前言  

　　目前國內(nèi)水泥技術(shù)越來越成熟，生產(chǎn)線建設(shè)規(guī)模日益增大，市場競爭不斷加劇，水泥企業(yè)使用外添加劑逐步成為了進(jìn)一步降低制造成本，提高水泥產(chǎn)、質(zhì)量已經(jīng)成為企業(yè)增加市場競爭力，適應(yīng)混凝土商品化的重要手段。水泥助磨劑就是這種新形式下派生出來的水泥生產(chǎn)外加劑，主要作用是提高水泥粉磨系統(tǒng)的臺時產(chǎn)量、取得合理的工藝運(yùn)行參數(shù)、提高各階段水泥強(qiáng)度、增加混合材摻入量，降低水泥本部的綜合電耗，提高企業(yè)的綜合盈利能力。雖然水泥助磨劑是水泥產(chǎn)業(yè)鏈中的一個小產(chǎn)品，但是它在水泥行業(yè)中提產(chǎn)降耗等方面起著十分重要的作用，能為水泥企業(yè)帶來實(shí)實(shí)在在的效益。目前，我國水泥助磨劑的生產(chǎn)逐步擺脫了那種產(chǎn)品單一，性能低劣的發(fā)展局面，特別在國外助磨劑生產(chǎn)廠家（如格雷斯、希普等）進(jìn)入中國水泥市場之后，促使我國的助磨劑生產(chǎn)廠家開發(fā)出不同市場需求的產(chǎn)品，使得我國企業(yè)的助磨劑產(chǎn)品質(zhì)量有了大幅度的提高。但從整體而言，我國大部分助磨劑生產(chǎn)企業(yè)仍然存在生產(chǎn)設(shè)備簡單，檢測試驗(yàn)手段落后，產(chǎn)品品種單一，有害物超標(biāo)的情況。已經(jīng)嚴(yán)重制約了企業(yè)的市場競爭力。特別在國家即將頒布的通用水泥新標(biāo)準(zhǔn)中，水泥粉磨時允許加入助磨劑量應(yīng)不超過水泥質(zhì)量的0.5％，助磨劑應(yīng)符合JC/T66規(guī)定。對水泥有害物含量作了更嚴(yán)格的限制，要求氯離子含量不大于0.06%。這些標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)制實(shí)施，一方面增強(qiáng)了我國水泥的實(shí)物質(zhì)量，另一方面也促使助磨劑生產(chǎn)企業(yè)加快產(chǎn)品升級步伐以滿足水泥市場要求。   

　　1. 研制復(fù)合型助磨劑   

　　當(dāng)前很多水泥企業(yè)所用的助磨劑主要起增產(chǎn)作用，但隨著水泥行業(yè)混合材使用量的增大，以及即將執(zhí)行的國家通用水泥新標(biāo)準(zhǔn)取消普通硅酸鹽32.5水泥之后，有些水泥廠（特別是立窯）生產(chǎn)成本將有所上升。因此在不改變現(xiàn)有工藝條件的情況下要求有一種即能提高磨機(jī)產(chǎn)量又能提高混合材摻量和水泥強(qiáng)度的助磨劑對水泥制造企業(yè)來說非常急需。在這方面除了幾家國外助磨劑生產(chǎn)廠家有這種產(chǎn)品外，而國內(nèi)公司的產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用中還有一定的差距，但國內(nèi)企業(yè)在這方面的研發(fā)也取得了一些成績。目前國內(nèi)也有一些科研單位，大專院校、生產(chǎn)企業(yè)在以往研究使用水泥助磨劑的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展研究工作，并使其產(chǎn)品更趨規(guī)范，性能更加優(yōu)越，摻入控制更加方便、可靠，成本價格更趨合理，不少水泥廠在粉磨過程中對摻適量水泥助磨劑來提高水泥產(chǎn)、質(zhì)量，節(jié)約能耗，防止水泥結(jié)塊等越來越感興趣。    

