一、前言
1. 課題內(nèi)容
水泥性能包括強度、標稠、外加劑相容性等指標，影響水泥性能主要因素包括（1）熟料的礦物組成；（2）礦物的生長條件（燒成條件）；（3）水泥的顆粒組成（粉磨系統(tǒng)）；（4）混合材的品種與摻量。
我們判斷粉磨系統(tǒng)的優(yōu)劣或者水泥顆粒組成的優(yōu)劣的前提，是以水泥及混凝土性能（工作性能，力學性能，耐久性）為核心，探討水泥顆粒組成的影響，及其與粉磨系統(tǒng)的關系。
水泥的終端產(chǎn)品是混凝土，我們是以混凝土的性能來判斷粉磨系統(tǒng)優(yōu)劣。但是因為兩個產(chǎn)業(yè)間跨度大，混凝土產(chǎn)業(yè)的從業(yè)者不一定懂得水泥生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)水泥的企業(yè)家不一定懂混凝土企業(yè)的需求。我們需要通過了解混凝土——這個終端產(chǎn)品的性能，最終了解水泥的生產(chǎn)目標、探討水泥顆粒組成對于粉磨系統(tǒng)的要求。
2、關于水泥顆粒組成的基本認識
|
|
<3um |
3~10 |
10~32 |
3~32 |
>32 |
|
HL |
11.14 |
24.23 |
42.80 |
67.03 |
21.84 |
|
F |
22.50 |
13.92 |
21.57 |
35.49 |
42.02 |
a）從最緊密堆積（構件結構致密性）角度出發(fā)，最佳顆粒組成符合Fuller曲線；
材料質量好是指材料的致密度好，粘結性要好。如何達到材料的致密呢？首先我們就要考慮材料的堆積密度，只有堆積緊密了，再通過顆粒的粘結性能，材料的泌水性能就要好。粉狀顆粒如何才能堆積緊密呢？行業(yè)內(nèi)通常我們都以Fuller曲線作為其中的一個標準。
當然，F(xiàn)uller曲線以不水化的顆粒為樣本，水泥是邊攪拌邊水化，因此水泥的顆粒大小是隨著時間在變化的，所以研究水泥是非常困難的。從圖中可以看出，3~32um區(qū)間的顆粒組成可以達到最緊密堆積。
b）根據(jù)S.Tsivills的研究結果，從水泥28d膠砂強度出發(fā)，3～32um含量越多越好（>65%）即S.T級配最有利于熟料強度的發(fā)揮；
大多數(shù)的研究表明，3~32um水泥顆粒組成對強度的貢獻是最大的。
C）從系統(tǒng)效率出發(fā)（產(chǎn)量高，電耗低，投資少，維護方便）。這也是我們考慮粉磨系統(tǒng)很重要的因素。
理想狀態(tài)：上述三方面均可最大限度地得到滿足。但事實上因這些因素均存在著關聯(lián)，不可能完全統(tǒng)一，取決于我們在建造粉磨系統(tǒng)時側重考慮哪個因素或如何更合理地處理好這三者的關系。
二、粉磨系統(tǒng)對水泥顆粒組成、部分性能及能耗的影響
表2 不同大型粉磨系統(tǒng)磨制的PO42.5R水泥的檢測結果，比表面積360±10m2/kg
|
粉磨系統(tǒng) |
顆粒組成um（%） |
n值 |
標稠
（%） |
電耗
（度/噸） |
出磨水泥溫度
℃ |
評價 |
|
<3 |
3~32 |
32~45 |
>45 |
|
開路磨/康比丹磨 |
15 |
61.88 |
10.01 |
13.11 |
0.93 |
24.20 |
38 |
很高，（磨內(nèi)
噴水120℃） |
與Fuller級配最接近，砼性能優(yōu)越 |
|
輥壓機＋開路磨 |
13.84 |
62.04 |
12.61 |
12.51 |
1.03 |
24.80 |
32 |
高（130℃） |
配制混凝土性能較好 |
|
輥壓機＋開路磨＋助磨劑 |
13 |
62.32 |
12.13 |
12.55 |
1.07 |
25.00 |
30 |
高（120～130℃） |
|
輥壓機＋閉路磨（人為降低選粉效率后） |
13.32 |
62.64 |
11.13 |
12.91 |
1.0 |
25.00 |
30~32 |
90～100℃ |
|
輥壓機＋閉路磨（高效選粉） |
11.14 |
67.03 |
11.90 |
9.93 |
1.17 |
27.20 |
28~30 |
90～100℃ |
配制混凝土性能較差 |
|
立磨 |
|
|
|
|
|
26.5~30 |
24~28 |
90～100℃ |
電耗低，配制砼性能差 |
