樊粤明：不同粉磨系统对水泥及混凝土性能的影响

在2010国际水泥周上，华南理工大学教授樊粤明表示，使用立磨必须以解决水泥实用性问题、混凝土配置问题为前提

　　一、前言

　　1. 课题内容

　　水泥性能包括强度、标稠、外加剂相容性等指标，影响水泥性能主要因素包括（1）熟料的矿物组成；（2）矿物的生长条件（烧成条件）；（3）水泥的颗粒组成（粉磨系统）；（4）混合材的品种与掺量。

　　我们判断粉磨系统的优劣或者水泥颗粒组成的优劣的前提，是以水泥及混凝土性能（工作性能，力学性能，耐久性）为核心，探讨水泥颗粒组成的影响，及其与粉磨系统的关系。

　　水泥的终端产品是混凝土，我们是以混凝土的性能来判断粉磨系统优劣。但是因为两个产业间跨度大，混凝土产业的从业者不一定懂得水泥生产工艺，生产水泥的企业家不一定懂混凝土企业的需求。我们需要通过了解混凝土——这个终端产品的性能，最终了解水泥的生产目标、探讨水泥颗粒组成对于粉磨系统的要求。

　　2、关于水泥颗粒组成的基本认识

　　a）从最紧密堆积（构件结构致密性）角度出发，最佳颗粒组成符合Fuller曲线；

　　材料质量好是指材料的致密度好，粘结性要好。如何达到材料的致密呢？首先我们就要考虑材料的堆积密度，只有堆积紧密了，再通过颗粒的粘结性能，材料的泌水性能就要好。粉状颗粒如何才能堆积紧密呢？行业内通常我们都以Fuller曲线作为其中的一个标准。

　　当然，Fuller曲线以不水化的颗粒为样本，水泥是边搅拌边水化，因此水泥的颗粒大小是随着时间在变化的，所以研究水泥是非常困难的。从图中可以看出，3~32um区间的颗粒组成可以达到最紧密堆积。

　　b）根据S.Tsivills的研究结果，从水泥28d胶砂强度出发，3～32um含量越多越好（>65％）即S.T级配最有利于熟料强度的发挥；

　　大多数的研究表明，3~32um水泥颗粒组成对强度的贡献是最大的。

　　C）从系统效率出发（产量高，电耗低，投资少，维护方便）。这也是我们考虑粉磨系统很重要的因素。

　　理想状态：上述三方面均可最大限度地得到满足。但事实上因这些因素均存在着关联，不可能完全统一，取决于我们在建造粉磨系统时侧重考虑哪个因素或如何更合理地处理好这三者的关系。

　　二、粉磨系统对水泥颗粒组成、部分性能及能耗的影响

　　表2.不同大型粉磨系统磨制的PO42.5R水泥的检测结果，比表面积360±10m2/kg

　　注：颗粒分布数据为马尔文激光粒度检测仪所测得

　　由表中可以看出，效率是从上往下逐渐提高的，随着粉磨效率的提高，可以看到，3um的水泥颗粒在逐渐减少，离Fuller曲线中，最紧密堆积区间越来越远；3um-32um区间内逐渐增多，也就是说强度性能越来越好，但紧密堆积性能是越来越差；标准稠度越来越大，均匀性系数也在不断提高，也就是说颗粒度越来越集中，比表面积越高，3um-32um的颗粒就越多。反之，亦然。由于效率的提高，电耗在降低，水泥出磨温度也由上往下降低。

　　由此可见，由上往下变化，效率越高，节能减排的效果越好，但是离混凝土最紧密堆积是越来越远。

　　简单的来说，当粉磨系统效率越高时，磨出的水泥往往是里需求标准越来越远的产品，使用起来越来越不好用的水泥，做出来的混凝土是越来越差，当然也可以有其他的办法进行改善。

图中各样品的RRSB曲线

　　由数据可见：

　　a）随系统效率提高（电耗低，产量高）→ 3um以下颗粒减少→n值增大（颗粒集中）→堆积密度下降→标稠增大。 

　　也就是说颗粒越均匀，颗粒之间的空隙就越多，堆积的密度就越小，意味着达到一定流动度时，需水量就越大。因此，用助磨剂、选粉机或者立磨，随着系统效率越高，均匀性系数越来越大，水泥颗粒间的孔隙率也越来越大。需水量越大的水泥一般就是比较难用的水泥。[Page]

