輥磨終粉磨水泥性能研究

聶文海，杜鑫，謝小云

輥磨終粉磨水泥性能研究

Investigation on the Properties of Clinker by Roller Finish Grinding System

聶文海，杜鑫，謝小云

本文從水泥產(chǎn)品性能的角度出發(fā)，結(jié)合理論分析和生產(chǎn)實(shí)踐，闡述了輥磨粉磨水泥的產(chǎn)品在水泥凈漿和配制混凝土中各方面的性能，并得出輥磨粉磨水泥的產(chǎn)品性能優(yōu)良，不亞于球磨機(jī)和輥壓機(jī)系統(tǒng)粉磨的水泥的結(jié)論。

水泥；立式輥磨；性能；需水量

1前言

目前，在水泥粉磨技術(shù)領(lǐng)域主要有三種不同的技術(shù)，分別是球磨機(jī)粉磨技術(shù)、輥壓機(jī)與球磨機(jī)組成的聯(lián)合粉磨技術(shù)和輥磨終粉磨技術(shù)。評價(jià)一個(gè)水泥粉磨系統(tǒng)有很多指標(biāo)，其中水泥廠最看重的有兩個(gè)：一是運(yùn)行成本（主要是系統(tǒng)電耗），二是產(chǎn)品性能。

近十年來，水泥輥磨技術(shù)日臻成熟，并在國外得到了越來越廣泛的應(yīng)用，尤其是在印度、越南等新興水泥市場，有多條新建水泥生產(chǎn)線采用了水泥輥磨技術(shù)。在國內(nèi)，早期只有湖北亞東、云南東駿、四川星船城等水泥公司引進(jìn)了進(jìn)口水泥輥磨，現(xiàn)在越來越多的國內(nèi)水泥生產(chǎn)企業(yè)，包括一些大型的企業(yè)集團(tuán)也逐漸認(rèn)可并采用了中材裝備集團(tuán)有限公司研發(fā)的國產(chǎn)水泥輥磨技術(shù)，取得了良好的應(yīng)用效果。近年來，國內(nèi)外不同粉磨系統(tǒng)的應(yīng)用情況如表1所示。

水泥輥磨技術(shù)在國內(nèi)推廣應(yīng)用晚于國外的主要原因是，大家擔(dān)心輥磨粉磨水泥的成品性能不好，而這種擔(dān)心主要來自有關(guān)“國外早期水泥輥磨技術(shù)應(yīng)用中遇到的問題”的文獻(xiàn)資料。眾所周知，國外早期的水泥輥磨實(shí)際上是采用原料輥磨來粉磨水泥，所以遇到了種種問題，包括成品性能方面的問題，主要是水泥顆粒分布過窄而造成水泥需水量過大以及石膏脫水不足而造成水泥凝結(jié)行為和傳統(tǒng)球磨水泥的差異。

經(jīng)過多年的技術(shù)改進(jìn)，這些問題已經(jīng)得到了解決，從中材裝備集團(tuán)有限公司研發(fā)的TRMK45、TRMK50等大型國產(chǎn)水泥輥磨的應(yīng)用結(jié)果看，水泥輥磨粉磨的水泥都表現(xiàn)出了良好的工作性能，不亞于球磨機(jī)和輥壓機(jī)系統(tǒng)粉磨的水泥。

本文結(jié)合理論分析和試驗(yàn)檢測結(jié)果，闡述了水泥輥磨粉磨水泥的性能及其與其他系統(tǒng)的比較，供大家參考。

2水泥的性能

水泥的性能包含了很多方面，概括起來主要有兩類，一類是水泥本身的性能，一類是水泥在混凝土中的性能。水泥粉磨過程不會(huì)改變水泥的化學(xué)成分和礦物組成，主要影響到水泥的顆粒特性，以及由此產(chǎn)生的水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量和混凝土的坍落度，大家對于輥磨粉磨水泥的成品性能的擔(dān)心也主要集中于此。

