1. 簡介

  從20世紀30年代開始，人們已經開始使用按配方制作的水泥助磨劑。格雷斯的"TDA"產品是于20世紀30年代初開始研發，在1935年取得了專利權。而"HEA2"產品是于1965年獲得了專利保護，時至今日，仍是世界上使用最廣泛的一種助磨產品。從20世紀70年代起，人們開始逐漸使用增強型助磨劑，而格雷斯最近新開發出的 "CBA" 系列專利產品，即為增強型助磨劑，它在增加水泥中混合材方面有越來越多的應用。

  助磨劑的作用是在最大程度降低水泥的制造成本和優化水泥質量方面提供幫助。在過去大概60年的時間內對此進行了大量的研究和開發工作，這些研究也包含了助磨劑在水泥研磨過程中以及后續產品性能的影響等方面。

  人們能夠從許多方面降低成本，例如：通過降低研磨過程中的單位耗能量；提高生產率；縮短運行時間；降低維修和維護成本；提高水泥的性能；提高熟料的替代率：以及通過提高干粉的"流動性"和降低"結塊"等措施來實現成本的降低。

  2  "結塊"和"流動性"

  術語"結塊"是指散裝水泥"開始流動"被抑制時的一種狀態。隨著水泥貿易量的不斷增大，人們需要使用更大容量的儲存和運輸設備，并且儲存和運輸的時間和距離也在延長，因此，"結塊"現象出現的越來越普遍。這種現象可能會在水泥廠里以及運輸之后出現。

  "流動性"這一術語指的是水泥在其"運動"時，流動的難易程度。"流動性"所引發的問題可能會比"結塊"的要少一些，但它們通常是相互關聯的。

  實際上，"結塊"就是指水泥的壓實狀態，而"流動性"與之相反，是指水泥的未壓實狀態。因此，"結塊"可以被視為水泥的靜摩擦力，而"流動性"可以被看作是水泥的動摩擦力。

  此外，結塊與"結庫"或"自然硬化"不盡相同，后者是指在存儲過程中脫水石膏發生水化作用(如存在堿性氧化物)和形成鉀石膏時，所發生的現象。但是，"結塊"和結庫或自然硬化可能會同時發生。

  在很多情況下，"結塊"在一定較小的機械外力的作用下，可以被克服，但如今在越來越多的情況下，這種外力的強度已經變得非常大，所需要的代價也很高。特別是在今天，隨著水泥貿易和終端作業的大量增加，對這個性質的研究也變得越來越重要。

  3. "結塊"的產生原因

  "結塊"的發生與許多條件相關。其中最重要的是振動，隨著振動的時間和程度的增加，對壓實狀態的作用也有所不同。我們已經非常清楚地了解到振動在許多運輸方式中所產生的影響，但對在儲存設施中的發生機制并不太清楚。然而，這些條件往往受到外部振動，例如其他機械運動或車輛運動的影響。

  然而，即使在相同的裝卸和存儲條件下，不同的水泥表現出來的性能也不盡相同。因此，"結塊性"也屬于水泥的一個內在性能指標。隨著水泥細度的增加，粒度分布的增加和新鮮度的增加， "結塊性"也就更大。

  現在有很多證據表明，"結塊"現象與導致顆粒凝聚的表面化學密切相關。因此，凝聚現象可能是當存在少量的水分和/或顆粒間的靜電吸引力時，生成的微小晶體橋而產生。而顆粒間的靜電吸引力可能是由于剛斷裂的水泥表面的不平衡原子價力而產生，而這種原子價力也因此被稱為"表面能"。

  凝聚作用最初會導致相連顆粒間的一種開鏈結構。然而，隨著壓實度的不斷增加，凝聚作用將最終導致一種非常嚴密的剛性結構的產生。因此，"結塊"從本質上可以被視為是機械搗固（振動）和顆粒間的吸引力（不平衡的原子價力）共同作用的一種結果。表面新鮮度的影響可以因此而得以解釋，因為導致凝聚的作用力和"結塊性"將會由于對大氣中水分和二氧化碳的吸附，隨著時間的變長而降低。

