超膠凝水泥低碳制備理論及技術(shù)

賈世欣

摘 要：水泥工業(yè)上多采用球磨機(jī)或立磨，生產(chǎn)出的水泥顆粒分布相對較窄、中間顆粒含量較多。水泥粉磨中采用鋼質(zhì)段、棒狀的粉磨介質(zhì)，其中段的直徑為20 mm ～100mm，長度為直徑的 1～2 倍，棒的直徑為 100mm。制備的水泥的大部分顆粒粒徑小于0.08mm。傳統(tǒng)水泥粉磨的效率低、能耗高，粉磨介質(zhì)與水泥顆粒不能充分接觸，大部分能耗轉(zhuǎn)化為熱能散失。本文研究超膠凝水泥低碳制備理論及技術(shù)。

關(guān)鍵詞：膠凝水泥；低碳；制備；理論技術(shù)

當(dāng)粉磨介質(zhì)為圓柱體、棒狀時，其理想狀態(tài)下與物料的接觸方式為線接觸，而粉磨介質(zhì)球體則為點接觸。在體積相同時，圓柱狀或棒狀研磨介質(zhì)與球體相比，前兩者與物料的接觸面積較多。圓柱狀、球體研磨介質(zhì)在運動過程方向排列是不規(guī)則的，形成架狀結(jié)構(gòu)。由于粉磨過程中碰撞、研磨、擠壓等作用形式，物料表面會形成裂紋，并逐漸擴(kuò)展為新的表面，最終由塊狀變?yōu)轭w粒，最后形成細(xì)粉。傳統(tǒng)研究表明，粉磨過程由體積粉碎（破碎）和表面粉碎（粉磨細(xì)化）疊加組成。添加微研磨介質(zhì)后，會分布在架狀結(jié)構(gòu)之間，堆積密度增大，微研磨介質(zhì)增加了與球體研磨介質(zhì)、水泥接觸，大幅度增加了接觸點，增強(qiáng)了其對物料的作用。球體研磨介質(zhì)在研磨過程中，會對微研磨介質(zhì)、水泥進(jìn)行破碎研磨。與此同時，微研磨介質(zhì)也會對水泥進(jìn)行破碎研磨。 在干粉狀態(tài)下，普通水泥經(jīng)過一定時間的粉磨，水泥顆粒粒徑會變小，其比表面積會增大，表面能也會增加，顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象明顯。加入水后，普通水泥顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象也比較嚴(yán)重。球磨時添加表面改性劑，可以防止在干粉粉磨狀態(tài)下，水泥粒之間以及水泥顆粒與研磨介質(zhì)黏合。表面改性劑在粉體的附著點不同，其作用也有所不同。當(dāng)其吸附在顆粒表面，會形成吸附層，降低表面自由能、界面張力和顆粒的硬度。當(dāng)其吸附在顆粒微裂紋之間，以外來離子和分子形式中和微裂紋處的未飽和電荷，阻止斷裂面的重合，抑制顆粒相互團(tuán)聚，起分散作用。當(dāng)水泥加入水后，表面改性劑吸附在水泥顆粒表面，會調(diào)節(jié)和控制水泥顆粒團(tuán)聚和分散程度、絮凝結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)、顆粒表面電位和屈服應(yīng)力等。采用激光粒度儀分析，可獲得水泥顆粒粒度分布函數(shù)（頻度分布和累積分布）。 水泥中的顆粒是由很多不同粒度的顆粒組成的多分散顆粒系統(tǒng)（Polydisperse），而不是由單一粒度的顆粒組成的單分散顆粒系統(tǒng)（Monedisnerse）。表征顆粒粒度分布的函數(shù)：正態(tài)分布、對數(shù)正態(tài)分布、高登-舒曼分布和羅遜-萊蒙勒爾分布。