|
Fuller級配 |
22.50 |
35.49 |
42.01 |
0.62 |
|
|
|
|
注：顆粒分布數(shù)據(jù)為馬爾文激光粒度檢測儀所測得
由表中可以看出，效率是從上往下逐漸提高的，隨著粉磨效率的提高，可以看到，3um的水泥顆粒在逐漸減少，離Fuller曲線中，最緊密堆積區(qū)間越來越遠；3um-32um區(qū)間內(nèi)逐漸增多，也就是說強度性能越來越好，但緊密堆積性能是越來越差；標準稠度越來越大，均勻性系數(shù)也在不斷提高，也就是說顆粒度越來越集中，比表面積越高，3um-32um的顆粒就越多。反之，亦然。由于效率的提高，電耗在降低，水泥出磨溫度也由上往下降低。
由此可見，由上往下變化，效率越高，節(jié)能減排的效果越好，但是離混凝土最緊密堆積是越來越遠。
簡單的來說，當粉磨系統(tǒng)效率越高時，磨出的水泥往往是里需求標準越來越遠的產(chǎn)品，使用起來越來越不好用的水泥，做出來的混凝土是越來越差，當然也可以有其他的辦法進行改善。
圖中各樣品的RRSB曲線
由數(shù)據(jù)可見：
a）隨系統(tǒng)效率提高（電耗低，產(chǎn)量高）→ 3um以下顆粒減少→n值增大（顆粒集中）→堆積密度下降→標稠增大。
也就是說顆粒越均勻，顆粒之間的空隙就越多，堆積的密度就越小，意味著達到一定流動度時，需水量就越大。因此，用助磨劑、選粉機或者立磨，隨著系統(tǒng)效率越高，均勻性系數(shù)越來越大，水泥顆粒間的孔隙率也越來越大。需水量越大的水泥一般就是比較難用的水泥。
b）膠砂強度與比表面積、顆粒組成及n的關系（S.T級配）
S.T.sivills對某II型水泥的研究表明：膠砂28d強度與顆粒組成及n值關系為：
Sb=450m2/kg時，S28=0.219(%3-32um) +40.17，S28=22.22n+33.54
Sb=400m2/kg時，S28=0.145(%3-32um) +41.70，S28=15.75n+36.37
Sb=350m2/kg時，S28=0.128(%3-32um) +40.60，S28=12.25n+37.40
Sb=300m2/kg時，S28=0.133(%3-32um) +38.32，S28=11.23n+35.62
當比表面積360m2/kg以上時，n值增大，3～32um含量增多，28d膠砂強度越高；比表面積300m2/kg以下時，n越大，3～32um含量減少，28d膠砂強度降低 。 ——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，該規(guī)律會變化。
|
Sb (m2/kg) |
強度系數(shù)與（3-32um) 含量關系 |
強度系數(shù)與n關系 |
|
450 |
0.219 |
22.22 |
|
400 |
0.145 |
15.75 |
|
350 |
0.128 |
12.25 |
|
300 |
0.133 |
11.23 |
上述結果的原因如下：
�。�1） C3A、石膏與混合材易磨性較好，在<32um的細顆粒中含量較多；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，強度系數(shù)增大。
需注意：混合材易磨性好，摻量多時，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。
c）開路系統(tǒng)的技術進步足以顯著改變水泥的顆粒組成
|
|
傳統(tǒng)開路磨 |
輥壓機＋開路磨內(nèi)
技術改造 |
輥壓機＋開路磨
＋助磨劑 |
評價 |
|
電耗（度/噸水泥） |
38 |
32 |
30 |
電耗接近閉路磨 |
|
n值 |
0.90~0.93 |
0.92~0.96 |
0.99~1.05 |
不斷提高，接近閉路磨 |
|
標稠（%） |
<24.5 |
25.0 |
>25.5 |
性能變差 |
|
3～32um含量（%） |
58~62 |
60~64 |
>64 |
與閉路磨接近 |
若助磨劑摻量增大，上述指標還可向閉路系統(tǒng)接近�？傮w感受在開路系統(tǒng)更易控制較理想的顆粒組成。
總的來說，目前國內(nèi)的開流磨經(jīng)過輥壓機、助磨劑的使用，所磨的水泥顆粒組成和能耗可以逐漸接近閉路磨。用開流磨抹水泥選擇性更大，可以磨出顆粒比較分散的水泥，也可以通過調整效率，磨出顆粒比較集中的水泥，加入助磨劑之后，效率提高效率更好。
