水泥需水量在混凝土中的重要性

王軍生 李國(guó)旺

1河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司（450002）

2河南省科學(xué)院質(zhì)量檢驗(yàn)與分析測(cè)試研究中心（450002）

水泥需水量已經(jīng)引起水泥用戶的高度重視，尤其是在商品混凝土發(fā)達(dá)的地區(qū)，越來(lái)越多的用戶對(duì)水泥需水量提出了更高的要求。混凝土生產(chǎn)商都希望選擇需水量小的水泥，以致影響到水泥企業(yè)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力和售價(jià)，影響到水泥生產(chǎn)者的成本和效益。影響水泥需水量的因素很多，粉磨工藝的制約就是其中之一。換句話說(shuō)，就是不同的粉磨工藝生產(chǎn)出來(lái)的水泥，其需水量是不一樣的，這個(gè)道理大家都明白。然而，正是因?yàn)榇蠹叶济靼走@個(gè)道理，如果要提升粉磨系統(tǒng)的效率，無(wú)論人們采用何種更為先進(jìn)的粉磨工藝，都必須要考慮該種工藝水泥的需水量是否合適。否則，就必須在粉磨效率、粉磨成本和需水量三者之間尋求平衡。水泥需水量水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量（以下簡(jiǎn)稱水泥需水量），準(zhǔn)確的特征參數(shù)應(yīng)該是混凝土的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量，是指能使水泥漿體達(dá)到一定的可塑性和流動(dòng)性所需要的拌和水量，其是水泥使用性能的重要指標(biāo)。水泥需水量直接影響到混凝土的水灰比，繼而影響到混凝土的強(qiáng)度、抗蝕性、抗凍性、耐久性，影響到混凝土生產(chǎn)的水泥用量以及外加劑用量，影響到用戶的成本和效益。水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量越大，水泥凈漿達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)稠度的用水量、水泥砂漿達(dá)到規(guī)定流動(dòng)度的用水量以及水泥混凝土達(dá)到一定坍落度的用水量也都越大，使其凈漿、砂漿、混凝土的水灰比越大，其顆粒間空隙越多、密實(shí)度越小，從而使水泥及其混凝土的施工性能、力學(xué)性能和耐久性能變差。直觀地看，混凝土的配方設(shè)計(jì)有三個(gè)基本參數(shù):水灰比、用水量、砂率。三個(gè)參數(shù)中，有兩個(gè)涉及到水，足見(jiàn)水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量問(wèn)題在混凝土中的重要性?；炷翉?qiáng)度同用水量成反比，為了提高混凝土強(qiáng)度必須減少其用水量。理論上，要保持混凝土的強(qiáng)度不變，當(dāng)混凝土的用水量發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)該保持水灰比不變，相應(yīng)調(diào)整水泥用量，但這在實(shí)際生產(chǎn)操作中很難做到。由于試驗(yàn)條件和工藝設(shè)備的限制，預(yù)拌混凝土廠很難做到根據(jù)每批水泥的需水性變化而調(diào)整水泥用量。大多數(shù)情況下的做法，反而是保持水泥用量及砂石等材料用量不變，而根據(jù)坍落度值來(lái)調(diào)整用水量。這樣，混凝土實(shí)際水灰比將隨水泥需水性的變化而變化，相應(yīng)地影響混凝土的強(qiáng)度。因此，為了穩(wěn)定混凝土的強(qiáng)度，必須穩(wěn)定水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量。降低水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量，對(duì)降低混凝土單立方用水量，進(jìn)而提高其強(qiáng)度、降低水泥用量、以節(jié)約混凝土生產(chǎn)成本，對(duì)混凝土行業(yè)具有十分重要的意義。影響水泥需水量的主要因素一是水泥比表面積、顆粒級(jí)配、顆粒形狀的影響。二是水泥混合材種類和摻加量的影響。三是石膏對(duì)水泥需水量的影響。四是熟料對(duì)水泥需水量的影響。五是粉磨工藝對(duì)需水量的影響。

