水泥粉體流動行為及其與不同材質(zhì)庫壁粘附性研究

戰(zhàn)佳宇，李萬民，房桂明，梁文學(xué)，楊飛華，周鈺淪

(1.北京建筑材料科學(xué)研究總院有限公司，固廢資源化利用與節(jié)能建材國家重點實驗室，北京 100041； 2.唐山冀東水泥股份有限公司，北京 100013)

0 引 言

水泥庫是水泥生產(chǎn)企業(yè)的基本設(shè)施。在水泥庫運行過程中，由于溫度、濕度等原因造成水泥粉體流動性變差，在水泥庫壁部、底部甚至料倉內(nèi)發(fā)生固結(jié)，從而造成庫容變小、下料器堵塞等問題，影響了水泥庫的正常運行。為了解決該問題，往往需要定期人工清庫作業(yè)，導(dǎo)致安全事故頻發(fā)，造成重大生命財產(chǎn)損失[1-3]。因此，控制水泥粉體的流動性，從源頭上減少水泥粉體固結(jié)至關(guān)重要。

粉體的摩擦性是影響粉體流動性最重要的內(nèi)在因素，是研究粉體流動性的基礎(chǔ)[4]。蔡國華等[5]研究波特蘭石灰石水泥的流動函數(shù)和時間固結(jié)效應(yīng)，對比了不銹鋼、Tivar塑料、低碳鋼、橡膠、聚四氟乙烯帶五種材料的壁摩擦角，得出了水泥料倉的設(shè)計依據(jù)。張大康[6]采用流動性指數(shù)表征水泥粉體的流動性，得出了水泥粉體流動性與散裝水泥流動速度的關(guān)系。韓仲琦[7]從與顆粒形態(tài)無關(guān)的基本特性和與顆粒集合形態(tài)有關(guān)的堆積特性兩個方面總結(jié)了水泥工業(yè)粉體物性基礎(chǔ)參數(shù)。已有研究表明，影響粉體材料流動性的主要因素包括粒徑分布、顆粒形狀、顆?；瘜W(xué)組成、濕度、溫度等[8-9]。由于水泥本身可以發(fā)生水化的特點，水成為造成水泥固結(jié)的主要因素，而水泥庫中的水主要來自于以下四個方面：(1)空氣濕度；(2)水直接滲透；(3)氣動裝置帶入的水；(4)材料(如石膏)和外加劑(如助磨劑)[10]。因此有必要深入研究含水率對水泥粉體流動性的影響。

本文通過內(nèi)摩擦角、休止角、粘聚力、無側(cè)限抗壓強度等測試表征了不同含水率水泥粉體的流動性能，對比了砂漿、鋼、涂料、防腐卷材四種壁面材料對不同含水率水泥摩擦性的影響，為解決水泥粉體在水泥庫壁的固結(jié)提供依據(jù)。

1 實 驗

1.1 原材料

所用的水泥為P·O 42.5水泥，密度為3.06 g/cm3，比表面積為341 m2/kg。水泥粉體的粒徑分布如圖1所示。水泥粉體粒徑主要集中在2～36 μm，d50=13.246 μm。

試驗采用四種壁面材料。砂漿試塊尺寸為φ6.18 cm×1 cm，實驗室自制成型；304不銹鋼板尺寸為φ6.18 cm×0.2 cm；防粘附涂料為有機硅類涂料，由北京金隅涂料有限責(zé)任公司提供；TBSP-1型納米陶瓷防腐卷材為纖維增強陶瓷復(fù)合材料，尺寸為φ6.18 cm×0.2 cm，由安徽陶博士環(huán)?？萍加邢薰咎峁?。

圖1 水泥粉體粒徑分布

圖2 應(yīng)變控制式直剪儀剪切部分結(jié)構(gòu)

1.2 儀器和測試方法

采用JHY-1004X休止角測試儀測試了不同含水率水泥粉體的休止角。采用LD-127型路面材料強度試驗儀測定不同固結(jié)應(yīng)力下水泥粉體固結(jié)試件的無側(cè)限抗壓強度。采用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀測定水泥粉體的內(nèi)摩擦角和粘聚力、壁摩擦角和附著力。應(yīng)變控制式直剪儀剪切部分的結(jié)構(gòu)如圖2所示，將不同含水率的水泥粉體填充在剪切盒內(nèi)，施加不同的垂直應(yīng)力(σ)作用，然后施加剪切力，記錄錯動瞬時的剪切力(τ)。根據(jù)粉體垂直應(yīng)力和最大剪切力做出破壞包絡(luò)線，根據(jù)破壞包絡(luò)方程計算內(nèi)摩擦角和粘聚力[11]：