  因此我們可以得出結論，"結塊"能夠通過對表面能的控制而被大幅度降低甚至消除，而它最好在不平衡的原子價力產生的過程中，即在研磨過程中得以實現。

  除了"結塊"之外，顆粒間的吸引力也將導致對磨機內部構件（糊球） 凝聚和粘合，從而降低了研磨效率。

  助磨劑對水泥中的各種顆粒起到了包裹的作用，屏蔽了顆粒間的吸引力，因此也減少了團聚現象的產生。實際上，它們提供了一種干性分散。因此這些助磨劑將會提高研磨效率，降低結塊現象的發生。但是，我們還需要注意，結塊的降低程度，雖然與研磨效率的提高程度有關，但不是直接成正比關系。

  4. 對"結塊"的測評

  在研究在大量粉狀物質，如水泥中的流動狀態如何開始出現時，自由屈服強度這一參數具有非常重要的意義。這一參數是指在一個自由表面上導致聚合力破裂所必需的正切壓力，它也是聚合力的一個函數。術語"破裂函數"和"流函數"被用來描述聚合力和自由屈服強度之間的關系。

  "Jenike剪切盒測定方法"是一種為眾人所知的測定"破裂函數"的方法。而其他人，如威廉，伯克斯和巴恰塔亞還通過壓縮一個圓柱樣品，制定了直接測量"破裂函數"的簡化方法。這種單軸類型的測試機后來由其他人，如約翰遜和莫爾特比 / Enstad進行了進一步的研發。

  對于"結塊"實際測評，格雷斯使用了2種室內測試方法。第一個測試是在一個錐形瓶里，對100克的水泥進行振動凝聚。然后，我們將錐形瓶進行180°的旋轉，來破壞其壓實狀態。每旋轉半圈計數一次，旋轉的總次數稱之為"結塊指數"。

  第二種方法更接近于上面所述的單軸方法，我們將制作一個圓柱型的水泥樣品。但是，我們并不是通過施加一個壓力，來確定自由屈服強度，而是通過轉籠振動篩來確定"破裂函數"。通過篩子的時間，即為測量"結塊"的一個指標。

  所有這些方法都能是很好的評測水泥"結塊"難易的方法，并且它們已經證明，由于使用了水泥助磨劑，"結塊"程度得到了明顯的降低。

  5. 降低結塊和增加流動性所帶來的益處

  我們上面已經討論過，在水泥研磨過程中，使用助磨劑能夠有效地促進干性分散，從而降低"結塊"，增加"流動性"和容積密度。

  而這些改進后的性能將在隨后的物料裝卸過程中展現出很多優勢，從而顯著地降低成本。

  與物料傳送操作相關的主要成本包括：在研磨流程內的輸送，從研磨系統到工廠的儲庫，從儲庫提貨并裝載，通過公路、鐵路或船只運輸，與卸貨、回收和再次裝載有關的裝卸作業。

  在這些操作過程中，由于使用助磨劑而降低的"結塊"和提高的"流動性"，將會縮短裝卸時間，增加存儲容量，并降低泵送成本。而它們對最終的水泥成本所產生的作用，將取決于實際的材料裝卸業務內容。例如，水泥也可能只是通過公路直接從工廠運輸過來。或者，可能會使用一個中轉站，水泥通常會從工廠通過鐵路或有時通過船只，運送至該中轉站。在某些情況下，也可能會有兩個中轉站。水泥的運送，可能從工廠至第一個中轉站會使用公路或鐵路，然后，在兩個中轉站之間使用船只，從第二個中轉站到客戶之間使用公路。

  在運輸過程中所產生的成本因此可能具有很大的差別，可能占銷售價格的比例很大。人們對所涉及的經濟因素進行了研究并就相對較短距離，通常為每噸8 - 10美元的總分銷成本與較長距離的每噸23-27美元的總分銷成本進行了探討(1993年)。

  在所有的交通方式中，有一個與裝卸有關的時間因素。由于"結塊"問題而引起的較長裝卸時間，將會導致更高的裝卸成本，甚至會減少每天的裝載次數，并進一步增加整體的配送成本。

  例如，我們規定，道路運輸所涉及的固定成本每天大約為225美元。對于使用了助磨劑的水泥，用卡車的裝卸費用可能大約只有公路往返費用的15%。但是，如果是未經處理的水泥，該費用可能增加到25%。如果每天兩次裝卸這種未經處理的水泥，該費用將等于每噸4.96美元。而如果每天能夠裝卸使用助磨劑的水泥三次，每噸成本將降至3.30美元。因此，隨著每天往返次數的