1）水泥比表面積、顆粒級(jí)配、顆粒形狀的影響有關(guān)研究表明，水泥比表面積為300~400 m2/kg時(shí)，如果水泥的粒徑分布斜率n和熟料反應(yīng)活性不變，則水泥的比表面積每增加100 m2/kg，標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量將增加l.6%。德國(guó)水泥研究所曾對(duì)一些不同強(qiáng)度等級(jí)的水泥，進(jìn)行過(guò)比表面積、顆粒級(jí)配、顆粒形狀對(duì)水泥需水量影響的試驗(yàn)，水泥需水量與比表面積的相關(guān)性很強(qiáng)，隨比表面積的增大需水量上升明顯。試驗(yàn)表明，水泥顆粒級(jí)配對(duì)水泥的需水量有較大影響。良好的水泥顆粒級(jí)配其顆粒間空隙減小，可以降低填充水，以此進(jìn)而減小水泥的需水量。因此，在這幾年對(duì)粉磨系統(tǒng)的改進(jìn)中感到，不論是選粉機(jī)還是整個(gè)粉磨系統(tǒng)，只要提高了選粉效率，需水量都是增加的。水泥顆粒分布越窄——堆積空隙率越大——需水量越大對(duì)于水泥強(qiáng)度，以3~32μm的顆粒起主導(dǎo)作用，尤其是16~24μm顆粒對(duì)水泥性能非常重要，其含量越多越好；＜3μm的細(xì)顆粒容易結(jié)團(tuán)，特別是＜1μm的（主要指熟料）顆粒在加水后很快水化，對(duì)水泥的需水量影響較大，但對(duì)混凝土強(qiáng)度作用很小，還容易引起混凝土開(kāi)裂，影響混凝土的耐久性及水泥與外加劑的適應(yīng)性；＞65μm的顆粒水化很慢，對(duì)28 d強(qiáng)度貢獻(xiàn)很小。試驗(yàn)表明，水泥顆粒形狀對(duì)水泥的需水量也有較大影響。水泥顆粒的球形度越高，則:①顆粒表面積就會(huì)越小，所需潤(rùn)滑的表面積越小→水泥需水量就越??；②顆粒間的內(nèi)摩擦越小，流動(dòng)所需表面水膜厚度越小→水泥需水量就越小；③顆粒堆積的空隙越小，所需填充水越小→水泥需水量就越小。在比表面積基本一致的情況下，當(dāng)水泥顆粒球形度從47%提高到73%時(shí)，水泥需水量從30.4%下降到27.3%。

2）粉磨工藝對(duì)需水量的影響，盡管影響水泥需水量的因素不止一個(gè)，但粉磨工藝這個(gè)因素在建設(shè)期間是可以選擇的，而且一旦選定是不易改變的。因其對(duì)后續(xù)的生產(chǎn)以及因需水量影響到對(duì)其他因素平衡的制約，是要付出代價(jià)的。所以，在最初選擇粉磨工藝時(shí)，應(yīng)該考慮需水量這個(gè)因素。在相同原材料的情況下，不同粉磨工藝生產(chǎn)的水泥，由于其顆粒級(jí)配和顆粒形狀的差別，其需水量是不同的。就現(xiàn)有常用的粉磨工藝來(lái)講，其生產(chǎn)的水泥需水量的排列順序大致為:輥壓機(jī)半終粉磨＞雙閉路聯(lián)合粉磨＞單閉路聯(lián)合粉磨＞閉路磨＞開(kāi)路磨。與普通圈流磨水泥相比，開(kāi)流磨水泥顆粒分布較寬，圓度系數(shù)大，水泥需水量較??；而采用輥壓機(jī)、立磨生產(chǎn)的水泥，包括終粉磨、半終粉磨、聯(lián)合粉磨，由于水泥顆粒分布范圍較窄，以及顆粒形狀球形度較低，水泥需水量相對(duì)較大。目前大多數(shù)水泥企業(yè)的水泥粉磨，采用了“輥壓機(jī)＋球磨機(jī)”的雙閉路聯(lián)合粉磨系統(tǒng)。