τ=σ×tanφi+c=μi×σ+c

式中:μi為內(nèi)摩擦系數(shù)；φi為內(nèi)摩擦角；c為顆粒間粘聚力。將下層剪切盒內(nèi)填充壁面材料，可以得到相應(yīng)壁摩擦角的破壞包絡(luò)線，從而計算出壁摩擦角和附著力。

2 結(jié)果與討論

2.1 含水率對水泥粉體休止角的影響

通過測試休止角表征了不同含水率水泥粘濕顆粒的流動性。不同含水率水泥粉體的休止角如圖3所示?？梢钥闯?，隨著水泥粉體顆粒含水率的增加，休止角增大，流動性變差。這是由于水泥粉體表面形成一層水膜，表面張力及毛細(xì)管力增大，使顆粒間相互作用增強而產(chǎn)生粘性，阻礙了粉體顆粒的相對移動，從而導(dǎo)致流動性減小，休止角增加。根據(jù)Carr指數(shù)流動性評價，干燥的水泥粉體顆粒休止角為45.6°，處于流動性一般的區(qū)間，具有一定含水率的水泥粉體的休止角，處于46°～55°流動性略差的區(qū)間。

圖3 不同含水率水泥粉體的休止角

圖4 不同靜置時間水泥粉體含水率和休止角的變化曲線

為了進一步研究經(jīng)一定時間的水化后水泥粉體松散堆積流動性的變化，將水泥粉體與水充分混合均勻后靜置不同時間，測試其休止角和含水率的變化規(guī)律，試驗結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯觯S著靜置時間增加，粘濕水泥粉體的含水率逐漸下降，24 h后含水率變化不大，這是由于水泥發(fā)生水化，使自由水變成水化硅酸鈣中的結(jié)合水。從休止角的變化規(guī)律來看，在水泥加水后5.5 h內(nèi)休止角變化不大，水泥中仍有部分自由水在顆粒表面形成水膜。靜置1 d后休止角大幅度下降，且加水量越多，休止角下降越明顯。這主要是由于水泥粉體含水率降低，同時水泥粉體水化使水泥顆粒尺寸增加，造成了粉體流動性的增加。含水率10%的水泥粉體靜置24 h后休止角可以降到40°以下，處于36°～40°流動性較好的區(qū)間。

圖5 不同含水率水泥粉體的破壞包絡(luò)線

2.2 含水率對水泥粉體內(nèi)摩擦角和粘聚力影響

圖5為不同含水率水泥粉體顆粒的破壞包絡(luò)線。內(nèi)摩擦角和顆粒間粘聚力的計算結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，水泥粉體為庫倫粉體，隨著含水率增加，水泥粘濕顆粒之間的粘聚力增加。這是由于水泥粉體顆粒之間形成液體架橋作用，產(chǎn)生毛細(xì)力，從而導(dǎo)致水泥粉體顆粒之間的粘聚力增大，流動性下降。同時由于水泥粉體親水性易發(fā)生水化的特點，進一步引起了粉體的粘聚力增加。在11°～15°范圍中內(nèi)摩擦角變化不明顯，在較低的垂直應(yīng)力作用下，不同含水率的水泥粉體顆粒的剪切應(yīng)力比較接近，在較高的垂直應(yīng)力作用下，不同含水率的水泥粉體顆粒的剪切應(yīng)力相差較大。

表1 水泥粉體顆粒內(nèi)摩擦角和粘聚力

2.3 含水率和靜壓力對水泥粉體固結(jié)的影響

在一定的壓應(yīng)力作用下,粉體顆粒儲存一定的周期后強度會增加。由于水泥粉體顆粒固有水化行為，其粉體顆粒在一定濕度和壓應(yīng)力作用下會產(chǎn)生固結(jié)，因此需研究不同含水率的粘濕水泥粉體顆粒在不同壓應(yīng)力下的固結(jié)行為，模擬水泥筒倉中粉體在不同垂直高度下承受壓應(yīng)力的情況。具體試驗條件為將含水率分別為2%、4%、6%、8%、10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的粘濕水泥粉體放入φ50 mm×130 mm的模具中，施加固結(jié)應(yīng)力(σ1)分別為13 kPa、23 kPa、33 kPa、43 kPa和53 kPa，固結(jié)48 h后測試固結(jié)試件的無側(cè)限抗壓強度(σc)和密度(ρb)，試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同含水率水泥粉體無側(cè)限抗壓強度和密度隨固結(jié)應(yīng)力的變化規(guī)律

