水泥粉体流动行为及其与不同材质库壁粘附性研究

2021-03-18战佳宇李万民房桂明梁文学杨飞华周钰沦

硅酸盐通报 2021年2期

战佳宇，李万民，房桂明，梁文学，杨飞华，周钰沦

(1.北京建筑材料科学研究总院有限公司，固废资源化利用与节能建材国家重点实验室，北京 100041； 2.唐山冀东水泥股份有限公司，北京 100013)

0 引言

水泥库是水泥生产企业的基本设施。在水泥库运行过程中，由于温度、湿度等原因造成水泥粉体流动性变差，在水泥库壁部、底部甚至料仓内发生固结，从而造成库容变小、下料器堵塞等问题，影响了水泥库的正常运行。为了解决该问题，往往需要定期人工清库作业，导致安全事故频发，造成重大生命财产损失[1-3]。因此，控制水泥粉体的流动性，从源头上减少水泥粉体固结至关重要。

粉体的摩擦性是影响粉体流动性最重要的内在因素，是研究粉体流动性的基础[4]。蔡国华等[5]研究波特兰石灰石水泥的流动函数和时间固结效应，对比了不锈钢、Tivar塑料、低碳钢、橡胶、聚四氟乙烯带五种材料的壁摩擦角，得出了水泥料仓的设计依据。张大康[6]采用流动性指数表征水泥粉体的流动性，得出了水泥粉体流动性与散装水泥流动速度的关系。韩仲琦[7]从与颗粒形态无关的基本特性和与颗粒集合形态有关的堆积特性两个方面总结了水泥工业粉体物性基础参数。已有研究表明，影响粉体材料流动性的主要因素包括粒径分布、颗粒形状、颗粒化学组成、湿度、温度等[8-9]。由于水泥本身可以发生水化的特点，水成为造成水泥固结的主要因素，而水泥库中的水主要来自于以下四个方面：(1)空气湿度；(2)水直接渗透；(3)气动装置带入的水；(4)材料(如石膏)和外加剂(如助磨剂)[10]。因此有必要深入研究含水率对水泥粉体流动性的影响。

本文通过内摩擦角、休止角、粘聚力、无侧限抗压强度等测试表征了不同含水率水泥粉体的流动性能，对比了砂浆、钢、涂料、防腐卷材四种壁面材料对不同含水率水泥摩擦性的影响，为解决水泥粉体在水泥库壁的固结提供依据。

1 实验

1.1 原材料

所用的水泥为P·O 42.5水泥，密度为3.06 g/cm3，比表面积为341 m2/kg。水泥粉体的粒径分布如图1所示。水泥粉体粒径主要集中在2～36 μm，d50=13.246 μm。

试验采用四种壁面材料。砂浆试块尺寸为φ6.18 cm×1 cm，实验室自制成型；304不锈钢板尺寸为φ6.18 cm×0.2 cm；防粘附涂料为有机硅类涂料，由北京金隅涂料有限责任公司提供；TBSP-1型纳米陶瓷防腐卷材为纤维增强陶瓷复合材料，尺寸为φ6.18 cm×0.2 cm，由安徽陶博士环保科技有限公司提供。

图1 水泥粉体粒径分布

图2 应变控制式直剪仪剪切部分结构

1.2 仪器和测试方法

采用JHY-1004X休止角测试仪测试了不同含水率水泥粉体的休止角。采用LD-127型路面材料强度试验仪测定不同固结应力下水泥粉体固结试件的无侧限抗压强度。采用ZJ型应变控制式直剪仪测定水泥粉体的内摩擦角和粘聚力、壁摩擦角和附着力。应变控制式直剪仪剪切部分的结构如图2所示，将不同含水率的水泥粉体填充在剪切盒内，施加不同的垂直应力(σ)作用，然后施加剪切力，记录错动瞬时的剪切力(τ)。根据粉体垂直应力和最大剪切力做出破坏包络线，根据破坏包络方程计算内摩擦角和粘聚力[11]：

τ=σ×tanφi+c=μi×σ+c

式中:μi为内摩擦系数；φi为内摩擦角；c为颗粒间粘聚力。将下层剪切盒内填充壁面材料，可以得到相应壁摩擦角的破坏包络线，从而计算出壁摩擦角和附着力。

2 结果与讨论

2.1 含水率对水泥粉体休止角的影响

通过测试休止角表征了不同含水率水泥粘湿颗粒的流动性。不同含水率水泥粉体的休止角如图3所示。可以看出，随着水泥粉体颗粒含水率的增加，休止角增大，流动性变差。这是由于水泥粉体表面形成一层水膜，表面张力及毛细管力增大，使颗粒间相互作用增强而产生粘性，阻碍了粉体颗粒的相对移动，从而导致流动性减小，休止角增加。根据Carr指数流动性评价，干燥的水泥粉体颗粒休止角为45.6°，处于流动性一般的区间，具有一定含水率的水泥粉体的休止角，处于46°～55°流动性略差的区间。

图3 不同含水率水泥粉体的休止角

图4 不同静置时间水泥粉体含水率和休止角的变化曲线

为了进一步研究经一定时间的水化后水泥粉体松散堆积流动性的变化，将水泥粉体与水充分混合均匀后静置不同时间，测试其休止角和含水率的变化规律，试验结果如图4所示。可以看出，随着静置时间增加，粘湿水泥粉体的含水率逐渐下降，24 h后含水率变化不大，这是由于水泥发生水化，使自由水变成水化硅酸钙中的结合水。从休止角的变化规律来看，在水泥加水后5.5 h内休止角变化不大，水泥中仍有部分自由水在颗粒表面形成水膜。静置1 d后休止角大幅度下降，且加水量越多，休止角下降越明显。这主要是由于水泥粉体含水率降低，同时水泥粉体水化使水泥颗粒尺寸增加，造成了粉体流动性的增加。含水率10%的水泥粉体静置24 h后休止角可以降到40°以下，处于36°～40°流动性较好的区间。