　　b）胶砂强度与比表面积、颗粒组成及n的关系（S.T级配）

　　S.T.sivills对某II型水泥的研究表明：胶砂28d强度与颗粒组成及n值关系为：

　　Sb=450m²/kg时，S28=0.219(%3-32um) +40.17，S28=22.22n+33.54

　　Sb=400m²/kg时，S28=0.145(%3-32um) +41.70，S28=15.75n+36.37

　　Sb=350m²/kg时，S28=0.128(%3-32um) +40.60，S28=12.25n+37.40

　　Sb=300m²/kg时，S28=0.133(%3-32um) +38.32，S28=11.23n+35.62

　　当比表面积360m²/kg以上时，n值增大，3～32um含量增多，28d胶砂强度越高；比表面积300m2/kg以下时，n越大，3～32um含量减少，28d胶砂强度降低 。 ——这里描述的主要是熟料颗粒，若掺混合材较多，易磨性差异较大时，该规律会变化。

　　上述结果的原因如下：

　　（1） C3A、石膏与混合材易磨性较好，在<32um的细颗粒中含量较多；

　　增加比表面积可增加C3S、C2S在3～32um颗粒中的含量，故提高比表面积，强度系数增大。

　　需注意：混合材易磨性好，掺量多时，要发挥熟料的作用，比表面积要合理控高些；注：比表面积过大，水泥需水量大。

　　c）开路系统的技术进步足以显著改变水泥的颗粒组成

　　若助磨剂掺量增大，上述指标还可向闭路系统接近。总体感受在开路系统更易控制较理想的颗粒组成。

　　总的来说，目前国内的开流磨经过辊压机、助磨剂的使用，所磨的水泥颗粒组成和能耗可以逐渐接近闭路磨。用开流磨抹水泥选择性更大，可以磨出颗粒比较分散的水泥，也可以通过调整效率，磨出颗粒比较集中的水泥，加入助磨剂之后，效率提高效率更好。

　　劣势：出磨水泥温度比较高，虽然利用磨内洒水可以适当降温，但喷雾效果与喷水量较难控制，储存时间较长时易引起水泥强度倒缩与结库现象。

　　d）混合材对水泥颗粒组成的影响

　　易磨性较好且自身需水量较低的混合材（如石灰石）有利于增加5um以下的细颗粒，对降低水泥标准稠度有利此时水泥比表面积需稍控高一些，否则熟料不易磨细，引起强度下降。（因为不同水泥颗粒组成之间的差异主要在于10μ以下的颗粒，10μ以下的颗粒比较少，堆积起来的孔隙率就比较大。）

　　易磨性较差的混合材（比熟料易磨性还差，如矿渣、铁渣等），有利于增加<32um中熟料的含量，即熟料颗粒更接近S.T级配，对提高水泥胶砂强度有帮助，但由于颗粒组成与Fuller级配差异增大，对标准稠度改善不大。

　　因此，混合材的选择既要考虑就地取材，也要考虑其对水泥颗粒组成，生产能耗，及水泥使用性能的影响。[Page]

　　e）混凝土中微细集料的作用及要求

　　无论采用哪种粉磨系统磨制水泥，其颗粒组成均与混凝土要求最紧密堆积的颗粒组成（Fuller级配）相差甚远。以接近Fuller级配要求，即从细颗粒的致密性作用角度出发：

　　开流磨>辊压机＋开流磨>闭路磨>辊压机＋闭路磨 

　　因此往往开流磨的水泥老百姓最欢迎，立磨的水泥最不受欢迎，主要原因是产品间，水泥颗粒组成和材料的紧密堆积性能的差距。

　　使用助磨剂虽可以起到提产、节能的效果，但助磨剂的过量加入会使水泥颗粒更加集中，n值增大，堆积孔隙率增大，对混凝土结构不利。

　　因为助磨剂的原理就是取消过粉碎，从混凝土的角度、从Fuller曲线分布来说，我们很需要过粉碎，但是从节能减排的角度来说，我们不需要过粉碎。所以这是一对矛盾。

　　由于无论怎么做出来的水泥都没有办法满足混凝土的要求，所以在配置混凝土时，就需要加入掺合料，专门为补偿水泥颗粒组成的不足而发明的。

　　在混凝土中需要使用“微细集料”，其原理之一就是增加粉料中10um以下的颗粒，使粉料级配更接近Fuller级配，从而达到减水、致密化的目的——“微细集料效应”。

　　微细集料：颗粒组成——要求10um以下的颗粒（尤其是3um以下的颗粒）要比水泥多2~3倍以上（3um以下颗粒希望达到30~40％以上）；

　　作用——填充水泥颗粒间的空隙，降低孔隙率，提高混凝土的密实性。

　　理想的状态是在磨水泥的时候，最大限度地将熟料的强度发挥出来，那么他的颗粒组成在配置混凝土的时候，他的颗粒分布的不理想是通过掺合料来改善。或者专门生产掺合料，专门来补足水泥颗粒差异。

