不同粉磨系統(tǒng)對(duì)水泥及混凝土性能的影響

　　一、前言
　　1. 課題內(nèi)容
　　水泥性能包括強(qiáng)度、標(biāo)稠、外加劑相容性等指標(biāo)，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(zhǎng)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(xué)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(guān)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?yàn)閮蓚€(gè)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(gè)終端產(chǎn)品的性能，最終了解水泥的生產(chǎn)目標(biāo)、探討水泥顆粒組成對(duì)于粉磨系統(tǒng)的要求。

　　2、關(guān)于水泥顆粒組成的基本認(rèn)識(shí)

　　a）從最緊密堆積（構(gòu)件結(jié)構(gòu)致密性）角度出發(fā)，最佳顆粒組成符合Fuller曲線；

　　材料質(zhì)量好是指材料的致密度好，粘結(jié)性要好。如何達(dá)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(jié)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

　　當(dāng)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(shí)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(dá)到最緊密堆積。

　　b）根據(jù)S.Tsivills的研究結(jié)果，從水泥28d膠砂強(qiáng)度出發(fā)，3～32um含量越多越好（>65%）即S.T級(jí)配最有利于熟料強(qiáng)度的發(fā)揮；

　　大多數(shù)的研究表明，3~32um水泥顆粒組成對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)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(hù)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(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?cè)诮ㄔ旆勰ハ到y(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、粉磨系統(tǒng)對(duì)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(cè)結(jié)果，比表面積360±10m²/kg

　　注：顆粒分布數(shù)據(jù)為馬爾文激光粒度檢測(cè)儀所測(cè)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(yuǎn)；3um-32um區(qū)間內(nèi)逐漸增多，也就是說強(qiáng)度性能越來越好，但緊密堆積性能是越來越差；標(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)。

　　簡(jiǎn)單的來說，當(dāng)粉磨系統(tǒng)效率越高時(shí)，磨出的水泥往往是里需求標(biāo)準(zhǔn)越來越遠(yuǎn)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(dāng)然也可以有其他的辦法進(jìn)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(biāo)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(dá)到一定流動(dòng)度時(shí)，需水量就越大。因此，用助磨劑、選粉機(jī)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(qiáng)度與比表面積、顆粒組成及n的關(guān)系（S.T級(jí)配）
　　S.T.sivills對(duì)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(%3-32um) +40.17，S28=22.22n+33.54
　　Sb=400m²/kg時(shí)，S28=0.145(%3-32um) +41.70，S28=15.75n+36.37
　　Sb=350m²/kg時(shí)，S28=0.128(%3-32um) +40.60，S28=12.25n+37.40
　　Sb=300m²/kg時(shí)，S28=0.133(%3-32um) +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：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。

　　c）開路系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步足以顯著改變水泥的顆粒組成

　　若助磨劑摻量增大，上述指標(biāo)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(guó)內(nèi)的開流磨經(jīng)過輥壓機(jī)、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(diào)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(shì)：出磨水泥溫度比較高，雖然利用磨內(nèi)灑水可以適當(dāng)降溫，但噴霧效果與噴水量較難控制，儲(chǔ)存時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)易引起水泥強(qiáng)度倒縮與結(jié)庫現(xiàn)象。

　　d）混合材對(duì)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(duì)降低水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度有利此時(shí)水泥比表面積需稍控高一些，否則熟料不易磨細(xì)，引起強(qiáng)度下降。（因?yàn)椴煌囝w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(jí)配，對(duì)提高水泥膠砂強(qiáng)度有幫助，但由于顆粒組成與Fuller級(jí)配差異增大，對(duì)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(duì)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(xì)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(jí)配）相差甚遠(yuǎn)。以接近Fuller級(jí)配要求，即從細(xì)顆粒的致密性作用角度出發(fā)：

　　開流磨>輥壓機(jī)＋開流磨>閉路磨>輥壓機(jī)＋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(huì)使水泥顆粒更加集中，n值增大，堆積孔隙率增大，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)不利。

　　因?yàn)橹┑脑砭褪侨∠^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(duì)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?xí)r，就需要加入摻合料，專門為補(bǔ)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(xì)集料”，其原理之一就是增加粉料中10um以下的顆粒，使粉料級(jí)配更接近Fuller級(jí)配，從而達(dá)到減水、致密化的目的——“微細(xì)集料效應(yīng)”。

　　微細(xì)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(dá)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(shí)性。

　　理想的狀態(tài)是在磨水泥的時(shí)候，最大限度地將熟料的強(qiáng)度發(fā)揮出來，那么他的顆粒組成在配置混凝土的時(shí)候，他的顆粒分布的不理想是通過摻合料來改善。或者專門生產(chǎn)摻合料，專門來補(bǔ)足水泥顆粒差異。

　　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(guó)混凝土行業(yè)尚未到此階段！尚依賴于水泥的原有級(jí)配。

　　在目前我們國(guó)家，混凝土的配置過程中，我們認(rèn)識(shí)到水泥顆粒組成的差異，我們知道可以通過摻合料來彌補(bǔ)，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(dá)的地區(qū)，已經(jīng)成為了稀缺資源，優(yōu)質(zhì)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(shí)到這種差異，專門生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)摻合料，我覺得這是一個(gè)很大的商機(jī)。

　　目前我們國(guó)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?cè)谄疵鏊喾勰ハ到y(tǒng)的節(jié)能減排工作，實(shí)際上是在把我國(guó)混凝土產(chǎn)業(yè)越高越差。

