由水泥熟料生產(chǎn)商品混凝土的設想
2006-02-22 00:00
摘要：水泥粉磨能耗占水泥生產(chǎn)全過程綜合電耗的30%以上，2005年我國水泥粉磨耗能約400億kWh。而水泥熟料粉碎有效能耗很低。本文從節(jié)能目標出發(fā)，提出了用水泥熟料直接生產(chǎn)商品混凝土的設想。討論了利用化學-機械粉磨機理，即在機械破碎力的基礎上，利用水泥熟料水化過程中的溶解作用、水化熱效應、水分子在脆性材料裂紋尖端活化作用等，把水泥粉磨過程變?yōu)闄C械作用和化學作用的共同過程，預期會加快粉磨速度、大幅度降低水泥粉磨能耗，降低商品混凝土的成本，并推測有可能提高混凝土的強度和耐久性等性能。
關(guān)鍵詞：水泥熟料；商品混凝土；水泥粉磨
據(jù)國家統(tǒng)計局2004年統(tǒng)計年報，我國的水泥產(chǎn)量已達9.6億t。生產(chǎn)這些水泥消耗電能1000億kWh，與鋼鐵工業(yè)一起成為造成我國電力緊張的主要因素。降低水泥生產(chǎn)能耗，對水泥工業(yè)和國民經(jīng)濟的健康發(fā)展，有極其重要的意義。
作者在探討建材工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展問題的過程中，注意到水泥粉磨的能耗很高，許多水泥科技工作者在努力研究開發(fā)新型磨機，以提高生產(chǎn)效率和降低單位粉磨能耗。由于粉磨理論問題至今未解決，已取得的和預期可能達到的效果并不理想。作者在進一步學習、研究水泥和混凝土有關(guān)知識的基礎上，大膽地提出由水泥熟料直接生產(chǎn)商品混凝土的設想，并預測可以大幅度降低水泥粉磨能耗、減少物料運輸、降低混凝土成本，同時有可能提高混凝土的強度、耐久性等重要性能。
但自從水泥、混凝土工業(yè)誕生以來，天經(jīng)地義是水泥廠生產(chǎn)水泥，即用石灰石、粘土等原料燒制水泥熟料，加石膏、混合材磨細而成水泥(硅酸鹽水泥以及礦渣硅酸鹽水泥等復合水泥)，混凝土攪拌站用水泥廠生產(chǎn)的水泥，按照一定的配比加入水、粗細集料、外加劑攪拌均勻成商品混凝土。若要實現(xiàn)由水泥熟料直接生產(chǎn)商品混凝土的設想，肯定會遇到技術(shù)上、觀念上、體制上的許多難題。為了推進水泥- 混凝土技術(shù)的進步、達到節(jié)能的目的，作者不怕見笑的公開這種設想，希望能引起注意，起到拋磚引玉的作用。愿有關(guān)單位、科技工作者能進一步探討、研究，克服各種困難，完善、實現(xiàn)這一設想，對水泥和混凝土工程技術(shù)的進步作出重大貢獻。
1 水泥粉磨的能耗
近幾年我國水泥工業(yè)快速發(fā)展，水泥生產(chǎn)技術(shù)與裝備有了較大進步，我國自行設計建設的新型干法8000t/d生產(chǎn)線也已投產(chǎn)。但是我國水泥的粉磨過程、技術(shù)與裝備雖有發(fā)展，但仍離不開磨，特別是球(管)磨機仍是水泥粉磨的主要設備。水泥粉磨能耗占水泥生產(chǎn)全過程綜合電耗的30%以上，我國新干法42.5級水泥粉磨平均能耗大約為36kWh/t熟料。小型水泥廠的能耗更高得多。這樣，我國2004年消耗在水泥粉磨的電能接近400億kWh。
但是從理論和實際測量表明，水泥熟料粉碎的有用功、即增加其表面能僅需3kWh/t熟料，為水泥球(管)磨機粉磨實際能耗的0.6%，說明目前采用的球磨技術(shù)使絕大部分能量作為無用功消耗掉了，見表1。
表1 粉碎能耗的測定(按Anselm)
雖然近年來研究發(fā)展了輥式磨、輥壓磨、輥壓+球磨、CKP或APS、立式磨和輥筒磨等粉磨系統(tǒng)，水泥粉磨能耗仍高達21～28kwh/t，見表2。因此，開發(fā)粉磨新技術(shù)與裝備，提高粉磨能效、大幅度降低水泥生產(chǎn)過程中的粉磨能耗是水泥科學技術(shù)研究的重大方向之一。
表2 各種水泥粉磨系統(tǒng)的比較
2 設想由水泥熟料生產(chǎn)商品混凝土的流程
作者提出的由水泥熟料直接生產(chǎn)商品混凝土的設想，是根據(jù)機械—化學粉磨機理，在濕磨機中加入水、外加劑、石膏等的情況下，對水泥熟料進行濕磨，利用水泥熟料水化過程中具有的溶解作用、水化熱效應、水分子在脆性材料裂紋尖端活化作用等的共同作用，加速粉磨過程，隨后加入粗細集料進行混凝土攪拌。其工藝流程如圖1所示。
圖1 工藝流程圖