　　由于水泥助磨劑是一種表面活性較高的化學(xué)物質(zhì)，將適量的助磨劑摻勻在粉磨物料中，使其吸附在物料顆粒的表面上，即能降低物料顆粒的表面自由能，從而防止物料細(xì)顆粒的再聚合并使顆粒易碎性提高，因此從理論上分析表面活性高的化學(xué)物質(zhì)，可用作水泥助磨劑。但在實(shí)際生產(chǎn)中要達(dá)到上述目的則要進(jìn)行不同表面活性劑的配比摻合試驗(yàn)，找出最佳配比，特別對于復(fù)合型助磨劑來說更是如此。因此要求在研制這類助磨劑時，為了增強(qiáng)與水泥產(chǎn)品的廣泛適應(yīng)性應(yīng)盡量用標(biāo)準(zhǔn)水泥熟料做試驗(yàn)，其標(biāo)準(zhǔn)水泥熟料的有關(guān)成分為：C3A含量為6—8%，C3S含量為50—55%，f-CaO含量為≤1.2%，堿含量（Na2O+0.658K2O）≤1.0%。   

　　在復(fù)合型助磨劑的研制生產(chǎn)中要充分了解助磨劑在水泥粉碎過程中的助磨和水泥水化過程中提高水泥強(qiáng)度的雙重機(jī)理，在水泥粉磨過程中物料顆粒受到外力作用時物料顆粒被逐漸粉碎，而物質(zhì)顆粒的粉碎則意味著物質(zhì)化學(xué)鍵的折斷和重新組合，隨著顆粒不斷粉碎和顆粒斷裂面的生成，顆粒的表面上出現(xiàn)不飽和的價鍵并帶有正或負(fù)電荷的結(jié)構(gòu)單元，使顆粒處于亞穩(wěn)的高能狀態(tài)，在條件合適時斷裂面重新粘合或者顆粒與顆粒再聚合起來結(jié)成為大顆粒，因此粉碎過程是一種分散與聚合的可逆反應(yīng)。在水泥粉碎過程中，摻入適量的助磨劑，則助磨劑吸附在物料顆粒表面上，使斷裂面上的價鍵力得到飽和、顆粒之間的附聚力得到屏蔽，即屏蔽了水泥顆粒的一些帶電活性點(diǎn)，使其荷電性質(zhì)趨于平衡，從而避免了細(xì)顆粒的再聚合和細(xì)粉的糊球、粘磨現(xiàn)象，在水泥粉碎過程中助磨劑的分子能進(jìn)入到水泥顆粒的裂縫中，靠其表面活性作用幫助裂縫的擴(kuò)展并防止微小裂縫的外力打擊下的重新愈合，從而提高水泥的粉磨效果。    

　　要使水泥助磨劑發(fā)揮提高水泥強(qiáng)度的作用，除水泥粉磨過程中降低水泥顆粒細(xì)度提高比表面積的物理作用外，重要的還是要在助磨劑中加入微量的激發(fā)物質(zhì)使水泥在水化過程中與助磨劑中的Na+、OH-、SO42-等的激發(fā)改性物質(zhì)，在機(jī)械化學(xué)力的強(qiáng)化改性下，粉體表面可形成一定的表面活性點(diǎn)，在水化過程中這些活性點(diǎn)優(yōu)先參與水化發(fā)應(yīng)，與其他顆粒或集料形成局部焊點(diǎn)，加快加固混凝土漿體早期的機(jī)構(gòu)形式。復(fù)合型水泥助磨劑的增強(qiáng)功能主要是助磨劑中的化學(xué)激發(fā)物質(zhì)與熟料及混合材中的鈣、硅、鋁等進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，形成了有助于水泥增強(qiáng)的化學(xué)產(chǎn)物，同時造成了水泥中氧化物的晶格缺陷，提高了起發(fā)應(yīng)活性。同時對普通水泥中約有20%—40%沒有充分發(fā)揮水化作用的顆粒表面活性作用加強(qiáng)，從而客觀上使得水泥中活化顆粒增多，水泥早中期水化產(chǎn)物增多，更有利于提高水泥的早期強(qiáng)度。    