表1 水泥工業(yè)水泥（礦渣）粉磨設(shè)備選型率變化，%

使水泥凈漿、砂漿或混凝土達(dá)到一定的可塑性和流動(dòng)性時(shí)所需要的拌和水量通稱為需水性，但凈漿需水性、砂漿需水性和混凝土需水性所包含的內(nèi)容是有差別的。水泥凈漿需水性是指水泥加水后，用規(guī)定的方法攪拌，使水泥凈漿達(dá)到特定的可塑性狀態(tài)時(shí)的需水量，用拌和水重量和水泥重量之比的百分?jǐn)?shù)表示，稱為水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量。水泥砂漿需水性通常用標(biāo)準(zhǔn)膠砂的流動(dòng)度表示。國標(biāo)規(guī)定，流動(dòng)度達(dá)到130～140mm范圍內(nèi)的膠砂拌和水量稱為水泥膠砂標(biāo)準(zhǔn)稠度加水量?；炷恋男杷酝ǔＳ锰涠缺硎?。

水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量由三部分組成：化學(xué)結(jié)合水、水化產(chǎn)物流變所需水和未水化水泥流變所需水。

其中化學(xué)結(jié)合水是在誘導(dǎo)期開始前被新生成的水化物相所結(jié)合的水量，所占比例＜10%，若水泥的硫酸鹽匹配能實(shí)現(xiàn)最佳化，則化學(xué)結(jié)合水量主要取決于C3A的轉(zhuǎn)化量。

絕大部分用水量都為物理用水量，其中較小部分用于水化產(chǎn)物流變，即用于潤濕新生成水化物表面和填充它們之間的空隙。若能使硫酸鹽和C3A的溶解率匹配，這部分用水量可以降到最低。

物理用水量中的最大部分是未水化水泥流變所需水，即填充原始水泥顆粒間的空隙和在水泥顆粒表面形成足夠厚度的水膜，使顆粒之間易于相互移動(dòng)，水泥漿體達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)稠度，相當(dāng)于水灰比值約為0.2。水泥顆粒的形狀、大小和顆粒分布會(huì)影響到這部分用水量。

假設(shè)水泥顆粒為球形并且質(zhì)地均勻，可以推導(dǎo)出這部分用水量的水灰比計(jì)算式。

設(shè)新拌水泥漿中固體顆粒的體積分?jǐn)?shù)為Vg，固體顆粒的堆積密度為φ，顆粒表面的水膜厚度為δ，水泥的比重為ρ，水泥的比表面積為S，則填充空隙的水的體積Vt= 1-φ，表面水層的體積為Vb=Vg×ρ×S×δ。

因?yàn)閂g＋Vt＋Vb＝1，將Vt=1-φ，Vb=Vg×ρ×S×δ代入，可以得到：

水泥顆粒的重量C=Vg·ρ，水的重量W=1-Vg，則水灰比為：

從式（2）可以看出，在比表面積一定的情況下，水灰比與顆粒表面的水膜厚度δ成正比，與堆積密度成反比。而水泥顆粒的堆積密度與水泥的顆粒分布有關(guān)系，顆粒分布越寬，即在RRB曲線上的均勻性系數(shù)n值越小，堆積密度越大。水膜厚度與顆粒大小和顆粒分布有關(guān)，顆粒越大，n值越大，為獲得足夠流動(dòng)性所需的水膜層厚度也越大。

從式（2）可看出，顆粒分布的n值越大，堆積密度越小，顆粒表面的水膜層厚度越大，水泥的需水量也就越大。

J.Krell曾在實(shí)驗(yàn)室配制的不同水泥上測得標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量，再用勃氏比表面積計(jì)算水膜厚度。他用同一種熟料磨制出不同顆粒分布的6個(gè)水泥樣，借以檢測顆粒分布對水膜厚度的影響，檢測樣品的硫酸鹽匹配都達(dá)到最佳化。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 水泥的顆粒分布對水化的影響