劣勢：出磨水泥溫度比較高，雖然利用磨內(nèi)灑水可以適當降溫，但噴霧效果與噴水量較難控制，儲存時間較長時易引起水泥強度倒縮與結庫現(xiàn)象。
d）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以下的細顆粒，對降低水泥標準稠度有利此時水泥比表面積需稍控高一些，否則熟料不易磨細，引起強度下降。（因為不同水泥顆粒組成之間的差異主要在于10μ以下的顆粒，10μ以下的顆粒比較少，堆積起來的孔隙率就比較大。）
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，對提高水泥膠砂強度有幫助，但由于顆粒組成與Fuller級配差異增大，對標準稠度改善不大。
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。
e）混凝土中微細集料的作用及要求
無論采用哪種粉磨系統(tǒng)磨制水泥，其顆粒組成均與混凝土要求最緊密堆積的顆粒組成（Fuller級配）相差甚遠。以接近Fuller級配要求，即從細顆粒的致密性作用角度出發(fā)：
開流磨>輥壓機＋開流磨>閉路磨>輥壓機＋閉路磨
因此往往開流磨的水泥老百姓最歡迎，立磨的水泥最不受歡迎，主要原因是產(chǎn)品間，水泥顆粒組成和材料的緊密堆積性能的差距。
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，對混凝土結構不利。
因為助磨劑的原理就是取消過粉碎，從混凝土的角度、從Fuller曲線分布來說，我們很需要過粉碎，但是從節(jié)能減排的角度來說，我們不需要過粉碎。所以這是一對矛盾。
由于無論怎么做出來的水泥都沒有辦法滿足混凝土的要求，所以在配置混凝土時，就需要加入摻合料，專門為補償水泥顆粒組成的不足而發(fā)明的。
在混凝土中需要使用“微細集料”，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，從而達到減水、致密化的目的——“微細集料效應”。
微細集料：顆粒組成——要求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以下顆粒希望達到30~40%以上）；
作用——填充水泥顆粒間的空隙，降低孔隙率，提高混凝土的密實性。
理想的狀態(tài)是在磨水泥的時候，最大限度地將熟料的強度發(fā)揮出來，那么他的顆粒組成在配置混凝土的時候，他的顆粒分布的不理想是通過摻合料來改善�；蛘邔ｉT生產(chǎn)摻合料，專門來補足水泥顆粒差異。
這里也說明一個道理：無論水泥顆粒組成如何，只要有相應的摻合料及其配套技術，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。
在目前我們國家，混凝土的配置過程中，我們認識到水泥顆粒組成的差異，我們知道可以通過摻合料來彌補，但是我們找不到理想的摻合料。我們用粉煤灰，在商品混凝土產(chǎn)業(yè)比較發(fā)達的地區(qū)，已經(jīng)成為了稀缺資源，優(yōu)質粉煤灰已經(jīng)找不到。顆粒很粗、含碳量很高的粉煤灰，作用適得其反。
目前還沒有人專門生產(chǎn)摻合料，如果大家都能意識到這種差異，專門生產(chǎn)優(yōu)質摻合料，我覺得這是一個很大的商機。
目前我們國家摻合料的資源很少，也沒有制造工藝，混凝土的主要性能還是依賴于水泥的顆粒組成。所以水泥顆粒組成的不理想，直接影響到混凝土的性能，所以我們感受到水泥粉磨系統(tǒng)效率越高，磨出來的水泥越不好用。
我們在拼命做水泥粉磨系統(tǒng)的節(jié)能減排工作，實際上是在把我國混凝土產(chǎn)業(yè)越高越差。
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）對飽和點的影響——影響成本
b）對流出時間的影響——
c）對經(jīng)時損失的影響
|
比表面積 |
樣品 |
n值 |
飽和點 |
流出時間 |
|
320m2/kg |
1# |
0.813 |
0.7 |
22.09 |
|
2# |
0.830 |
0.7 |
28.98 |
|
3# |
1.035 |
1.1 |