粉磨效率確實(shí)高了，電耗確實(shí)降低了，但由于水泥顆粒分布過(guò)于集中，需水量卻居高不下。這勢(shì)必要增加混凝土減水劑的使用量，增加混凝土攪拌站的成本。在水泥市場(chǎng)供過(guò)于求的情況下，就會(huì)影響到企業(yè)的銷量和售價(jià)。除輥壓機(jī)對(duì)水泥顆粒形狀的影響以外，一般來(lái)講，閉路粉磨系統(tǒng)，特別是采用高效選粉機(jī)的閉路系統(tǒng)，其水泥粒度分布比較窄，粒度均勻性系數(shù)在1.0~1.2，需水量高達(dá)26.0%~28.0%。而開(kāi)路粉磨系統(tǒng)的水泥，粒度分布范圍比較寬，均勻性系數(shù)在0.9~1.0，水泥的需水量在24%左右。半終粉磨與水泥需水量所謂半終粉磨，準(zhǔn)確地說(shuō)就是在粉磨系統(tǒng)的預(yù)粉磨階段，提前選出一部分細(xì)度已經(jīng)合格的半成品，將其直接加入到成品中，讓細(xì)度上已經(jīng)合格的產(chǎn)品，提前離開(kāi)粉磨系統(tǒng)，不再接受后續(xù)粉磨，從而提高整個(gè)粉磨系統(tǒng)的選粉效率（不僅是選粉機(jī)），減少過(guò)粉磨現(xiàn)象、減少粉磨能的浪費(fèi)，提高系統(tǒng)的粉磨效率。半終粉磨工藝，實(shí)際上是利用選粉設(shè)備的閉路工藝，對(duì)原有粉磨工藝的一種優(yōu)化。根據(jù)所選預(yù)粉磨設(shè)備的不同，有多種具體形式，但由于系統(tǒng)選粉效率的提高，其提高粉磨效率是一定的。目前，半終粉磨工藝采用的預(yù)粉磨設(shè)備，主要是輥壓機(jī)，其他的還有立磨、風(fēng)選磨、球破磨等。關(guān)于半終粉磨工藝的水泥需水量問(wèn)題，幾種半終粉磨工藝不盡相同，具體要看其在預(yù)粉磨階段采用什么設(shè)備，提前選出的這部分細(xì)度已經(jīng)合格的半成品與原有的成品有何不同，導(dǎo)致最終成品中的微粉含量、顆粒級(jí)配和顆粒形狀有何變化。微粉含量的增加、顆粒級(jí)配的窄化、顆粒形狀的非球形化，都會(huì)導(dǎo)致水泥需水量的增加。如早期的兩臺(tái)球磨機(jī)串聯(lián)粉磨工藝（第一臺(tái)是閉路的）就是最早的半終粉磨，不但能提高粉磨效率，而且能減少過(guò)粉磨現(xiàn)象，減少水泥的微粉含量，而且能降低水泥的需水量；再如近年有將生料中卸烘干磨改造的水泥磨，應(yīng)屬于緊湊型的半終粉磨，雖然其粉磨效率并沒(méi)有降低，但由于其水泥的顆粒級(jí)配較窄，水泥的需水量有所增加，所以沒(méi)有得到推廣?，F(xiàn)在多數(shù)說(shuō)到半終粉磨，實(shí)際上指的是輥壓機(jī)半終粉磨，就是將輥壓機(jī)閉路系統(tǒng)收集的部分未加整形的細(xì)粉加入到水泥成品中。關(guān)于輥壓機(jī)半終粉磨水泥的需水量，既取決于水泥的微粉含量（水化速度）、顆粒級(jí)配（堆積密度），還與水泥的顆粒形狀（流動(dòng)內(nèi)摩擦）有關(guān)。微粉含量的減少、級(jí)配的拓寬，能降低水泥的需水量；但顆粒形狀的異化（非球形化），又能增加水泥的需水量。實(shí)踐證明，輥壓機(jī)半終粉磨系統(tǒng)的水泥，其需水量總體上是增加的。至于需水量增加多少，與進(jìn)入輥壓機(jī)的原始物料的特性及細(xì)度有關(guān)，即與輥壓機(jī)對(duì)其顆粒形狀的異化程度有關(guān)。由于其在V選與旋風(fēng)收塵器之間加了一臺(tái)選粉機(jī)，從而確保了旋風(fēng)收塵器收集的物料從細(xì)度上全部達(dá)到了水泥成品的要求。這種改進(jìn)，能提高粉磨系統(tǒng)的產(chǎn)能、降低粉磨電耗，但同時(shí)也降低了對(duì)成品水泥顆粒級(jí)配的拓寬能力。而且，可以肯定，這部分物料主要是沒(méi)有通過(guò)球磨機(jī)整形的輥壓機(jī)細(xì)粉，其顆粒的球形度是較差的。