以上結(jié)果說明，用水量受顆粒分布影響極大。

工業(yè)生產(chǎn)的水泥也有類似的規(guī)律，不同工況下磨制的水泥成品的顆粒分布寬窄，以均勻性系數(shù)n值表示，與需水量有很好的對應(yīng)關(guān)系，說明水泥的顆粒分布是影響水泥需水量的主要因素，結(jié)果如圖1所示。

圖1 水泥的顆粒分布與標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量

圖2 水泥的顆粒形狀

表3 不同的粉磨系統(tǒng)

因此，影響水泥需水量的因素有很多，包括熟料的成分、混合材的種類和配比、水泥的顆粒形狀、水泥的顆粒分布等，但是占主導(dǎo)地位的影響因素是水泥的顆粒分布。

至于水泥的顆粒形狀，國外有研究顯示，不同粉磨系統(tǒng)產(chǎn)品的水泥顆粒形狀差別不大，如圖2所示。

影響混凝土需水性的因素很多，但在配合比、粗細(xì)集料等條件固定的情況下，混凝土的需水性與水泥的需水性關(guān)系較為密切，水泥的需水性增加混凝土的需水性通常也增加。

表4 水泥的細(xì)度和比表面積

表5 水泥的顆粒分布

表6 水泥的凝結(jié)時(shí)間和需水量

圖3 水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量

表7 水泥的強(qiáng)度

3輥磨終粉磨水泥的性能

我們對同一個(gè)工廠不同粉磨工藝系統(tǒng)生產(chǎn)的水泥進(jìn)行了取樣，并委托中國水泥發(fā)展中心物化檢測所進(jìn)行水泥性能檢測，委托天津市建筑材料產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心進(jìn)行混凝土性能檢測。不同的粉磨系統(tǒng)如表3所示。

不同水泥試樣的說明如下：

TK32.5—輥磨P·C32.5水泥，TK42.5—輥磨P·O42.5水泥；

TP32.5—輥壓機(jī)P·C32.5水泥；TP42.5—輥壓機(jī)P·O42.5水泥；

BA32.5—球磨P·C32.5水泥；BA42.5—球磨P·O42.5水泥。

3.1 水泥細(xì)度和比表面積

三種系統(tǒng)生產(chǎn)的不同品種水泥的細(xì)度和比表面積檢測結(jié)果見表4。

可以看出，對于P·C32.5水泥，比表面積控制相當(dāng)時(shí)，輥磨水泥的45μm篩篩余和80μm篩篩余值介于輥壓機(jī)和球磨機(jī)之間；對于P·O42.5水泥，比表面積控制相當(dāng)時(shí)，輥磨水泥的45μm篩篩余和80μm篩篩余值最小。

3.2 水泥的顆粒分布

對三種系統(tǒng)生產(chǎn)的不同品種水泥的顆粒分布進(jìn)行了檢測，根據(jù)激光粒度儀測定的顆粒分布結(jié)果計(jì)算水泥的RRB顆粒分布，見表5。

可以看出，對于P·C32.5水泥，輥磨水泥的均勻性系數(shù)n值介于輥壓機(jī)和球磨機(jī)之間，也就是說，輥磨水泥的顆粒分布比輥壓機(jī)寬，比球磨機(jī)窄。對于P·O42.5水泥，輥磨水泥的均勻性系數(shù)n值最小，也就是說，輥磨水泥的顆粒分布比輥壓機(jī)和球磨機(jī)寬。

圖4 水泥的強(qiáng)度

表8 混凝土的配比，kg/m3

表9 混凝土的坍落度

表10 混凝土的泌水率

表11 混凝土的強(qiáng)度

表12 混凝土的長期性能

3.3 水泥的流動(dòng)性能

三種系統(tǒng)生產(chǎn)的不同品種水泥的凝結(jié)時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量測定結(jié)果見表6。

