超胶凝水泥低碳制备理论及技术

贾世欣

摘 要：水泥工业上多采用球磨机或立磨，生产出的水泥颗粒分布相对较窄、中间颗粒含量较多。水泥粉磨中采用钢质段、棒状的粉磨介质，其中段的直径为20 mm ～100mm，长度为直径的 1～2 倍，棒的直径为 100mm。制备的水泥的大部分颗粒粒径小于0.08mm。传统水泥粉磨的效率低、能耗高，粉磨介质与水泥颗粒不能充分接触，大部分能耗转化为热能散失。本文研究超胶凝水泥低碳制备理论及技术。

关键词：胶凝水泥；低碳；制备；理论技术

当粉磨介质为圆柱体、棒状时，其理想状态下与物料的接触方式为线接触，而粉磨介质球体则为点接触。在体积相同时，圆柱状或棒状研磨介质与球体相比，前两者与物料的接触面积较多。圆柱状、球体研磨介质在运动过程方向排列是不规则的，形成架状结构。由于粉磨过程中碰撞、研磨、挤压等作用形式，物料表面会形成裂纹，并逐渐扩展为新的表面，最终由块状变为颗粒，最后形成细粉。传统研究表明，粉磨过程由体积粉碎（破碎）和表面粉碎（粉磨细化）叠加组成。添加微研磨介质后，会分布在架状结构之间，堆积密度增大，微研磨介质增加了与球体研磨介质、水泥接触，大幅度增加了接触点，增强了其对物料的作用。球体研磨介质在研磨过程中，会对微研磨介质、水泥进行破碎研磨。与此同时，微研磨介质也会对水泥进行破碎研磨。 在干粉状态下，普通水泥经过一定时间的粉磨，水泥颗粒粒径会变小，其比表面积会增大，表面能也会增加，颗粒团聚现象明显。加入水后，普通水泥颗粒的团聚现象也比较严重。球磨时添加表面改性剂，可以防止在干粉粉磨状态下，水泥粒之间以及水泥颗粒与研磨介质黏合。表面改性剂在粉体的附着点不同，其作用也有所不同。当其吸附在颗粒表面，会形成吸附层，降低表面自由能、界面张力和颗粒的硬度。当其吸附在颗粒微裂纹之间，以外来离子和分子形式中和微裂纹处的未饱和电荷，阻止断裂面的重合，抑制颗粒相互团聚，起分散作用。当水泥加入水后，表面改性剂吸附在水泥颗粒表面，会调节和控制水泥颗粒团聚和分散程度、絮凝结构的分形维数、颗粒表面电位和屈服应力等。采用激光粒度仪分析，可获得水泥颗粒粒度分布函数（频度分布和累积分布）。 水泥中的颗粒是由很多不同粒度的颗粒组成的多分散颗粒系统（Polydisperse），而不是由单一粒度的颗粒组成的单分散颗粒系统（Monedisnerse）。表征颗粒粒度分布的函数：正态分布、对数正态分布、高登-舒曼分布和罗逊-莱蒙勒尔分布。

（1）正态分布

正态分布函数又称高斯分布。其中概率密度函数曲线与横轴间的面积总等于1，呈钟形：两头低，中间高，左右对称。当颗粒足够小时，对罗逊-莱蒙勒尔累积分布函数进行简化，可得到高登-舒曼累积分布函数。 水泥颗粒服从高登-舒曼分布和罗逊-莱蒙勒尔分布，这两种分布均符合分形规律，并被广泛应用与颗粒粒度研究[75]。若整形后的水泥颗粒粒度分布遵循高登-舒曼分布和罗逊-莱蒙勒尔分布，则粒度分布也符合分形规律。根据测度论的定义的分形维数D：水泥颗粒的粒度分布分形维数表征水泥颗粒粒度的均匀性。当 D=0 时，表示水泥是颗粒粒度大小完全相等理想颗粒。事实上，粒度大小完全相同的颗粒集合体并不存在。水泥颗粒的粒度分布分形维数D：0

经过S磨整形后：1um～10um的颗粒随整形时间的增加而增加，与时间成正比。发现粒径特征参数变化规律如下： 1）D50、D10、D25、D75 和D90 的颗粒随处理时间的延长，呈现规律性变化：C-0min > SC-5min > SC-10min > SC-15min > SC-20min。（2）C-0min、SC-5min、SC-10min、SC-15min 和 SC-20min 的 D50 分别为1545um、10.12um、8.79um、8.08um 和 7.18um。随处理时间的延长（5min、10min、15min 和 20min），与普通水泥相比，D50 下降了 5.33um、6.66um、7.37um 和8.27um，降幅均超过 5um，颗粒尺寸下降比例分别为 34.45%、43.11%、47.77%和5353%。采用SM-500水泥试验磨（缩写为S）和ZM-2振动磨（缩写为Z）两种磨机对三种物料：普通水泥 C、微研磨介质 M 和掺微研磨介质的水泥混合物 CM，通过激光粒度分析、分形维数研究不同物料颗粒变化。1、经过 S 磨整形后的 C 颗粒 D50、D10、D25、D75 和 D90 的颗粒随处理时间的延长，呈现规律性变化：C-0min > SC-5min > SC-10min > SC-15min > SC-20min。经过不同时间 S 磨整形的 M 相同颗粒累积分数对应的粒径尺寸SC-0min < SM-20min < SM-15min < SM-10min < SM-5min。经 S 磨整形对 M 颗粒累积分布曲线均分布在普通水泥的右侧。 2、经过 Z 磨整形后的 C 颗粒频度的峰值出现明显小于 10um，大致出现在3um；而普通水泥颗粒频度的峰值出现明显大于 10um，出现在 20um 左右。经过不同时间 Z 磨整形的 C 颗粒频度曲线变化趋势一致，相同颗粒频度分布相对比较集中。经过Z磨整形的M 颗粒累积分布曲线分布在普通水泥累积曲线的左侧。其相同颗粒累积分数对应的粒径尺寸 ZM-20min≈ZM-15min≈ZM-10min< ZM-5min

对比 D90 的理论值与实测值：除了SCM5%-20min 这组以外，所有样品的实测值均比理论值小，这说明混合微研磨介质处理，可以大幅度降低整体的颗粒的粒径。 4、Z 磨整形对 CM 颗粒 D50 理论值均小于 5um，D90 的理论值均小于 20um，这说明采用 Z 磨整形后的 CM 颗粒分布比较集中。在微研磨介质掺量相同的情况下，随处理时间的延长，D90 粒径随之下降，而 D50 粒径变化不明显。微研磨介质掺量为10%和20%时，处理时间为2min的这两组样品的D50 粒径的实测值小于理论值；其余样品的 D50 的实测值均大于理论值。对比 D90 的理论值与实测值：微研磨介质掺量为 5%、10%和 20%时，处理时间为 2min 的这三组样品的D90 粒径的实测值小于理论值；其余样品的D90 的实测值均大于理论值。 5、采用 S 磨整形的 CM 颗粒，在相同整形时间的条件下，分形维数 D 集中在 2.0～2.2，随微研磨介质掺量的增多而增大；D50 随微研磨介质掺量的增加而增加。