影響水泥需水量的堆積密度和流動(dòng)性，除與水泥的顆粒級(jí)配有關(guān)外，還與水泥的顆粒形狀有關(guān)，圓度系數(shù)（與顆粒投影面積相等的圓的周長(zhǎng)與顆粒投影面積的實(shí)際周長(zhǎng)之比）越高，水泥顆粒的內(nèi)摩擦就越小，與水的接觸表面積就越小，標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量就越小。輥壓機(jī)為料床擠壓一次破碎，效率高，但球形度不好。球磨機(jī)為多次沖擊研磨，效率低，但球形度高，這也正是輥壓機(jī)甩不掉球磨機(jī)的主要原因。但這不等于說(shuō)輥壓機(jī)半終粉磨系統(tǒng)就沒(méi)用了，反倒可以說(shuō)是精細(xì)化管理的一項(xiàng)成果。輥壓機(jī)半終粉磨雖然具有水泥需水量高的缺點(diǎn)，但對(duì)提高粉磨系統(tǒng)的產(chǎn)量和降低電耗還是確實(shí)有效的。任何性能的提高，都伴隨著針對(duì)性提高和適應(yīng)性下降，只要能用其長(zhǎng)避其短，輥壓機(jī)半終粉磨還是能有所作為的。比較適應(yīng)輥壓機(jī)半終粉磨的條件是:對(duì)輥壓機(jī)異化顆粒形狀小的物料（如較細(xì)的粉煤灰），對(duì)水泥需水量不敏感的市場(chǎng)和用戶，對(duì)大部分低標(biāo)號(hào)水泥，對(duì)水泥開(kāi)路粉磨系統(tǒng)，對(duì)比表面積控制比較低的水泥，對(duì)需水量不高的熟料，對(duì)外摻礦渣微粉的水泥。不太適合輥壓機(jī)半終粉磨的因素是:對(duì)于水泥需水量要求苛刻的市場(chǎng)和用戶、對(duì)于大部分高標(biāo)號(hào)水泥、對(duì)于水泥閉路粉磨系統(tǒng)、對(duì)于比表面積控制比較高的水泥、對(duì)于需水量高的熟料、對(duì)于比較差的石灰石礦山及對(duì)于堿含量比較高的原料。實(shí)際上，上述條件都不是一成不變的，有時(shí)適應(yīng)有時(shí)不適應(yīng)。因此可以設(shè)計(jì)或改造為“半終粉磨”和“聯(lián)合粉磨”并存的工藝，按需切換。具備條件時(shí)把產(chǎn)能發(fā)揮到最大、把電耗降到最低，不具備條件時(shí)再切換到聯(lián)合粉磨上來(lái)；有部分潛力時(shí)，可以通過(guò)對(duì)半終粉磨選粉機(jī)的調(diào)節(jié)，適當(dāng)降低“半終”量。立磨粉磨與水泥需水量盡管立磨終粉磨系統(tǒng)具有粉磨烘干效率高、對(duì)入磨物料的適應(yīng)性好、工藝流程簡(jiǎn)單、空間布置緊湊、維護(hù)費(fèi)用低等諸多優(yōu)點(diǎn)，但由于水泥粉磨是保證水泥成品質(zhì)量的最后一關(guān)，人們對(duì)立磨水泥的使用性能，尤其是對(duì)水泥的需水量高仍很擔(dān)憂，導(dǎo)致這一水泥粉磨的工藝技術(shù)，在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用仍很有限。實(shí)際上，水泥立磨終粉磨產(chǎn)品，完全可以和球磨機(jī)媲美，能夠滿足各種工程需要。水泥立磨終粉磨工藝的選用率已經(jīng)呈現(xiàn)出逐年提高的趨勢(shì)。據(jù)有關(guān)資料顯示，2005年-2008年，世界新建水泥生產(chǎn)線約360條（除中國(guó)大陸以外），水泥年產(chǎn)能達(dá)4.4億t，采用了水泥粉磨裝備600余臺(tái)套。立磨的選用率，由2005年的45%上升為2008年的61%，而水泥球磨的選用率則相應(yīng)的由50%下降為27%。伴隨著立磨終粉磨工藝的逐步增多，這一技術(shù)也在進(jìn)一步完善和成熟，原來(lái)大家所擔(dān)心的水泥顆粒形狀和級(jí)配、細(xì)度控制、需水量等對(duì)水泥性能影響的問(wèn)題，現(xiàn)在也就不成其為問(wèn)題了。