從圖1可以看出，水泥廠取消了粉磨工序，水泥熟料僅經(jīng)過細碎后出廠，直接運送至混凝土攪拌站，進行配料、機械-化學粉磨、攪拌等工序。檢驗合格后運送至工地使用。一些水泥廠成為直接生產(chǎn)各種需求的商品混凝土的建材公司。
3 理論依據(jù)
在材料的粉磨研究領域，一些科學家在機械粉磨過程中加入某種材料(稱為助磨劑)與被粉磨材料發(fā)生反應，以加速粉磨過程或降低粉磨能耗，稱之為機械-化學粉磨。例如，有人把水泥粉磨過程中加入助磨劑歸于機械-化學粉磨過程。
作者提出的由水泥熟料直接生產(chǎn)商品混凝土設想的粉磨工藝流程，是在加入水和其他助劑的情況下濕法粉磨水泥。水和助劑與水泥熟料發(fā)生水化反應，與機械力共同作用于水泥顆粒，達到其顆粒直徑迅速減小的粉磨目的，是典型的機械-化學粉磨過程。其降低粉磨能耗、加速粉磨的原理如下。
波特蘭水泥的水化理論研究表明，水泥的水化是熟料組分、硫酸鈣和水發(fā)生的交錯化學反應。水化早期堿性硫酸鹽和鋁酸鹽快速溶解，C3S開始溶解。可見水泥加水后最初是溶解過程，而且溶解是放熱反應，熟料顆粒粒徑不需要消耗粉磨能。C3S遇水后的水化過程可進一步說明這一問題。C3S是熟料中最主要的礦物，C3S (阿利特)的水化，在水泥的全部水化過程，特別是早期水化過程中起著決定性的作用。其水化反應式為
2C3S+7H2O→C3S2H4+3CH
ΔH=-1114kJmol-1
C3S(阿利特)的水化可分為早期(預誘導期、誘導期)、中期(加速期、減速期)和后期(擴散期)。C3S一旦與水接觸，鈣與二氧化硅很快進入溶液，即C3S開始溶解。但粒子周圍產(chǎn)生(C-S－H)水化產(chǎn)物的物理擴散屏蔽層。但是，當我們加上機械粉磨力時會破壞這一物理擴散屏蔽層，繼續(xù)和加快溶解過程。使熟料顆粒迅速變小，能耗會比純機械力粉磨小得多。
眾所周知，普通波特蘭水泥的水化是放熱反應。其主要礦物的水化熱如表3所示。
表3 波特蘭主要礦物的水化熱
從表3可以看出普通波特蘭水泥(OPC)的水化熱接近500J/g，在濕法粉磨過程中，這些熱量有可能作用于水泥熟料顆粒，加速粉磨過程。同時，熟料顆粒是硬、脆性材料，水進入在機械粉磨力作用下形成的裂紋中，其使裂紋尖端的活化作用、水化產(chǎn)物體積增加產(chǎn)生的膨脹擴張作用，都會加快裂紋的發(fā)展，裂紋迅速擴展貫通整個顆粒使之碎裂。
許多研究表明，水泥顆粒圓形化有利于緊密堆積，是提高混凝土性能的一項重要技術(shù)措施。而水泥熟料這種硬脆物料在機械粉磨作用下形成的顆粒，往往呈尖銳的多角形，為此研究、開發(fā)水泥顆粒球形化技術(shù)與裝備成為高性能混凝土研究的方向之一。而機械-化學粉磨有利于水泥熟料顆粒的球形化，這是因為水泥熟料顆粒的水化作用最易從顆粒尖端開始，水化過程也最強烈。機械-化學粉磨，即濕磨形成顆粒應該是球形的，顯然會提高顆粒的堆積密度，從而提高混凝土的強度、耐久性等重要性能。
另外，水泥熟料在混凝土制備現(xiàn)場粉磨，新生成的界面具有很高的活性，與混凝土其他材料的結(jié)合強度更高，從而提高混凝土的工作性能、初期強度和最終強度，提高混凝土的耐久性。
4 預想的效果和需要研究的問題
除前面已經(jīng)討論了的由水泥熟料直接生產(chǎn)商品混凝土的濕法粉磨工藝，有可能會降低粉磨能耗、加速粉磨過程、提高混凝土的工作性能、初期強度和最終強度，提高混凝土的耐久性之外，預想到的由水泥熟料直接生產(chǎn)商品混凝土的效果，還可能有如下有益的效果。
(1)水泥廠把水泥熟料細碎至一定粒度后出廠，取消了粉磨工序，可大幅度地降低水泥廠建設投資、減少水泥廠電耗30%以上、大幅度降低成本。
(2)水泥熟料以一定粒度出廠，有利于運輸和保管。
(3)石膏、礦渣、粉煤灰等混合材，在混凝土攪拌站加入，物料運輸量大為減少，降低生產(chǎn)成本。
(4)在混凝土攪拌站加入混合材、外加劑等有利于配制所要求的不同要求的混凝土和高性能混凝土。
雖然由水泥熟料直接生產(chǎn)商品混凝土可能有許多優(yōu)越性，但由于水泥和混凝土的生產(chǎn)已有百年以上的歷史，要改變水泥生產(chǎn)及物流的流程，制定濕粉磨、攪拌工藝，研制新型水泥粉磨+混凝土攪拌設備，研究開發(fā)適用于機械-化學粉磨技術(shù)的外加劑，建立相應的標準等，都需要進行大量的研究工作。同時，人們的思維和習慣定式和管理體系的改變，也需要做大量的工作。困難很多，但應該是可以克服的。希望由水泥熟料直接生產(chǎn)商品混凝土的設想有一天會實現(xiàn)。
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