辊磨终粉磨水泥性能研究

聂文海，杜鑫，谢小云

辊磨终粉磨水泥性能研究

Investigation on the Properties of Clinker by Roller Finish Grinding System

聂文海，杜鑫，谢小云

本文从水泥产品性能的角度出发，结合理论分析和生产实践，阐述了辊磨粉磨水泥的产品在水泥净浆和配制混凝土中各方面的性能，并得出辊磨粉磨水泥的产品性能优良，不亚于球磨机和辊压机系统粉磨的水泥的结论。

水泥；立式辊磨；性能；需水量

1前言

目前，在水泥粉磨技术领域主要有三种不同的技术，分别是球磨机粉磨技术、辊压机与球磨机组成的联合粉磨技术和辊磨终粉磨技术。评价一个水泥粉磨系统有很多指标，其中水泥厂最看重的有两个：一是运行成本（主要是系统电耗），二是产品性能。

近十年来，水泥辊磨技术日臻成熟，并在国外得到了越来越广泛的应用，尤其是在印度、越南等新兴水泥市场，有多条新建水泥生产线采用了水泥辊磨技术。在国内，早期只有湖北亚东、云南东骏、四川星船城等水泥公司引进了进口水泥辊磨，现在越来越多的国内水泥生产企业，包括一些大型的企业集团也逐渐认可并采用了中材装备集团有限公司研发的国产水泥辊磨技术，取得了良好的应用效果。近年来，国内外不同粉磨系统的应用情况如表1所示。

水泥辊磨技术在国内推广应用晚于国外的主要原因是，大家担心辊磨粉磨水泥的成品性能不好，而这种担心主要来自有关“国外早期水泥辊磨技术应用中遇到的问题”的文献资料。众所周知，国外早期的水泥辊磨实际上是采用原料辊磨来粉磨水泥，所以遇到了种种问题，包括成品性能方面的问题，主要是水泥颗粒分布过窄而造成水泥需水量过大以及石膏脱水不足而造成水泥凝结行为和传统球磨水泥的差异。

经过多年的技术改进，这些问题已经得到了解决，从中材装备集团有限公司研发的TRMK45、TRMK50等大型国产水泥辊磨的应用结果看，水泥辊磨粉磨的水泥都表现出了良好的工作性能，不亚于球磨机和辊压机系统粉磨的水泥。

本文结合理论分析和试验检测结果，阐述了水泥辊磨粉磨水泥的性能及其与其他系统的比较，供大家参考。

2水泥的性能

水泥的性能包含了很多方面，概括起来主要有两类，一类是水泥本身的性能，一类是水泥在混凝土中的性能。水泥粉磨过程不会改变水泥的化学成分和矿物组成，主要影响到水泥的颗粒特性，以及由此产生的水泥标准稠度需水量和混凝土的坍落度，大家对于辊磨粉磨水泥的成品性能的担心也主要集中于此。

表1 水泥工业水泥（矿渣）粉磨设备选型率变化，%

使水泥净浆、砂浆或混凝土达到一定的可塑性和流动性时所需要的拌和水量通称为需水性，但净浆需水性、砂浆需水性和混凝土需水性所包含的内容是有差别的。水泥净浆需水性是指水泥加水后，用规定的方法搅拌，使水泥净浆达到特定的可塑性状态时的需水量，用拌和水重量和水泥重量之比的百分数表示，称为水泥标准稠度用水量。水泥砂浆需水性通常用标准胶砂的流动度表示。国标规定，流动度达到130～140mm范围内的胶砂拌和水量称为水泥胶砂标准稠度加水量。混凝土的需水性通常用坍落度表示。

水泥标准稠度需水量由三部分组成：化学结合水、水化产物流变所需水和未水化水泥流变所需水。

其中化学结合水是在诱导期开始前被新生成的水化物相所结合的水量，所占比例＜10%，若水泥的硫酸盐匹配能实现最佳化，则化学结合水量主要取决于C3A的转化量。

绝大部分用水量都为物理用水量，其中较小部分用于水化产物流变，即用于润湿新生成水化物表面和填充它们之间的空隙。若能使硫酸盐和C3A的溶解率匹配，这部分用水量可以降到最低。