  增加，該配送成本將會明顯降低，也許每噸最多能減少1 .66美元。在使用鐵路配送的裝卸作業過程中，表現出來的是對裝卸時間的節省。因為每次裝卸只能有幾個車廂同時進行（通常情況下，對于需要30個車廂的2000噸的水泥，每次只能裝運1-3個車廂）。一般情況下，對于裝卸30個車廂的2000噸的水泥的固定成本為每分鐘1.60美元。而對于使用過助磨劑的水泥而言，裝卸速度大約為400噸/小時，但對未使用助磨劑的水泥而言，裝卸速度大約為50 - 150噸/小時。因此，由于受到 "結塊"的明顯影響，裝卸時間可能會占到往返時間的50%以上，而對于單一車廂的運輸，該卸貨時間占往返時間的比例可能高達75%。

  例如，對于運輸2000噸水泥的30個車廂的列車而言，如果是未經處理的水泥，一次裝卸2個車廂，每小時裝卸75噸，卸貨時間則為13.3小時。那么得出的固定成本則為每噸0.64美元。而對于使用了助磨劑的水泥而言，每小時可達到150噸的裝卸速度，裝卸時間因此會減少到6.7小時，由此得出固定成本為每噸0.32美元。當然，水泥配送的實際減少成本，將根據每年交貨總數，由節省的裝卸時間決定。

  對于船舶運輸，其很大一部分的成本，都來自租船費率、港口費和碼頭裝卸成本。因此"結塊"問題也會造成嚴重的延遲，從而大幅度增加在這些方面產生的成本。延誤可能因"結塊"問題而導致的較低卸貨率產生，并且，如果受潮汐影響，這個問題將更加突出。對于25噸的船只而言，租船費率大約為每噸0.35美元，所以延遲6個小時可能增加的成本約為每噸0.09美元。另外，在一般情況下，裝卸成本為每噸2.25美元，此時大概也會每噸增加0.50美元。如果船舶是在港口內延遲，港口費用對每噸水泥的成本也會產生明顯影響。

  除了在生產商的工廠和配送過程中導致延誤和成本增加，"結塊"現象也會在用戶的工廠中造成對成本的影響。例如，不理想的材料裝卸將會增加物料裝載時間、增加使用機械外力造成流動性的需求（和成本），從而增加了客戶的生產成本。

  6. 水泥助磨劑的經濟意義

  水泥磨助磨劑的成本將取決于助磨劑的種類和使用的摻量。在一般情況下，添加量為0.02%左右，使用成本為每噸0.10美元-0.30美元左右。如果使用該范圍的低端數值，在例如千瓦時/噸、維修和維護成本的降低方面所產生的收益，將大大超過使用助磨劑的成本。如果使用該范圍的高端數值，將能通過水泥的成分變化獲得收益（即提高了石灰石、礦渣、火山灰或粉煤灰的摻入量)。

  因此，水泥助磨劑的使用具有充分的經濟意義。然而，一般在配送成本為成本的主要影響因素時，我們會使用助磨劑，可以輕松地減少"結塊"現象的出現，從而降低配送成本。從前面的討論，我們可以很明顯地看出，"結塊"問題所導致成本的增加，遠遠高于水泥助磨劑的總體使用成本。

  因此我們得出結論，使用水泥助磨劑可以對顯著的降低水泥配送成本進而降低水泥的生產成本都產生非常顯著的影響。

  7. 結論

  1.使用水泥助磨劑能夠使我們在很多方面獲得收益，其中包括通過增加容積密度、減少"結塊"和增強流動性來增加存儲容量。

  2.  "結塊"是指壓實狀態，主要是由于機械壓實和顆粒間的吸引力而引起。"結塊"值能夠通過一系列實驗室測評方法，其中包括剪切盒和單軸測試儀而成功測量得出。

  3.  "流動性"是指未壓實狀態。 水泥磨助磨劑將會降低顆粒之間的吸引力，促進水泥粒子的干性分散。

  4. 公路卡車、列車車廂和船只的裝卸時間將對水泥的配送成本產生明顯影響。如果水泥使用了助磨劑，這些時間將會明顯降低，因而整體配送成本也將顯著降低。事實證明，在某些情況下，只針對配送而言，助磨劑的使用成本遠小于在配送中所節省的費用。