26.61 |
|
380m2/kg |
4# |
0.934 |
1.2 |
22.63 |
|
5# |
0.960 |
1.2 |
41.23 |
|
6# |
1.111 |
1.4 |
47.67 |
�。�1）分別對比1#－3#，4#－6#，隨n值增大，飽和點摻量增大，飽和點Marsh時間延長；
�。�2）對比1#與4#，比表面積增大，飽和點摻量增大（開路）。
（3）對比3#與6#，比表面積增大，飽和點摻量增大，Marsh時間變化明顯（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值及高標號混凝土的配制。
比表面積越大，外加劑的適應性、相容性也越差。顆粒越集中，外加劑的適應性越大。
但是從水泥強度來說，比表面積越大，均勻性越高，強度是最高的。因此我們生產(chǎn)的廠家，一味追求高強度和低電耗，最終追求出來的產(chǎn)品最不受混凝土客戶歡迎。
2、摻合料的校正作用
上圖說明，水泥顆粒組成不理想時，我們可以通過摻細集料來進行改善。
上圖說明摻粗的粉煤灰不但不能矯正顆粒組成，反而會使空隙率增大。
也就是說水泥顆粒組成不理想，強度理想的條件下，可以通過添加細的摻合料進行改善，但是如果用粗的摻合料，那結果是適得其反。
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度的影響
a）對水泥膠砂強度的影響——固定水灰比法
|
PII42.5R水泥 |
比表面積（m2/Kg） |
標準稠度（%） |
初凝(min) |
終凝(min) |
抗折強度（Mpa） |
抗壓強度（Mpa） |
|
3天 |
28天 |
3天 |
28天 |
|
C-1（開路） |
390 |
23.5 |
123 |
163 |
5.9 |
9.0 |
34.4 |
53.0 |
|
C-2（閉路） |
377 |
25.3 |
138 |
176 |
6.2 |
9.1 |
31.8 |
56.5 |
b）對混凝土強度的影響——固定工作性能
鮑羅米公式：
Rh＝A Rc（C/W－B）
Rc－水泥實際強度（MPa）； C/W－灰水比； A、B－與骨料性能、砂率等因素有關的常數(shù) Rh——試配強度（MPa）當C＝（C＋F）時，Rc＝R(C+F)
為達到同一和易性，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，混凝土強度下降。即由于砼強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，足以抵消其膠砂強度稍低的劣勢。
我們認為混凝土的強度與用水量及水泥強度相關，用水量大的水泥強度相對低。由于水泥強度標準與混凝土強度標準的不同，水泥標準無法與混凝土標準完全跟蹤配合，因而無法滿足混凝土客戶的需求。
水泥行業(yè)內(nèi)目前強調節(jié)能減排、高強度等概念，但是都不是終端產(chǎn)品所需求的。終端產(chǎn)品的需求是材料的耐久性達到最長，提高材料的壽命，才能真正達到節(jié)能減排。
顆粒組成對混凝土強度的影響
|
|
水灰比 |
材料用量（Kg/m3） |
塌落度
(mm) |
28天抗壓
強度（Mpa） |
|
水泥 |
砂 |
石 |
水 |
FDN |
|
C-1 |
0.64 |
282 |
898 |
1055 |
175 |
6.48 |
145 |
27.0 |
|
C-2 |
0.64 |
282 |
898 |
1055 |
175 |
6.48 |
45 |
27.6 |
即使在水灰比相同的情況下，仍有細顆粒對混凝土中界面（過渡區(qū)）填隙作用的差異。
*水泥的顆粒組成（標準稠度）與水泥使用價值對應
目前廣東省大部分水泥使用單位的識別能力較高，從砼性能角度評價水泥的使用價值。在配制同樣等級的預拌混凝土時，標準稠度25%以下的水泥與標準稠度26.5%的水泥的混凝土成本相差10～15元/噸水泥，即標稠25%以下的同品種同等級水泥可賣貴10～15元/噸。已迫使某些水泥廠將閉路磨系統(tǒng)的選粉效率降低，使水泥的顆粒組成更加有利于減少堆積孔隙率的方向調整。
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
|
樣品 |
粉磨工藝 |
﹤5.5 um |
5.5～10 um |