物理用水量中的最大部分是未水化水泥流变所需水，即填充原始水泥颗粒间的空隙和在水泥颗粒表面形成足够厚度的水膜，使颗粒之间易于相互移动，水泥浆体达到标准稠度，相当于水灰比值约为0.2。水泥颗粒的形状、大小和颗粒分布会影响到这部分用水量。

假设水泥颗粒为球形并且质地均匀，可以推导出这部分用水量的水灰比计算式。

设新拌水泥浆中固体颗粒的体积分数为Vg，固体颗粒的堆积密度为φ，颗粒表面的水膜厚度为δ，水泥的比重为ρ，水泥的比表面积为S，则填充空隙的水的体积Vt= 1-φ，表面水层的体积为Vb=Vg×ρ×S×δ。

因为Vg＋Vt＋Vb＝1，将Vt=1-φ，Vb=Vg×ρ×S×δ代入，可以得到：

水泥颗粒的重量C=Vg·ρ，水的重量W=1-Vg，则水灰比为：

从式（2）可以看出，在比表面积一定的情况下，水灰比与颗粒表面的水膜厚度δ成正比，与堆积密度成反比。而水泥颗粒的堆积密度与水泥的颗粒分布有关系，颗粒分布越宽，即在RRB曲线上的均匀性系数n值越小，堆积密度越大。水膜厚度与颗粒大小和颗粒分布有关，颗粒越大，n值越大，为获得足够流动性所需的水膜层厚度也越大。

从式（2）可看出，颗粒分布的n值越大，堆积密度越小，颗粒表面的水膜层厚度越大，水泥的需水量也就越大。

J.Krell曾在实验室配制的不同水泥上测得标准稠度用水量，再用勃氏比表面积计算水膜厚度。他用同一种熟料磨制出不同颗粒分布的6个水泥样，借以检测颗粒分布对水膜厚度的影响，检测样品的硫酸盐匹配都达到最佳化。试验结果见表2。

表2 水泥的颗粒分布对水化的影响

以上结果说明，用水量受颗粒分布影响极大。

工业生产的水泥也有类似的规律，不同工况下磨制的水泥成品的颗粒分布宽窄，以均匀性系数n值表示，与需水量有很好的对应关系，说明水泥的颗粒分布是影响水泥需水量的主要因素，结果如图1所示。

图1 水泥的颗粒分布与标准稠度需水量

图2 水泥的颗粒形状

表3 不同的粉磨系统

因此，影响水泥需水量的因素有很多，包括熟料的成分、混合材的种类和配比、水泥的颗粒形状、水泥的颗粒分布等，但是占主导地位的影响因素是水泥的颗粒分布。

至于水泥的颗粒形状，国外有研究显示，不同粉磨系统产品的水泥颗粒形状差别不大，如图2所示。

影响混凝土需水性的因素很多，但在配合比、粗细集料等条件固定的情况下，混凝土的需水性与水泥的需水性关系较为密切，水泥的需水性增加混凝土的需水性通常也增加。

表4 水泥的细度和比表面积

表5 水泥的颗粒分布

表6 水泥的凝结时间和需水量

图3 水泥的标准稠度需水量

表7 水泥的强度

3辊磨终粉磨水泥的性能

我们对同一个工厂不同粉磨工艺系统生产的水泥进行了取样，并委托中国水泥发展中心物化检测所进行水泥性能检测，委托天津市建筑材料产品质量监督检测中心进行混凝土性能检测。不同的粉磨系统如表3所示。

不同水泥试样的说明如下：

TK32.5—辊磨P·C32.5水泥，TK42.5—辊磨P·O42.5水泥；

TP32.5—辊压机P·C32.5水泥；TP42.5—辊压机P·O42.5水泥；

BA32.5—球磨P·C32.5水泥；BA42.5—球磨P·O42.5水泥。

3.1 水泥细度和比表面积

三种系统生产的不同品种水泥的细度和比表面积检测结果见表4。

可以看出，对于P·C32.5水泥，比表面积控制相当时，辊磨水泥的45μm筛筛余和80μm筛筛余值介于辊压机和球磨机之间；对于P·O42.5水泥，比表面积控制相当时，辊磨水泥的45μm筛筛余和80μm筛筛余值最小。