　　從水泥制造的工藝角度來考慮，由于復(fù)合型助磨劑在水泥中的摻量很小，其在水泥制品中的分散均勻度就受到影響，為減小這種影響而只有從水泥粉磨系統(tǒng)中加入是最佳選擇，這是因?yàn)橐环矫嫠囝w粒在外力作用下的表面積增大過程中同時也發(fā)生了一定的物理化學(xué)變化，這些變化有利于化學(xué)激發(fā)物質(zhì)與其表面發(fā)生活化發(fā)應(yīng)，激發(fā)出水泥顆粒潛在的水化活性。另一方面助磨劑在水泥粉磨過程中有利于均勻分散在水泥成品中，被在混凝土攪拌中加入激發(fā)物質(zhì)要好。   

　　2. 研發(fā)專用型助磨劑   

　　2005年，中國水泥產(chǎn)量達(dá)10.6億噸，約占世界水泥總產(chǎn)量的45%。但我國助磨劑的使用量卻很低，目前我國水泥工業(yè)對助磨劑的應(yīng)用率不足20％，與國外發(fā)達(dá)國家95％的應(yīng)用率尚有很大差距。究其原因，主要是我國助磨劑品種比較單一，性能、質(zhì)量參差不齊，適應(yīng)性普遍較差造成的。因此，專用型助磨劑的開發(fā)，對我國助磨劑的推廣應(yīng)用具有重要的作用。   

　　2.1 粉煤灰專用助磨劑研發(fā)   

　　2005年我國粉煤灰累計排放量達(dá)到了12多億噸，現(xiàn)階段年排渣量已達(dá)3000萬噸，并且還不斷呈上升趨勢。水泥行業(yè)中粉煤灰做為混合材的使用量將越來越大，國家即將頒布的通用水泥新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定粉煤灰水泥中粉煤灰摻量摻量由“20％～40％”改為“>20％，≤40％” （原版GB1344－1999中第3.3條、本版第4.1條）；這意味著粉煤灰的摻量要加大，而實(shí)際我國大部分水泥廠家粉煤灰摻量是較低的，一般在10%—20%之間，加上近期各地粉煤灰價格上漲較快，使得水泥成本較高。因此研發(fā)粉煤灰專用助磨劑來增大粉煤灰摻加量有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。    

　　粉煤灰專用助磨劑的作用機(jī)理主要是根據(jù)助磨劑的作用機(jī)理研究選擇不同物質(zhì)組成和不同的工藝，經(jīng)大量研究試驗(yàn)，開發(fā)新的高效助磨劑。要有好的助磨效果，必須滿足：1.助磨劑的物質(zhì)組成必須是偶極矩大的極性物質(zhì)或強(qiáng)力的表面活性劑，極性物質(zhì)屏蔽效應(yīng)強(qiáng)；2. 各種不同的吸附劑在顆粒表面上具有不同的吸附機(jī)理，將多種表面活性劑分別通過試驗(yàn)有條件地組合在一起，能夠增強(qiáng)在顆粒表面的吸附作用，增強(qiáng)助磨效果；3. 粉磨物料中的各種成分粉碎時所要求的助磨機(jī)理各不相同，因此要找出各自的作用機(jī)理，確定最佳組合；4.在磨機(jī)中要使用幾種物質(zhì)配合在一起制成復(fù)合助磨劑，以增強(qiáng)適應(yīng)性。鑒于粉煤灰助磨劑必須具備的以上幾種功能，在助磨劑原材料的選取上一般采用如下原則：1. 采用碳酸鈣物質(zhì)完善調(diào)整水泥石化學(xué)組成和提高粉煤灰的水化過程中所消耗的大量放熱反應(yīng);2. 采用不同激發(fā)劑，通過多種試驗(yàn)補(bǔ)充激發(fā)粉煤灰的潛在活性，促使與多種離子表面活性劑復(fù)合成高效助磨劑；　3.采用多種分散劑、外加劑與粉煤灰進(jìn)行復(fù)合試驗(yàn)和研究，針對不同的水泥粉磨物料、顆粒等條件和物料的性質(zhì)在粉磨過程中，使用不同的高效復(fù)合粉磨劑。使研究開發(fā)的粉煤灰專用助磨劑達(dá)到國家建材行業(yè)的水泥助磨劑標(biāo)準(zhǔn)的各項(xiàng)指標(biāo)。    