（1）正態(tài)分布

正態(tài)分布函數(shù)又稱高斯分布。其中概率密度函數(shù)曲線與橫軸間的面積總等于1，呈鐘形：兩頭低，中間高，左右對稱。當(dāng)顆粒足夠小時，對羅遜-萊蒙勒爾累積分布函數(shù)進(jìn)行簡化，可得到高登-舒曼累積分布函數(shù)。 水泥顆粒服從高登-舒曼分布和羅遜-萊蒙勒爾分布，這兩種分布均符合分形規(guī)律，并被廣泛應(yīng)用與顆粒粒度研究[75]。若整形后的水泥顆粒粒度分布遵循高登-舒曼分布和羅遜-萊蒙勒爾分布，則粒度分布也符合分形規(guī)律。根據(jù)測度論的定義的分形維數(shù)D：水泥顆粒的粒度分布分形維數(shù)表征水泥顆粒粒度的均勻性。當(dāng) D=0 時，表示水泥是顆粒粒度大小完全相等理想顆粒。事實上，粒度大小完全相同的顆粒集合體并不存在。水泥顆粒的粒度分布分形維數(shù)D：0

經(jīng)過S磨整形后：1um～10um的顆粒隨整形時間的增加而增加，與時間成正比。發(fā)現(xiàn)粒徑特征參數(shù)變化規(guī)律如下： 1）D50、D10、D25、D75 和D90 的顆粒隨處理時間的延長，呈現(xiàn)規(guī)律性變化：C-0min > SC-5min > SC-10min > SC-15min > SC-20min。（2）C-0min、SC-5min、SC-10min、SC-15min 和 SC-20min 的 D50 分別為1545um、10.12um、8.79um、8.08um 和 7.18um。隨處理時間的延長（5min、10min、15min 和 20min），與普通水泥相比，D50 下降了 5.33um、6.66um、7.37um 和8.27um，降幅均超過 5um，顆粒尺寸下降比例分別為 34.45%、43.11%、47.77%和5353%。采用SM-500水泥試驗?zāi)ィs寫為S）和ZM-2振動磨（縮寫為Z）兩種磨機(jī)對三種物料：普通水泥 C、微研磨介質(zhì) M 和摻微研磨介質(zhì)的水泥混合物 CM，通過激光粒度分析、分形維數(shù)研究不同物料顆粒變化。1、經(jīng)過 S 磨整形后的 C 顆粒 D50、D10、D25、D75 和 D90 的顆粒隨處理時間的延長，呈現(xiàn)規(guī)律性變化：C-0min > SC-5min > SC-10min > SC-15min > SC-20min。經(jīng)過不同時間 S 磨整形的 M 相同顆粒累積分?jǐn)?shù)對應(yīng)的粒徑尺寸SC-0min < SM-20min < SM-15min < SM-10min < SM-5min。經(jīng) S 磨整形對 M 顆粒累積分布曲線均分布在普通水泥的右側(cè)。 2、經(jīng)過 Z 磨整形后的 C 顆粒頻度的峰值出現(xiàn)明顯小于 10um，大致出現(xiàn)在3um；而普通水泥顆粒頻度的峰值出現(xiàn)明顯大于 10um，出現(xiàn)在 20um 左右。經(jīng)過不同時間 Z 磨整形的 C 顆粒頻度曲線變化趨勢一致，相同顆粒頻度分布相對比較集中。經(jīng)過Z磨整形的M 顆粒累積分布曲線分布在普通水泥累積曲線的左側(cè)。其相同顆粒累積分?jǐn)?shù)對應(yīng)的粒徑尺寸 ZM-20min≈ZM-15min≈ZM-10min< ZM-5min

對比 D90 的理論值與實測值：除了SCM5%-20min 這組以外，所有樣品的實測值均比理論值小，這說明混合微研磨介質(zhì)處理，可以大幅度降低整體的顆粒的粒徑。 4、Z 磨整形對 CM 顆粒 D50 理論值均小于 5um，D90 的理論值均小于 20um，這說明采用 Z 磨整形后的 CM 顆粒分布比較集中。在微研磨介質(zhì)摻量相同的情況下，隨處理時間的延長，D90 粒徑隨之下降，而 D50 粒徑變化不明顯。微研磨介質(zhì)摻量為10%和20%時，處理時間為2min的這兩組樣品的D50 粒徑的實測值小于理論值；其余樣品的 D50 的實測值均大于理論值。對比 D90 的理論值與實測值：微研磨介質(zhì)摻量為 5%、10%和 20%時，處理時間為 2min 的這三組樣品的D90 粒徑的實測值小于理論值；其余樣品的D90 的實測值均大于理論值。 5、采用 S 磨整形的 CM 顆粒，在相同整形時間的條件下，分形維數(shù) D 集中在 2.0～2.2，隨微研磨介質(zhì)摻量的增多而增大；D50 隨微研磨介質(zhì)摻量的增加而增加。