3.2 水泥的颗粒分布

对三种系统生产的不同品种水泥的颗粒分布进行了检测，根据激光粒度仪测定的颗粒分布结果计算水泥的RRB颗粒分布，见表5。

可以看出，对于P·C32.5水泥，辊磨水泥的均匀性系数n值介于辊压机和球磨机之间，也就是说，辊磨水泥的颗粒分布比辊压机宽，比球磨机窄。对于P·O42.5水泥，辊磨水泥的均匀性系数n值最小，也就是说，辊磨水泥的颗粒分布比辊压机和球磨机宽。

图4 水泥的强度

表8 混凝土的配比，kg/m3

表9 混凝土的坍落度

表10 混凝土的泌水率

表11 混凝土的强度

表12 混凝土的长期性能

3.3 水泥的流动性能

三种系统生产的不同品种水泥的凝结时间和标准稠度需水量测定结果见表6。

可以看出，对于P·C32.5水泥和P·O42.5水泥，辊磨水泥的标准稠度需水量均小于辊压机和球磨机。对于P·C32.5水泥和P·O42.5水泥，辊磨水泥的初凝时间比辊压机和球磨机略短，但均满足水泥标准的要求。

3.4 水泥的强度

三种系统生产的不同品种水泥的强度测定结果如表7所示。

可以看出，对于P·C32.5水泥，辊磨水泥的强度值介于辊压机和球磨机之间，辊磨水泥的28d强度增进率最高。对于P·O42.5水泥，辊磨水泥的强度值与辊压机相当，略低于球磨机，辊磨水泥的28d强度增进率最高。

4辊磨终粉磨水泥的混凝土性能

将三种不同粉磨系统生产的水泥配制成混凝土，测定其性能。参照JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》，按照C30强度等级设计混凝土配比，配合比如表8所示。

4.1 混凝土流动性能

三种系统生产的不同品种水泥配制的C30混凝土，环境温度20～22℃，相对湿度50%，对新拌混凝土和90min后的混凝土的坍落度测定结果如表9所示。

可以看出，对于P·C32.5水泥和P·O42.5水泥，辊磨水泥拌制混凝土的初始塌落度和经时塌落度均大于或等于辊压机和球磨机，也就是说，辊磨水泥拌制混凝土的流动性优于或等于辊压机和球磨机。

4.2 混凝土泌水率

按照试验方法GB/T 50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》对三种系统生产的不同品种水泥配制的混凝土进行了检测，结果如表10所示。

可以看出，对于P·C32.5水泥和P·O42.5水泥，辊磨水泥拌制混凝土的泌水率与辊压机和球磨机相同。

4.3 混凝土强度

按照试验方法GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》对三种系统生产的不同品种水泥配制的混凝土进行了检测，结果如表11所示。

可以看出，对于P·C32.5和P·O42.5水泥，辊磨水泥拌制混凝土的强度与球磨机相当，低于辊压机。

4.4 混凝土耐久性

按照试验方法GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》对三种系统生产的不同品种水泥配制的混凝土进行了检测，结果如见表12。

可以看出，对于P·C32.5水泥和P·O42.5水泥，辊磨水泥拌制混凝土的28d收缩率、氯离子迁移系数和抗渗性等长期性能与球磨机和辊压机相当。

5结语

影响水泥性能的因素很多，其中水泥的需水性与颗粒级配的关联度最大。对于水泥辊磨来讲，可以通过调整操作压力、挡料圈高度、选粉机参数等措施来调节水泥的颗粒级配。实践证明，水泥辊磨终粉磨技术日渐成熟，粉磨的水泥性能可以达到或超过球磨机和辊压机预粉磨系统粉磨的水泥，可以作为水泥粉磨系统的首选方案。

[1]王仲春.水泥工业粉磨工艺技术[M].北京:中国建材工业出版社,2000.

[2]J.Schnedes,Advanced grinding in the cement industry[J].Z K G,2003(3).■

TQ172.632.5

A

1001-6171（2014）02-0022-05

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2013-12-04；编辑：赵莲