　　為了與普通助磨劑區(qū)別，粉煤灰專用助磨劑有以下指標(biāo)必須達(dá)到：1. 提高水泥產(chǎn)品的強(qiáng)度，特別是水泥早期強(qiáng)度，一般可提高4-8Mpa；2, 較大提高粉煤灰在水泥中的摻量，大量利用粉煤灰作水泥混合材，粉煤灰摻量可達(dá)到30-50％；3.充分利用水泥粉磨原有工藝設(shè)備，不增加廠房設(shè)備投資，可提高粉磨產(chǎn)量20-45%；4.降低機(jī)械能，噸水泥節(jié)電8-15kwh。以上指標(biāo)是研發(fā)粉煤灰專用助磨劑技術(shù)指標(biāo)要求，低于該標(biāo)準(zhǔn)的研發(fā)將失去意義。    

　　粉煤灰專用助磨劑對提升水泥工業(yè)的技術(shù)水平，促進(jìn)水泥工業(yè)“綠化”進(jìn)程，完善水泥生產(chǎn)模式有重大作用。該項(xiàng)目技術(shù)的實(shí)施能很好地把環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益、社會效益結(jié)合統(tǒng)一起來，貫徹落實(shí)了環(huán)境法中環(huán)境保護(hù)同經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會發(fā)展相協(xié)調(diào)的原則。2005年我國生產(chǎn)水泥10.6億噸，利用工業(yè)廢渣約2.0億噸，若使用該技術(shù)，在同等條件下，可使用工業(yè)廢渣摻加量提高一倍以上，全年即可多利用工業(yè)廢渣1.5億噸，可增加水泥產(chǎn)量1.5億噸，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤2500萬噸，減少土地占用70000畝；同等水泥產(chǎn)量下，可減少有害氣體排放：二氧化碳1.5億噸，二氧化硫40萬噸，氮氧化物85萬噸。   

　　2.2礦渣專用助磨劑研發(fā)    

　　礦渣是一種具有良好的潛在活性的材料，它已成為水泥工業(yè)活性混合材的重要來源。水泥企業(yè)使用礦渣可以擴(kuò)大水泥品種、改善水泥性能。礦渣的主要成分是由CaO、MgO、Al2O3、MgO、SiO2、MnO、Fe2O3等組成的硅酸鹽和鋁酸鹽。上述四種主要成分在鋼渣中占90%以上。礦渣的活性以質(zhì)量系數(shù)K=(CaO+MgO+Al2O3)/(SiO2+MnO+TiO2)來衡量，系數(shù)大則活性高。礦渣的活性與化學(xué)成分有關(guān)，但更取決于冷卻條件。水淬急冷阻止了礦物結(jié)晶，因而形成大量的無定形活性玻璃體結(jié)構(gòu)或網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有較高的潛在活性。在粉磨到一定程度時，其活性被激發(fā)出來，能起水化硬化作用而產(chǎn)生強(qiáng)度。    