10 ～30 um |
﹥30 um |
28d磨損量(Kg/m2) |
|
C-1 |
開路磨 |
27.99 |
39.18 |
27.65 |
5.18 |
3.4 |
|
66.83 |
|
C-2 |
閉路磨 |
16.66 |
40.71 |
33.5 |
9.13 |
5.6 |
|
74.21 |
注：顆粒分布數(shù)據(jù)為沉降天平法測得。
磨損量越小，說明耐磨性能越好，反之就越差。從表中可以看出，相比開路磨，閉路磨磨出的水泥雖然強度高，但是耐磨性比較差，如果用于做路面，路表面就比較容易露石。
b）對混凝土耐磨性的影響
混凝土中水泥砂漿的耐磨度
由此可見：水灰比越低，水泥顆粒繼配對耐磨性的影響越大。
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
|
粒徑大小/um |
ZK占總樣品量% |
ZB占總樣品量% |
|
>80 |
11.00 |
7.40 |
|
60-80 |
2.92 |
2.53 |
|
50-60 |
2.22 |
2.02 |
|
40-50 |
3.20 |
3.06 |
|
30-40 |
5.01 |
5.08 |
|
5～30 |
52.78 |
63.06 |
|
<5 |
22.86 |
16.84 |
注：數(shù)據(jù)為沉降天平檢測所得
分析：從結果看出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
由圖可見：n值對干縮性能的影響比比表面積的大。開流磨把比表面積拉大，對收縮的影響不是很大；如果開流磨的強度要用閉路磨去實施，使顆粒分布更集中，那其收縮性能就加大；如果在閉路磨里面把比表面積再加大，那么混凝土的干燥收縮將更大。雖然強度更高了，但是他的耐磨性、收縮性、抗碳化能力都變差。但這都是混凝土重要的性能，我們不能單看混凝土的強度。
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、目標
1、水泥粉磨系統(tǒng)的目標
1）優(yōu)質水泥（標準稠度低、外加劑相容性好、遠齡期強度高、有利于提高混凝土的耐久性能；標準稠度<25.0%，外加劑飽和點<1.4%，3d抗壓強度29MPa， 28d抗壓強度≥50MPa的優(yōu)質P.O42.5R水泥）——建筑節(jié)能減排的需要；
（2）生產(chǎn)過程的低能耗——熟料用量少，粉磨電耗較低。在（輥壓機半終粉磨＋開路球磨機）的粉磨系統(tǒng)實現(xiàn)42.5強度等級的優(yōu)質水泥粉磨電耗達32度/噸以下，熟料用量83%～85%。
基于大量的試驗證明，混凝土的養(yǎng)護孕期越長，它的性能越好。混凝土的施工時間越長，混凝土的耐久性能越好，我們認為混凝土的養(yǎng)護天數(shù)最少也要10天左右，冬季要在14天以上。這樣才能保證混凝土表面的致密化、抗碳化能力的提高。
早強水泥的使用會造成建筑物的壽命減少，我們國家大量的建筑物由于施工的不規(guī)范，造成大量的浪費，這種浪費才是真正的浪費資源。我們追求節(jié)能減排，我們一定要有材料科學的大前提，不然都是片面的。
2、摻合料研制的目標
——使水泥行業(yè)減少顆粒要求的約束。
六、三點遺憾
1、粉磨系統(tǒng)選型與水泥性能的矛盾
大量的設計和產(chǎn)能，由于沒有優(yōu)質的摻合料，導致水泥性能并不理想。
而在這方面，廣東省已經(jīng)有了比較好的嘗試。廣東本身粉煤灰資源十分匱乏，由于沒有粉煤灰，許多企業(yè)用小磨把粉煤灰、花崗巖粉磨之后，生產(chǎn)仿造粉煤灰，慢慢形成了水泥摻合料生產(chǎn)企業(yè)。今后，在這些企業(yè)的基礎上，加以一定的行業(yè)標準和技術研究，形成摻和了產(chǎn)業(yè)，可以解決整體水泥顆粒不理想的情況。
2、水泥性能、混凝土性能與施工需求的矛盾
早強、高28d強度，忽視遠齡期強度是為了滿足施工快速要求。（如拆模板早、快，造成混凝土抗碳化性能下降，強度下降；晶膠比的提高，造成混凝土抗疲勞性能大幅度下降，對道路耐久壽命影響十分顯著）。
3、大前提與小前提的矛盾（效率、經(jīng)濟效益、節(jié)能、綠色化）
節(jié)能減排、綠色水泥，不解決摻和了和施工問題，而解決能耗問題。
不反對使用立磨，但是前提是必須要解決水泥實用性問題、混凝土配置問題。
