由水泥熟料生產商品混凝土的設想
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。本文從節能目標出發，提出了用水泥熟料直接生產商品混凝土的設想。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，把水泥粉磨過程變為機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。
關鍵詞：水泥熟料；商品混凝土；水泥粉磨
據國家統計局2004年統計年報，我國的水泥產量已達9.6億t。生產這些水泥消耗電能1000億kWh，與鋼鐵工業一起成為造成我國電力緊張的主要因素。降低水泥生產能耗，對水泥工業和國民經濟的健康發展，有極其重要的意義。
作者在探討建材工業的可持續發展問題的過程中，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新型磨機，以提高生產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知識的基礎上，大膽地提出由水泥熟料直接生產商品混凝土的設想，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、混凝土工業誕生以來，天經地義是水泥廠生產水泥，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。若要實現由水泥熟料直接生產商品混凝土的設想，肯定會遇到技術上、觀念上、體制上的許多難題。為了推進水泥- 混凝土技術的進步、達到節能的目的，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、實現這一設想，對水泥和混凝土工程技術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快速發展，水泥生產技術與裝備有了較大進步，我國自行設計建設的新型干法8000t/d生產線也已投產。但是我國水泥的粉磨過程、技術與裝備雖有發展，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，水泥粉磨能耗仍高達21～28kwh/t，見表2。因此，開發粉磨新技術與裝備，提高粉磨能效、大幅度降低水泥生產過程中的粉磨能耗是水泥科學技術研究的重大方向之一。
表2 各種水泥粉磨系統的比較
2 設想由水泥熟料生產商品混凝土的流程
作者提出的由水泥熟料直接生產商品混凝土的設想，是根據機械—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各種需求的商品混凝土的建材公司。
3 理論依據
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。但粒子周圍產生(C-S－H)水化產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、水化產物體積增加產生的膨脹擴張作用，都會加快裂紋的發展，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、開發水泥顆粒球形化技術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
除前面已經討論了的由水泥熟料直接生產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商品混凝土可能有許多優越性，但由于水泥和混凝土的生產已有百年以上的歷史，要改變水泥生產及物流的流程，制定濕粉磨、攪拌工藝，研制新型水泥粉磨+混凝土攪拌設備，研究開發適用于機械-化學粉磨技術的外加劑，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商品混凝土的設想有一天會實現。
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