　　近代的材料脆斷破壞觀點(diǎn)認(rèn)為裂紋的存在和擴(kuò)展導(dǎo)致斷裂。促成斷裂產(chǎn)生的物理?xiàng)l件是力和能量，當(dāng)物料顆粒受外力作用時，在裂紋尖端處呈現(xiàn)局部應(yīng)力集中。當(dāng)拉應(yīng)力超過物質(zhì)分子的引力時，則裂紋擴(kuò)展。根據(jù)Griffith材料斷裂理論公式，助磨劑吸附在裂紋上，可使裂紋表面自由能降低，而且可平衡裂紋表面上的剩余價鍵及電荷，避免裂紋愈合，從而有利于裂紋的擴(kuò)展，提高物料的易碎性。  

　　式中  σ──材料的斷裂強(qiáng)度，MPa；           E──楊氏彈性模量，MPa；    

　　γ──固體的比表面能，erg/cm2；        L──裂紋的長度，mm。   

　　由于礦渣的玻璃體結(jié)構(gòu)原因，普通助磨劑加入到礦渣水泥粉磨過程中，雖然能夠解除礦渣顆粒周圍的團(tuán)聚現(xiàn)象，但不能提高礦渣顆粒本身的易磨性，所以助磨效果往往不佳。    

　　助磨劑的作用在很大程度上取決于助磨劑的性質(zhì)及其加入量。很多實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用表面活性劑可獲得很好的效果，尤其是陽離子型表面活性劑和非離子型表面活性劑。專家在研究過程中發(fā)現(xiàn)，表面活性劑中的某些物質(zhì)，在與弱酸合成后，對礦渣的易磨性有明顯作用，能夠較大幅度提高礦渣粉磨的比表面積。依據(jù)現(xiàn)有助磨劑在粉磨過程中作用和機(jī)理的理解，選擇相應(yīng)的表面活性劑及無機(jī)組分進(jìn)行有效結(jié)合，經(jīng)過大量試驗(yàn)，復(fù)配得出礦渣專用助磨劑。    

　　礦渣助磨劑的最終研究目的是要在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中發(fā)揮作用，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用助磨劑還要受到工藝條件的影響，因此必須通過相應(yīng)的工業(yè)使用研究才能對礦渣助磨劑的真正使用效果進(jìn)行更有效的分析和確定。工業(yè)生產(chǎn)時，水泥磨會出現(xiàn)包球、糊磨、過粉磨，不利于磨機(jī)的工作效率，磨內(nèi)糊球等是由于吸引熱力、化學(xué)力和機(jī)械力共同作用的結(jié)果，這三種力由于礦渣助磨劑的存在而被中和了，這樣因結(jié)塊對研磨效率的負(fù)面影響就減少了，同時增加了粉末物料的流動性。所以，磨內(nèi)瞬時裝填量就減少了，球料比例得到改善，生產(chǎn)相同質(zhì)量及產(chǎn)量的礦渣水泥，研磨時間將相應(yīng)有所減少。   

表1 礦渣專用助磨劑在∮2.4×10.5m閉路水泥磨上的使用效果 

　　表中：P1—市場普通助磨機(jī)，K2—礦渣專用助磨劑   

　　從表1總結(jié)的數(shù)據(jù)我們可以看出，礦渣專用助磨劑能夠提高礦渣水泥磨機(jī)臺時產(chǎn)量10%～12%，并且能在不影響助磨效果的前提下，礦渣水泥3天抗壓強(qiáng)度提高6.0MPa左右，28天抗壓強(qiáng)度提高7.0MPa左右。   

　　一般要求礦渣專用助磨劑產(chǎn)品使用中必須達(dá)到如下指標(biāo)：1、在礦渣水泥粉磨時加入礦渣助磨劑，噸水泥可以相應(yīng)降低電耗5～15kw/h，并且提高水泥富裕標(biāo)號3～5MPa。這樣能較大幅度節(jié)約電耗和煤耗，并且可以減少 SO2和CO2的排放。有利于水泥工業(yè)的廢棄物的綜合利用和環(huán)保節(jié)能；2、礦渣助磨劑能提高磨機(jī)臺時產(chǎn)量10%～20%；3、礦渣助磨劑能夠顯著增加水泥各齡期強(qiáng)度，使水泥28天強(qiáng)度可增加8Mpa左右，同時3天強(qiáng)度增加5Mpa左右；4、水泥企業(yè)在采用礦渣助磨劑時，對混凝土性能無任何不良影響。   

