及要求

  無論采用哪種粉磨系統(tǒng)磨制水泥，其顆粒組成均與理論上最緊密堆積的顆粒組成（Fuller級配）相差甚遠(yuǎn)。以接近Fuller級配要求，即從細(xì)顆粒的致密性作用角度出發(fā)，各粉磨系統(tǒng)效果呈現(xiàn)出： 開流磨>輥壓機(jī)＋開流磨>閉路磨>輥壓機(jī)＋閉路磨使用助磨劑雖可以起到提產(chǎn)、節(jié)能的效果，但助磨劑的過量加入會(huì)使水泥顆粒更加集中，n值增大，堆積孔隙率增大，對混凝土結(jié)構(gòu)不利。

  在混凝土中需要使用礦物摻合料，其原理之一就是增加粉料中10um以下的顆粒，使粉料級配更接近Fuller級配，從而達(dá)到減水、致密化的目的，這就是“微細(xì)集料效應(yīng)”。

  所謂微細(xì)集料，是顆粒組成10um以下的顆粒（尤其是3um以下的顆粒）要比水泥多2~3倍以上（3um以下顆粒希望達(dá)到30~40％以上）；作用是填充水泥顆粒間的空隙，降低孔隙率，提高混凝土的密實(shí)性。

  這里也說明一個(gè)道理：無論水泥顆粒組成如何，只要有相應(yīng)的摻合料及其配套技術(shù)，均可改善水泥的顆粒組成，配制出好的混凝土。這就是分別粉磨和摻合料校正工藝的基本原理。目前中國混凝土行業(yè)尚未到此階段，尚依賴于水泥的原有級配。[Page]

  三、顆粒組成對水泥與減水劑相容性的影響

  1、對相容性的影響

  a）對飽和點(diǎn)的影響——影響成本

  b）對流出時(shí)間的影響

  c）對經(jīng)時(shí)損失的影響

  （1）隨n值增大，飽和點(diǎn)摻量增大，飽和點(diǎn)Marsh時(shí)間延長；

  （2）對比1＃與4＃，比表面積增大，飽和點(diǎn)摻量增大（開路）。

  （3）對比3＃與6＃，比表面積增大，飽和點(diǎn)摻量增大，Marsh時(shí)間變化明顯（閉路）。

  由此可見，水泥顆粒集中，n值增大，比表面積增大，對水泥與減水劑相容性的不利影響十分顯著，這將直接影響水泥的使用價(jià)值及高標(biāo)號混凝土的配制。

  2、摻合料的校正作用

  細(xì)摻合料：堆積空隙率減小，飽和點(diǎn)摻量下降，飽和點(diǎn)Marsh時(shí)間縮短

  摻合料：堆積空隙率增大，飽和點(diǎn)摻量增大，飽和點(diǎn)Marsh時(shí)間延長

  四、水泥顆粒組成對混凝土性能的影響

  1、顆粒組成對混凝土強(qiáng)度的影響

  a）對水泥膠砂強(qiáng)度的影響——固定水灰比法

  b）對混凝土強(qiáng)度的影響——固定工作性能

  鮑羅米公式：

   R_h＝A Rc（C/W－B）

  R_c－水泥實(shí)際強(qiáng)度（MPa）； C/W－灰水比；

  A、B－與骨料性能、砂率等因素有關(guān)的常數(shù)

  R_h——試配強(qiáng)度（MPa）

  當(dāng)C＝（C＋F）時(shí)，    R_c＝R(C+F)

  為達(dá)到同一和易性，n值越大，(1)減水劑摻量越大，成本增大；(2)增大用水量，水灰比增大，混凝土強(qiáng)度下降。即由于砼強(qiáng)度是在同一工作性能條件下檢測的，它可充分發(fā)揮開路系統(tǒng)磨制顆粒組成的優(yōu)勢，足以抵消其膠砂強(qiáng)度稍低的劣勢。

顆粒組成對混凝土強(qiáng)度的影響

  水泥的膠砂強(qiáng)度高，若配制混凝土?xí)r膠凝材料的顆粒分布不合理，在混凝土中并不能在同等配制成本條件下發(fā)揮其膠凝性好的優(yōu)勢。水泥生產(chǎn)企業(yè)在粉磨水泥過程中應(yīng)該重視水泥顆粒分布的影響。即使在水灰比相同的情況下，仍有細(xì)顆粒對混凝土中界面（過渡區(qū)）填隙作用的差異。

  2、顆粒組成對混凝土耐磨性的影響

  a）對膠砂耐磨性的影響

注：顆粒分布數(shù)據(jù)為沉降天平法測得

  b）對混凝土耐磨性的影響

  由此可見：水灰比越低，水泥顆粒繼配對耐磨性的影響越大。

  混凝土中水泥砂漿的耐磨度

  原因：C-1小孔多，大孔少，20nm以上的孔影響較大；即使C-2的水化率較高也彌補(bǔ)不了孔隙率大的缺陷

  3、顆粒組成對混凝土抗碳化性能的影響

  分析：從結(jié)果看出ZK的碳化曲線大致上在ZB碳化曲線下方，因此可以認(rèn)為顆粒分布較寬的水泥配制的混凝土抗碳化性能好于顆粒分布較窄的水泥配制的混凝土。

  4、顆粒組成對混凝土干縮性能的影響

  a）對膠砂干縮的影響

  由此可見：n值對干縮性能的影響比比表面積的大

  b）對混凝土保水性的影響同等比表面積條件下，顆粒集中，n值大，保水性差，易造成混凝土表面的水灰比增大，沉降收縮與干燥收縮增大，開裂幾率增多。

  五、水泥粉磨系統(tǒng)產(chǎn)品與消耗管理目標(biāo)——實(shí)現(xiàn)最大的節(jié)能減排

  1、產(chǎn)品目標(biāo)（1）品質(zhì)優(yōu)良（標(biāo)準(zhǔn)稠度低、外加劑相容性好、遠(yuǎn)齡期強(qiáng)度高、有利于提高混凝土的耐久性能；標(biāo)準(zhǔn)稠度<25.0%，外加劑飽和點(diǎn)<1.4%，3d抗壓強(qiáng)度29MPa， 28d抗壓強(qiáng)度≥50MPa的優(yōu)質(zhì)PO42.5R水泥）——建筑節(jié)能減排的需要；

  （2）水泥顆粒分布：比表面積360-380m²/kg，0.045mm篩細(xì)度10%-14%，均勻性系數(shù)n<1

  2、管理目標(biāo)生產(chǎn)過程的低能耗——熟料用量少，粉磨電耗較低。在粉磨系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)PO42.5等級的優(yōu)質(zhì)水泥粉磨電耗達(dá)32度/噸以下，熟料用量80%～85%。

  實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程節(jié)能要做好以下四方面的管理：

  功率管理（輥壓機(jī)功率，球磨機(jī)功率-料球比）

  球磨機(jī)倉長管理（粗磨倉、細(xì)磨倉）

  球段級配管理（根據(jù)各倉物料細(xì)度）

  溫度與水分管理

  3、摻合料研制的目標(biāo)使水泥行業(yè)減少顆粒要求的約束。