從圖6中可以看出，隨著固結(jié)應(yīng)力σ1增加，水泥粉體的無側(cè)限抗壓強度均呈現(xiàn)增加趨勢，且含水率越高，其增加速度越快。對應(yīng)不同含水率的水泥粉體試塊的密度，在較高的固結(jié)應(yīng)力下，水泥粉體被壓實程度較大，因此隨著固結(jié)應(yīng)力的增加，密度增高，而含水率在2%～8%范圍內(nèi)，密度變化較小。相同固結(jié)應(yīng)力作用下，含水率為10%的水泥粉體試塊的密度高于其他含水率。從上述分析可以看出，相同固結(jié)應(yīng)力下水泥粉體的無側(cè)限抗壓強度不僅僅與試塊的密度相關(guān)。由于水泥粉體自身固有水化特點，含水率越高，更多的水泥粉體參與到水泥水化過程中，因此引起水泥粉體無側(cè)限抗壓強度的增加。由此可以看出，在靜壓力和水的共同作用下，水泥粉體的流動性會進一步變差，從而引起水泥粉體固結(jié)。

2.4 不同壁面材料的接觸角對比

為了研究水泥粉體顆粒在不同種類庫壁的粘附性，試驗選取了四種壁面材料，即自制砂漿試塊用于模擬鋼筋混凝土筒倉，鋼板用于模擬鋼筒倉，在砂漿壁面分別涂覆防粘附涂料和防腐卷材。圖7給出了鋼壁面、涂料壁面、防腐卷材壁面的水接觸角?？梢钥闯?，三種壁面材料均具有疏水性，水不容易潤濕壁面，鋼壁面的水接觸角為90.63°，防腐卷材壁面接觸角稍大于鋼壁面，疏水性稍有提高，涂料的接觸角最大，說明在鋼筋混凝土壁面涂覆防粘附涂料，疏水性會有較大幅度提高。

圖7 不同壁面材料的表面水接觸角

2.5 水泥粉體與不同壁面材料的壁摩擦角和粘附性

不同含水率會對水泥粉體與不同壁面材料的壁摩擦角和粘附性造成影響。圖8～圖11為不同含水率水泥粉體的破壞包絡(luò)線，表2為壁摩擦角和附著力的計算結(jié)果?？梢钥闯?，不同種類壁面材料，隨著含水率增加，水泥粉體在壁面的附著力均呈現(xiàn)增加的趨勢，說明干燥的水泥粉體在壁面附著作用較小，粘濕的水泥粉體增加了與壁面的附著作用，容易引起在壁面的粘附固結(jié)。不同含水率水泥粉體的壁摩擦角變化不大。

對比四種壁面材料可以看出，鋼壁面、涂料壁面、防腐卷材的壁摩擦角均小于砂漿壁面的壁摩擦角。其中鋼壁面的壁摩擦角最小，涂料和防腐卷材的壁摩擦角相差不大。說明水泥粉體與砂漿壁面的摩擦力較大，這主要是由于砂漿壁面的粗糙度較大，因此摩擦力較大。鋼壁面的壁摩擦角較小可能是由于鋼壁面的硬度比涂料壁面和防腐卷材壁面的硬度高。從粘聚力來看，含水率較低時，粉體與壁面材料以干摩擦為主，水泥粉體在防腐卷材和涂料壁面的附著力較小。在較高含水率時，由于水膜作用，在砂漿壁面的附著力高于其它壁面，在鋼壁面和涂料壁面的附著力相差不大，在防腐卷材壁面的附著力較小。

與砂漿壁面相比，在表面涂覆涂料和防腐卷材均可以起到降低水泥粉體與壁面的摩擦力和附著力的作用，從該試驗結(jié)果來看，防腐卷材的效果稍優(yōu)于防粘附涂料。

圖8 不同含水率水泥粉體與砂漿壁的破壞包絡(luò)線

圖9 不同含水率水泥粉體與鋼壁的破壞包絡(luò)線

圖10 不同含水率水泥粉體與涂料壁的破壞包絡(luò)線

圖11 不同含水率水泥粉體與防腐卷材壁的破壞包絡(luò)線

表2 水泥粉體與不同壁面材料的壁摩擦角和附著力

續(xù)表

3 結(jié) 論

(1)水是引起水泥粉體顆粒固結(jié)的重要原因，由于毛細(xì)管力和表面張力作用，含水率的增加引起水泥粉體間粘聚力增加，休止角變大，粉體流動性變差。在靜壓力和水的疊加作用下，進一步引起水泥粉體固結(jié)，隨著含水率和固結(jié)應(yīng)力的增加，水泥粉體的無側(cè)限抗壓強度增大，影響了水泥粉體流動性。

(2)隨著含水率增加，水泥粉體與砂漿、不銹鋼、防粘附涂料和防腐卷材四種壁面材料的附著力均增加。在水泥庫內(nèi)表面涂覆防粘附涂料或者防腐卷材可以一定程度降低水泥庫壁的親水性，減小水泥粉體與庫壁面的附著力，達到減少水泥粉體在庫壁面附著固結(jié)的效果。