　　3.研發(fā)企業(yè)專用型助磨劑    

　　綜上所述，我們在研究開發(fā)的各種助磨劑時，所用的水泥原材料盡量選用市場上普遍使用的，具有廣泛的代表性。但對不同廠家的水泥產(chǎn)品來講，還是有地區(qū)差異的，這使得的我們的助磨劑在有些企業(yè)使用的非常成功，而在另外一些企業(yè)則效果不甚理想，有些甚至沒有效果。這主要是因?yàn)椴煌赜虻乃嘣喜煌?，因?yàn)槿魏胃咝е┰谒喾勰ズ退^程中要與水泥顆粒發(fā)生一系列物理化學(xué)發(fā)應(yīng)，水泥顆粒的物質(zhì)組成不同，結(jié)構(gòu)不同都將影響助磨劑活性的發(fā)揮。在這種情況下，水泥原料的多樣性就起到主要作用。這就要求我們在開發(fā)高效水泥助磨劑時，要針對不同廠家的水泥原料特點(diǎn)合理選取助磨劑配方，進(jìn)行科學(xué)試驗(yàn)，找出適合不同廠家的使用的特用助磨劑來，滿足市場需求。但這種情況下使得助磨劑的生產(chǎn)成本有所上升。就當(dāng)前水泥行業(yè)發(fā)展趨勢來看，研發(fā)專用助磨劑已經(jīng)具備這樣的市場條件，隨著水泥行業(yè)朝大型化，集團(tuán)化、區(qū)域化發(fā)展，水泥企業(yè)將逐漸形成以不同地區(qū)為主的大型集團(tuán)，這些企業(yè)的水泥原料的多樣化將逐步減小，有利于助磨劑研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)開發(fā)針對這些企業(yè)使用的助磨劑，這將是助磨劑生產(chǎn)研發(fā)企業(yè)的一種發(fā)展方向。    

　　企業(yè)專用助磨劑的研發(fā)生產(chǎn)必須在助磨劑生產(chǎn)企業(yè)具有生產(chǎn)上述產(chǎn)品能力的基礎(chǔ)上才能進(jìn)行，其各項(xiàng)要求指標(biāo)應(yīng)該和上述產(chǎn)品一樣。國內(nèi)有些助磨劑生產(chǎn)廠家已經(jīng)嘗試做這方面工作。   

　　4.結(jié)論    

　　水泥助磨劑的作用機(jī)理是助磨劑被磨內(nèi)物料表面吸附后，降低顆粒的表面自由能，避免裂紋愈合，降低了物料表面的硬度和強(qiáng)度，提高了物料的易磨性。避免了顆粒的過粉磨，使水泥中3~32um顆粒的含量增加10~20%，促進(jìn)水泥顆粒球型化，提高水泥顆粒圓度系數(shù)，復(fù)合專用助磨劑中的化學(xué)物質(zhì)還可以促進(jìn)硅酸鹽礦物的水化，提高水泥的活性，有利于水泥各齡期強(qiáng)度的提高。通過使用復(fù)合專用型助磨劑，提高了水泥的強(qiáng)度、降低水泥生產(chǎn)過程中熟料的使用量，加大工業(yè)廢棄物的利用量，改善了水泥性能。使用復(fù)合專用助磨劑，能夠針對水泥廠不同的水泥原材料的不同特點(diǎn)顯著地提高磨機(jī)產(chǎn)量、改善水泥產(chǎn)品的性能質(zhì)量、降低粉磨生產(chǎn)成本，是水泥企業(yè)未來發(fā)展的必然選擇。   

　　參考文獻(xiàn)：   

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