可以看出，對于P·C32.5水泥和P·O42.5水泥，輥磨水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量均小于輥壓機(jī)和球磨機(jī)。對于P·C32.5水泥和P·O42.5水泥，輥磨水泥的初凝時(shí)間比輥壓機(jī)和球磨機(jī)略短，但均滿足水泥標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3.4 水泥的強(qiáng)度

三種系統(tǒng)生產(chǎn)的不同品種水泥的強(qiáng)度測定結(jié)果如表7所示。

可以看出，對于P·C32.5水泥，輥磨水泥的強(qiáng)度值介于輥壓機(jī)和球磨機(jī)之間，輥磨水泥的28d強(qiáng)度增進(jìn)率最高。對于P·O42.5水泥，輥磨水泥的強(qiáng)度值與輥壓機(jī)相當(dāng)，略低于球磨機(jī)，輥磨水泥的28d強(qiáng)度增進(jìn)率最高。

4輥磨終粉磨水泥的混凝土性能

將三種不同粉磨系統(tǒng)生產(chǎn)的水泥配制成混凝土，測定其性能。參照J(rèn)GJ55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》，按照C30強(qiáng)度等級設(shè)計(jì)混凝土配比，配合比如表8所示。

4.1 混凝土流動(dòng)性能

三種系統(tǒng)生產(chǎn)的不同品種水泥配制的C30混凝土，環(huán)境溫度20～22℃，相對濕度50%，對新拌混凝土和90min后的混凝土的坍落度測定結(jié)果如表9所示。

可以看出，對于P·C32.5水泥和P·O42.5水泥，輥磨水泥拌制混凝土的初始塌落度和經(jīng)時(shí)塌落度均大于或等于輥壓機(jī)和球磨機(jī)，也就是說，輥磨水泥拌制混凝土的流動(dòng)性優(yōu)于或等于輥壓機(jī)和球磨機(jī)。

4.2 混凝土泌水率

按照試驗(yàn)方法GB/T 50080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對三種系統(tǒng)生產(chǎn)的不同品種水泥配制的混凝土進(jìn)行了檢測，結(jié)果如表10所示。

可以看出，對于P·C32.5水泥和P·O42.5水泥，輥磨水泥拌制混凝土的泌水率與輥壓機(jī)和球磨機(jī)相同。

4.3 混凝土強(qiáng)度

按照試驗(yàn)方法GB/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對三種系統(tǒng)生產(chǎn)的不同品種水泥配制的混凝土進(jìn)行了檢測，結(jié)果如表11所示。

可以看出，對于P·C32.5和P·O42.5水泥，輥磨水泥拌制混凝土的強(qiáng)度與球磨機(jī)相當(dāng)，低于輥壓機(jī)。

4.4 混凝土耐久性

按照試驗(yàn)方法GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對三種系統(tǒng)生產(chǎn)的不同品種水泥配制的混凝土進(jìn)行了檢測，結(jié)果如見表12。

可以看出，對于P·C32.5水泥和P·O42.5水泥，輥磨水泥拌制混凝土的28d收縮率、氯離子遷移系數(shù)和抗?jié)B性等長期性能與球磨機(jī)和輥壓機(jī)相當(dāng)。

5結(jié)語

影響水泥性能的因素很多，其中水泥的需水性與顆粒級配的關(guān)聯(lián)度最大。對于水泥輥磨來講，可以通過調(diào)整操作壓力、擋料圈高度、選粉機(jī)參數(shù)等措施來調(diào)節(jié)水泥的顆粒級配。實(shí)踐證明，水泥輥磨終粉磨技術(shù)日漸成熟，粉磨的水泥性能可以達(dá)到或超過球磨機(jī)和輥壓機(jī)預(yù)粉磨系統(tǒng)粉磨的水泥，可以作為水泥粉磨系統(tǒng)的首選方案。

[1]王仲春.水泥工業(yè)粉磨工藝技術(shù)[M].北京:中國建材工業(yè)出版社,2000.

[2]J.Schnedes,Advanced grinding in the cement industry[J].Z K G,2003(3).■

TQ172.632.5

A

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2013-12-04；編輯：趙蓮