　　这里也说明一个道理：无论水泥颗粒组成如何，只要有相应的掺合料及其配套技术，均可改善水泥的颗粒组成，配制出好的混凝土。这就是分别粉磨和掺合料校正工艺的基本原理。目前中国混凝土行业尚未到此阶段！尚依赖于水泥的原有级配。

　　在目前我们国家，混凝土的配置过程中，我们认识到水泥颗粒组成的差异，我们知道可以通过掺合料来弥补，但是我们找不到理想的掺合料。我们用粉煤灰，在商品混凝土产业比较发达的地区，已经成为了稀缺资源，优质粉煤灰已经找不到。颗粒很粗、含碳量很高的粉煤灰，作用适得其反。

　　目前还没有人专门生产掺合料，如果大家都能意识到这种差异，专门生产优质掺合料，我觉得这是一个很大的商机。

　　目前我们国家掺合料的资源很少，也没有制造工艺，混凝土的主要性能还是依赖于水泥的颗粒组成。所以水泥颗粒组成的不理想，直接影响到混凝土的性能，所以我们感受到水泥粉磨系统效率越高，磨出来的水泥越不好用。

　　我们在拼命做水泥粉磨系统的节能减排工作，实际上是在把我国混凝土产业越高越差。

　　三、颗粒组成对水泥与减水剂相容性的影响

　　1. 对相容性的影响

　　a）对饱和点的影响——影响成本

　　b）对流出时间的影响——

　　c）对经时损失的影响

　　（1）分别对比1#－3#，4#－6#，随n值增大，饱和点掺量增大，饱和点Marsh时间延长；

　　（2）对比1#与4#，比表面积增大，饱和点掺量增大（开路）。

　　（3）对比3#与6#，比表面积增大，饱和点掺量增大，Marsh时间变化明显（闭路）。

　　由此可见：水泥颗粒集中，n值增大，比表面积增大，对水泥与减水剂相容性的不利影响十分显著，这将直接影响水泥的使用价值及高标号混凝土的配制。

　　比表面积越大，外加剂的适应性、相容性也越差。颗粒越集中，外加剂的适应性越大。

　　但是从水泥强度来说，比表面积越大，均匀性越高，强度是最高的。因此我们生产的厂家，一味追求高强度和低电耗，最终追求出来的产品最不受混凝土客户欢迎。

　　2、掺合料的校正作用

　　上图说名，水泥颗粒组成不理想时，我们可以通过掺细集料来进行改善。

　　上图说明掺粗的粉煤灰不但不能矫正颗粒组成，反而会使空隙率增大。

　　也就是说水泥颗粒组成不理想，强度理想的条件下，可以通过添加细的掺合料进行改善，但是如果用粗的掺合料，那结果是适得其反。

　　四、水泥颗粒组成对混凝土性能的影响

　　1、颗粒组成对混凝土强度的影响

　　a）对水泥胶砂强度的影响——固定水灰比法

　　b）对混凝土强度的影响——固定工作性能

　　鲍罗米公式：

　　Rh＝A Rc（C/W－B）

　　Rc－水泥实际强度（MPa）； C/W－灰水比； A、B－与骨料性能、砂率等因素有关的常数 Rh——试配强度（MPa）当C＝（C＋F）时，Rc＝R(C+F)

　　为达到同一和易性，n值越大，

　　(1)减水剂掺量越大，成本增大;

　　(2)增大用水量，水灰比增大，混凝土强度下降。即由于砼强度是在同一工作性能条件下检测的，它可充分发挥开路系统磨制颗粒组成的优势，足以抵消其胶砂强度稍低的劣势。

　　我们认为混凝土的强度与用水量及水泥强度相关，用水量大的水泥强度相对低。由于水泥强度标准与混凝土强度标准的不同，水泥标准无法与混凝土标准完全跟踪配合，因而无法满足混凝土客户的需求。

　　水泥行业内目前强调节能减排、高强度等概念，但是都不是终端产品所需求的。终端产品的需求是材料的耐久性达到最长，提高材料的寿命，才能真正达到节能减排。[Page]

　　颗粒组成对混凝土强度的影响

　　即使在水灰比相同的情况下，仍有细颗粒对混凝土中界面（过渡区）填隙作用的差异。

　　*水泥的颗粒组成（标准稠度）与水泥使用价值对应

　　目前广东省大部分水泥使用单位的识别能力较高，从砼性能角度评价水泥的使用价值。在配制同样等级的预拌混凝土时，标准稠度25%以下的水泥与标准稠度26.5%的水泥的混凝土成本相差10～15元/吨水泥，即标稠25%以下的同品种同等级水泥可卖贵10～15元/吨。已迫使某些水泥厂将闭路磨系统的选粉效率降低，使水泥的颗粒组成更加有利于减少堆积孔隙率的方向调整。