通過(guò)對(duì)磨盤和磨輥研磨曲線的組合、對(duì)磨內(nèi)選粉機(jī)性能的改進(jìn)、加高擋料環(huán)高度、對(duì)磨盤轉(zhuǎn)速及壓力的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水泥顆粒形狀和級(jí)配的優(yōu)化。在系統(tǒng)操作方面，還可以通過(guò)提高立磨磨內(nèi)溫度、對(duì)石膏的脫水施加影響，來(lái)優(yōu)化水泥的性能。綜合運(yùn)用這些調(diào)控手段，可以在較大范圍內(nèi)調(diào)控立磨水泥的性能，使其顆粒級(jí)配比甚至比球磨水泥更加合理。調(diào)研顯示，需水量最高的是閉路聯(lián)合粉磨系統(tǒng)的水泥，而不是立磨終粉磨系統(tǒng)的水泥。分別粉磨與需水量水泥的分別粉磨，是一項(xiàng)節(jié)電（降低電耗）節(jié)料（減少熟料消耗）降碳（減少碳排放）的粉磨技術(shù)。此外，它還能優(yōu)化水泥的性能、滿足用戶對(duì)水泥性能的不同要求（如水泥的需水量）。如何在各組分的易磨性相差很大的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泥中熟料等各組分的最佳顆粒分布，應(yīng)該說(shuō)分別粉磨是目前的最佳選擇。分別粉磨可以分別設(shè)定和實(shí)現(xiàn)水泥各組分的最佳粒度分布，以達(dá)到熟料活性的最大利用、混合材活性潛能的充分挖掘。

目前，先進(jìn)國(guó)家的水泥廠已經(jīng)很少再用混合粉磨工藝了。分別粉磨的優(yōu)勢(shì)之一，就是能方便地調(diào)節(jié)顆粒級(jí)配。水泥中的微粉，既由于其能增加水泥的流動(dòng)性降低需水量，又由于其能加快水化速度增大需水量，分別粉磨為平衡這一對(duì)矛盾創(chuàng)造了條件。進(jìn)一步分析就會(huì)發(fā)現(xiàn)，影響水泥水化速度的主要是熟料組分，只要減少熟料的微粉、增加其他惰性混合材（如石灰石）的微粉，就能滿足矛盾雙方對(duì)降低水泥需水量的要求。德國(guó)的研究表明，在混合粉磨的礦渣水泥中，熟料的特征粒徑小于水泥，礦渣的特征粒徑大于水泥，石膏的特征粒徑遠(yuǎn)小于水泥；而在分別粉磨的水泥中，在物料組成和比表面積相同的情況下，熟料的特征粒徑平均降低了2.0 μm，礦渣的特征粒徑平均降低了7.5μm。所謂“特征粒徑”，實(shí)際上是“體積平均粒徑”的一種近似體現(xiàn)方式。這就是說(shuō)，在同樣比表面積的情況下，分別粉磨能將熟料和礦渣磨得更細(xì)，而且微粉還不是太多，這正是人們所期望的。分別粉磨在國(guó)外的運(yùn)行一直沒(méi)有停止，有一個(gè)為混凝土攪拌站供水泥的公司，為了滿足攪拌站對(duì)水泥的多種要求，也為了降低自己的生產(chǎn)成本，竟然開(kāi)發(fā)了將近20個(gè)有針對(duì)性的水泥品種。分別粉磨的好處:①熟料粉的粒度分布接近最佳性能RRSB方程，影響水泥和混凝土性能的熟料細(xì)顆粒很少，影響水化速率的熟料粗顆粒也很少；②混合材的細(xì)度顯著比熟料細(xì)，與熟料粉混合后水泥的粒度分布接近Fuller曲線，保證了水泥具有較低的孔隙率；③不同粒度分布的熟料粉與不同粒度分布的混合材，按一定比例組合，可以實(shí)現(xiàn)水泥的顆粒級(jí)配設(shè)計(jì)，生產(chǎn)預(yù)期性能的水泥；④不但水泥的早期強(qiáng)度高，而且后期的、長(zhǎng)期的強(qiáng)度發(fā)展良好；⑤水化熱特別是早期的水化熱低，與減水劑相容性好，混凝土具有良好的工作性；⑥可以摻入多種混合材生產(chǎn)多元組合的水泥，從而發(fā)揮不同種類、不同顆粒分布的性能互補(bǔ)和疊加效應(yīng)，優(yōu)化水泥性能；⑦可以靈活地組織生產(chǎn)多品種水泥，改產(chǎn)過(guò)程迅速便捷，滿足了顧客的不同需求；⑧即使摻有難磨的高細(xì)礦渣粉，生產(chǎn)比表面積在350~420 m2/kg的水泥，水泥的綜合電耗也只有31~35 kWh/t。