图5 不同含水率水泥粉体的破坏包络线

2.2 含水率对水泥粉体内摩擦角和粘聚力影响

图5为不同含水率水泥粉体颗粒的破坏包络线。内摩擦角和颗粒间粘聚力的计算结果如表1所示。可以看出，水泥粉体为库伦粉体，随着含水率增加，水泥粘湿颗粒之间的粘聚力增加。这是由于水泥粉体颗粒之间形成液体架桥作用，产生毛细力，从而导致水泥粉体颗粒之间的粘聚力增大，流动性下降。同时由于水泥粉体亲水性易发生水化的特点，进一步引起了粉体的粘聚力增加。在11°～15°范围中内摩擦角变化不明显，在较低的垂直应力作用下，不同含水率的水泥粉体颗粒的剪切应力比较接近，在较高的垂直应力作用下，不同含水率的水泥粉体颗粒的剪切应力相差较大。

表1 水泥粉体颗粒内摩擦角和粘聚力

2.3 含水率和静压力对水泥粉体固结的影响

在一定的压应力作用下,粉体颗粒储存一定的周期后强度会增加。由于水泥粉体颗粒固有水化行为，其粉体颗粒在一定湿度和压应力作用下会产生固结，因此需研究不同含水率的粘湿水泥粉体颗粒在不同压应力下的固结行为，模拟水泥筒仓中粉体在不同垂直高度下承受压应力的情况。具体试验条件为将含水率分别为2%、4%、6%、8%、10%(质量分数，下同)的粘湿水泥粉体放入φ50 mm×130 mm的模具中，施加固结应力(σ1)分别为13 kPa、23 kPa、33 kPa、43 kPa和53 kPa，固结48 h后测试固结试件的无侧限抗压强度(σc)和密度(ρb)，试验结果如图6所示。

图6 不同含水率水泥粉体无侧限抗压强度和密度随固结应力的变化规律

从图6中可以看出，随着固结应力σ1增加，水泥粉体的无侧限抗压强度均呈现增加趋势，且含水率越高，其增加速度越快。对应不同含水率的水泥粉体试块的密度，在较高的固结应力下，水泥粉体被压实程度较大，因此随着固结应力的增加，密度增高，而含水率在2%～8%范围内，密度变化较小。相同固结应力作用下，含水率为10%的水泥粉体试块的密度高于其他含水率。从上述分析可以看出，相同固结应力下水泥粉体的无侧限抗压强度不仅仅与试块的密度相关。由于水泥粉体自身固有水化特点，含水率越高，更多的水泥粉体参与到水泥水化过程中，因此引起水泥粉体无侧限抗压强度的增加。由此可以看出，在静压力和水的共同作用下，水泥粉体的流动性会进一步变差，从而引起水泥粉体固结。

2.4 不同壁面材料的接触角对比

为了研究水泥粉体颗粒在不同种类库壁的粘附性，试验选取了四种壁面材料，即自制砂浆试块用于模拟钢筋混凝土筒仓，钢板用于模拟钢筒仓，在砂浆壁面分别涂覆防粘附涂料和防腐卷材。图7给出了钢壁面、涂料壁面、防腐卷材壁面的水接触角。可以看出，三种壁面材料均具有疏水性，水不容易润湿壁面，钢壁面的水接触角为90.63°，防腐卷材壁面接触角稍大于钢壁面，疏水性稍有提高，涂料的接触角最大，说明在钢筋混凝土壁面涂覆防粘附涂料，疏水性会有较大幅度提高。

图7 不同壁面材料的表面水接触角

2.5 水泥粉体与不同壁面材料的壁摩擦角和粘附性

不同含水率会对水泥粉体与不同壁面材料的壁摩擦角和粘附性造成影响。图8～图11为不同含水率水泥粉体的破坏包络线，表2为壁摩擦角和附着力的计算结果。可以看出，不同种类壁面材料，随着含水率增加，水泥粉体在壁面的附着力均呈现增加的趋势，说明干燥的水泥粉体在壁面附着作用较小，粘湿的水泥粉体增加了与壁面的附着作用，容易引起在壁面的粘附固结。不同含水率水泥粉体的壁摩擦角变化不大。

对比四种壁面材料可以看出，钢壁面、涂料壁面、防腐卷材的壁摩擦角均小于砂浆壁面的壁摩擦角。其中钢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。说明水泥粉体与砂浆壁面的摩擦力较大，这主要是由于砂浆壁面的粗糙度较大，因此摩擦力较大。钢壁面的壁摩擦角较小可能是由于钢壁面的硬度比涂料壁面和防腐卷材壁面的硬度高。从粘聚力来看，含水率较低时，粉体与壁面材料以干摩擦为主，水泥粉体在防腐卷材和涂料壁面的附着力较小。在较高含水率时，由于水膜作用，在砂浆壁面的附着力高于其它壁面，在钢壁面和涂料壁面的附着力相差不大，在防腐卷材壁面的附着力较小。

与砂浆壁面相比，在表面涂覆涂料和防腐卷材均可以起到降低水泥粉体与壁面的摩擦力和附着力的作用，从该试验结果来看，防腐卷材的效果稍优于防粘附涂料。