　　三、顆粒組成對(duì)水泥與減水劑相容性的影響
　　1. 對(duì)相容性的影響
　　a）對(duì)飽和點(diǎn)的影響——影響成本
　　b）對(duì)流出時(shí)間的影響——
　　c）對(duì)經(jīng)時(shí)損失的影響

　　（1）分別對(duì)比1#－3#，4#－6#，隨n值增大，飽和點(diǎn)摻量增大，飽和點(diǎn)Marsh時(shí)間延長(zhǎng)；
　?。?）對(duì)比1#與4#，比表面積增大，飽和點(diǎn)摻量增大（開路）。
　?。?）對(duì)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(duì)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(hào)混凝土的配制。

　　比表面積越大，外加劑的適應(yīng)性、相容性也越差。顆粒越集中，外加劑的適應(yīng)性越大。

　　但是從水泥強(qiáng)度來說，比表面積越大，均勻性越高，強(qiáng)度是最高的。因此我們生產(chǎn)的廠家，一味追求高強(qiáng)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(shí)，我們可以通過摻細(xì)集料來進(jìn)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(huì)使空隙率增大。

　　也就是說水泥顆粒組成不理想，強(qiáng)度理想的條件下，可以通過添加細(xì)的摻合料進(jìn)行改善，但是如果用粗的摻合料，那結(jié)果是適得其反。

　　四、水泥顆粒組成對(duì)混凝土性能的影響
　　1、顆粒組成對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

　　a）對(duì)水泥膠砂強(qiáng)度的影響——固定水灰比法

　　b）對(duì)混凝土強(qiáng)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(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) Rh——試配強(qiáng)度（MPa）當(dāng)C＝（C＋F）時(shí)，Rc＝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(cè)的，它可充分發(fā)揮開路系統(tǒng)磨制顆粒組成的優(yōu)勢(shì)，足以抵消其膠砂強(qiáng)度稍低的劣勢(shì)。

　　我們認(rèn)為混凝土的強(qiáng)度與用水量及水泥強(qiáng)度相關(guān)，用水量大的水泥強(qiáng)度相對(duì)低。由于水泥強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)與混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的不同，水泥標(biāo)準(zhǔn)無法與混凝土標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)調(diào)節(jié)能減排、高強(qiáng)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(dá)到最長(zhǎng)，提高材料的壽命，才能真正達(dá)到節(jié)能減排。

　　顆粒組成對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

　　即使在水灰比相同的情況下，仍有細(xì)顆粒對(duì)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(biāo)準(zhǔn)稠度）與水泥使用價(jià)值對(duì)應(yīng)

　　目前廣東省大部分水泥使用單位的識(shí)別能力較高，從砼性能角度評(píng)價(jià)水泥的使用價(jià)值。在配制同樣等級(jí)的預(yù)拌混凝土?xí)r，標(biāo)準(zhǔn)稠度25%以下的水泥與標(biāo)準(zhǔn)稠度26.5%的水泥的混凝土成本相差10～15元/噸水泥，即標(biāo)稠25%以下的同品種同等級(jí)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(diào)整。

　　2、顆粒組成對(duì)混凝土耐磨性的影響
　　a）對(duì)膠砂耐磨性的影響

　　　　　　　　　　　注：顆粒分布數(shù)據(jù)為沉降天平法測(cè)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(qiáng)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(duì)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(duì)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(bǔ)不了孔隙率大的缺陷

　　3、顆粒組成對(duì)混凝土抗碳化性能的影響

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　注：數(shù)據(jù)為沉降天平檢測(cè)所得

　　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(duì)混凝土干縮性能的影響

　　a）對(duì)膠砂干縮的影響

　　由圖可見：n值對(duì)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(duì)收縮的影響不是很大；如果開流磨的強(qiáng)度要用閉路磨去實(shí)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(qiáng)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(qiáng)度。

　　b）對(duì)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(biāo)
　　1、水泥粉磨系統(tǒng)的目標(biāo)
　　1）優(yōu)質(zhì)水泥（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)P.O42.5R水泥）——建筑節(jié)能減排的需要；

　?。?）生產(chǎn)過程的低能耗——熟料用量少，粉磨電耗較低。在（輥壓機(jī)半終粉磨＋開路球磨機(jī)）的粉磨系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)42.5強(qiáng)度等級(jí)的優(yōu)質(zhì)水泥粉磨電耗達(dá)32度/噸以下，熟料用量83%～85%。

　　基于大量的試驗(yàn)證明，混凝土的養(yǎng)護(hù)孕期越長(zhǎng)，它的性能越好?；炷恋氖┕r(shí)間越長(zhǎng)，混凝土的耐久性能越好，我們認(rèn)為混凝土的養(yǎng)護(hù)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(qiáng)水泥的使用會(huì)造成建筑物的壽命減少，我們國(guó)家大量的建筑物由于施工的不規(guī)范，造成大量的浪費(fèi)，這種浪費(fèi)才是真正的浪費(fèi)資源。我們追求節(jié)能減排，我們一定要有材料科學(xué)的大前提，不然都是片面的。

　　2、摻合料研制的目標(biāo)
　　——使水泥行業(yè)減少顆粒要求的約束。

　　六、三點(diǎn)遺憾

　　1、粉磨系統(tǒng)選型與水泥性能的矛盾
　　大量的設(shè)計(jì)和產(chǎn)能，由于沒有優(yōu)質(zhì)的摻合料，導(dǎo)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(chǔ)上，加以一定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)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(qiáng)、高28d強(qiáng)度，忽視遠(yuǎn)齡期強(qiáng)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(qiáng)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(duì)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(jì)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(duì)使用立磨，但是前提是必須要解決水泥實(shí)用性問題、混凝土配置問題?！?/P>