　　2、颗粒组成对混凝土耐磨性的影响

　　a）对胶砂耐磨性的影响

　　注：颗粒分布数据为沉降天平法测得。

　　磨损量越小，说明耐磨性能越好，反之就越差。从表中可以看出，相比开路磨，闭路磨磨出的水泥虽然强度高，但是耐磨性比较差，如果用于做路面，路表面就比较容易露石。

　　b）对混凝土耐磨性的影响

　　混凝土中水泥砂浆的耐磨度

　　由此可见：水灰比越低，水泥颗粒继配对耐磨性的影响越大。

　　原因：C-1小孔多，大孔少，20nm以上的孔影响较大；即使C-2的水化率较高也弥补不了孔隙率大的缺陷

　　3、颗粒组成对混凝土抗碳化性能的影响

　　注：数据为沉降天平检测所得

　　分析：从结果看出ZK的碳化曲线大致上在ZB碳化曲线下方，因此可以认为颗粒分布较宽的水泥配制的混凝土抗碳化性能好于颗粒分布较窄的水泥配制的混凝土。

　　4、颗粒组成对混凝土干缩性能的影响

　　a）对胶砂干缩的影响

　　由图可见：n值对干缩性能的影响比比表面积的大。开流磨把比表面积拉大，对收缩的影响不是很大；如果开流磨的强度要用闭路磨去实施，使颗粒分布更集中，那其收缩性能就加大；如果在闭路磨里面把比表面积再加大，那么混凝土的干燥收缩将更大。虽然强度更高了，但是他的耐磨性、收缩性、抗碳化能力都变差。但这都是混凝土重要的性能，我们不能单看混凝土的强度。

　　b）对混凝土保水性的影响

　　同等比表面积条件下，颗粒集中，n值大，保水性差，易造成混凝土表面的水灰比增大，沉降收缩与干燥收缩增大，开裂几率增多。

　　五、目标

　　1、水泥粉磨系统的目标

　　1）优质水泥（标准稠度低、外加剂相容性好、远龄期强度高、有利于提高混凝土的耐久性能；标准稠度<25.0%，外加剂饱和点<1.4%，3d抗压强度29MPa， 28d抗压强度≥50MPa的优质P.O42.5R水泥）——建筑节能减排的需要；

　　（2）生产过程的低能耗——熟料用量少，粉磨电耗较低。在（辊压机半终粉磨＋开路球磨机）的粉磨系统实现42.5强度等级的优质水泥粉磨电耗达32度/吨以下，熟料用量83％～85％。

　　基于大量的试验证明，混凝土的养护孕期越长，它的性能越好。混凝土的施工时间越长，混凝土的耐久性能越好，我们认为混凝土的养护天数最少也要10天左右，冬季要在14天以上。这样才能保证混凝土表面的致密化、抗碳化能力的提高。

　　早强水泥的使用会造成建筑物的寿命减少，我们国家大量的建筑物由于施工的不规范，造成大量的浪费，这种浪费才是真正的浪费资源。我们追求节能减排，我们一定要有材料科学的大前提，不然都是片面的。

　　2、掺合料研制的目标

　　——使水泥行业减少颗粒要求的约束。

　　六、三点遗憾

　　1、粉磨系统选型与水泥性能的矛盾

　　大量的设计和产能，由于没有优质的掺合料，导致水泥性能并不理想。

　　而在这方面，广东省已经有了比较好的尝试。广东本身粉煤灰资源十分匮乏，由于没有粉煤灰，许多企业用小磨把粉煤灰、花岗岩粉磨之后，生产仿造粉煤灰，慢慢形成了水泥掺合料生产企业。今后，在这些企业的基础上，加以一定的行业标准和技术研究，形成掺和了产业，可以解决整体水泥颗粒不理想的情况。

　　2、水泥性能、混凝土性能与施工需求的矛盾

　　早强、高28d强度，忽视远龄期强度是为了满足施工快速要求。（如拆模板早、快，造成混凝土抗碳化性能下降，强度下降；晶胶比的提高，造成混凝土抗疲劳性能大幅度下降，对道路耐久寿命影响十分显著）。

　　3、大前提与小前提的矛盾（效率、经济效益、节能、绿色化）

　　节能减排、绿色水泥，不解决掺和了和施工问题，而解决能耗问题。

　　不反对使用立磨，但是前提是必须要解决水泥实用性问题、混凝土配置问题。　

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