吳笑梅：水泥助磨劑的作用機(jī)理及其使用效果評(píng)價(jià)方法

  助磨劑自引進(jìn)國(guó)內(nèi)以來(lái)，在降低水泥生產(chǎn)能耗，提升磨機(jī)粉磨效率方面做出了突出貢獻(xiàn)。而近年來(lái)，隨著業(yè)內(nèi)節(jié)能降耗呼聲日盛，如何進(jìn)一步挖掘助磨劑在水泥生產(chǎn)中的節(jié)能作用，逐漸在業(yè)受到更廣泛的關(guān)注。

  2018年6月14日，由中國(guó)水泥網(wǎng)主辦的第十屆粉磨峰會(huì)在杭州召開。會(huì)議上吳笑梅就《水泥助磨劑的作用機(jī)理及其使用效果評(píng)價(jià)方法》做了主題報(bào)告。

  一、助磨劑使用過(guò)程中的影響因素（種類繁多、性質(zhì)各異、作用機(jī)理復(fù)雜）

  水泥助磨劑是指在水泥粉磨時(shí)加入的起助磨作用而又不損害人體健康及水泥混凝土性能的外加劑，分為液體和粉體兩種。在水泥生產(chǎn)過(guò)程中，粉磨環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的電耗占整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的80%，同時(shí)球磨機(jī)在粉磨過(guò)程中也存在能量利用率低的問(wèn)題。因此，在報(bào)告中吳笑梅指出，助磨劑技術(shù)是水泥企業(yè)節(jié)能減排的有效技術(shù)。

  對(duì)助磨劑的現(xiàn)有認(rèn)識(shí)，吳笑梅指出，理論上，人們認(rèn)為助磨劑能夠提產(chǎn)，增強(qiáng)和提高混合材的摻量。但事實(shí)上，助磨劑也存在提產(chǎn)效果可能不顯著，增強(qiáng)效果不穩(wěn)定，也會(huì)造成水泥使用性下降，市場(chǎng)投訴增多等問(wèn)題。而造成這一系列問(wèn)題的主要原因是缺乏識(shí)別能力和科學(xué)的評(píng)價(jià)方法。

  另，吳笑梅在報(bào)告中指出了助磨劑的三大助磨原理：

  第一，列賓捷爾（Rehbinder）強(qiáng)度削弱理論：利于裂紋擴(kuò)展，削弱固體強(qiáng)度；

  第二，馬杜里（Mardulier）的顆粒分散理論：飽和價(jià)鍵力，防止顆粒聚集；

  第三，薄膜理論：表面活性劑，形成包裹薄膜，改善粉體流動(dòng)性。

  這三個(gè)原理都能改變顆粒級(jí)配，減小過(guò)粉碎，提高粉磨效率，降低單位電耗，磨機(jī)增產(chǎn)，節(jié)約成本！

  助磨劑的助磨作用方式又是如何？吳笑梅指出助磨劑是吸附在水泥顆粒裂縫表面（剛形成的裂縫分別帶相反的電荷），中和電荷。

  助磨劑吸附在水泥顆粒表面后使顆粒表面產(chǎn)生相同符號(hào)的電荷，引起排斥力而使顆粒分散開。

  顆粒表面吸附有高分子表面活性劑時(shí)，它們?cè)谙嗷?接近時(shí)產(chǎn)生排斥作用，可使粉體分散體更加穩(wěn)定，不發(fā)生團(tuán)聚，這就是高分子表面活性劑的空間位阻作用。

助磨劑（表面活性劑）的分類

  綜上所述，吳笑梅總結(jié)出助磨劑提產(chǎn)增強(qiáng)效果的負(fù)作用與不確定性。

  助磨機(jī)理：減少過(guò)粉碎現(xiàn)象，提高研磨效率（消除因靜電作用而產(chǎn)生的糊球糊鍛，改善粉體流動(dòng)性）往往帶來(lái)水泥顆粒集中，標(biāo)準(zhǔn)稠度增加，外加劑相容性變差的負(fù)面作用；提產(chǎn)作用與助磨效果不直接相關(guān)，受粉磨工藝參數(shù)及工況的影響較大。

  增強(qiáng)機(jī)理：物理作用，化學(xué)作用；物理作用受物料易磨性、磨況影響；化學(xué)作用受熟料質(zhì)量的影響。

  二、作用效果的評(píng)價(jià)方法（依賴大磨評(píng)價(jià)不科學(xué)；小磨試驗(yàn)評(píng)價(jià)沒(méi)有代表性）

  1.助磨效果的評(píng)價(jià)

  助磨劑大多是表面活性劑，符合吸附理論：

  助磨效果評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)：在粉磨之前噴在物料表面一起粉磨；檢測(cè)助磨劑品種、摻量與磨制水泥顆粒特征的關(guān)系

  醇胺類物質(zhì)：A，C，D

  摻量：0.00%、0.01%、0.015%、0.02%、0.025%、0.03%、0.035%、0.04%

  水泥比表：350-360m2/kg

  水泥熟料：塔牌集團(tuán)金塔廠熟料

  混合材：石灰石、礦渣

  助磨效果評(píng)價(jià)指標(biāo)：相近比表面積下

  （1）0.045mm細(xì)度變化值

  （2）均勻性系數(shù)變化值

  （3）標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量變化值

  助磨效果與助磨劑摻量的關(guān)系

  最大助磨效果為：C>A>D

  助磨效果與物料易磨性的關(guān)系

  C對(duì)摻有混合材的水泥的0.045mm方孔篩篩余和均勻性系數(shù)的影響

  從圖中幾條曲線斜率的角度看：摻石灰石，助磨效果最明顯。從改善顆粒分布看，石灰石有利于水泥顆粒分散，單摻礦渣有利于水泥顆粒集中。

  飽和摻量對(duì)助磨效果的評(píng)價(jià)意義

  實(shí)際應(yīng)用情況

  （1）大磨提產(chǎn)試驗(yàn)，正常的磨況（流速、水份、溫度）通常有5%-10%的提產(chǎn)空間。

  （2）對(duì)改善因過(guò)粉磨/溫度引起的糊球糊鍛現(xiàn)象效果顯著，對(duì)因水分造成的糊球糊鍛、飽磨現(xiàn)象效果不顯著

  （3）若原磨況：物料水分高，出磨溫度低（尤其是陶瓷球），原磨內(nèi)流速過(guò)快的，加入助磨劑后產(chǎn)量往往提產(chǎn)不顯著或甚至下降。

  （4）由于助磨效果會(huì)影響水泥的顆粒分布，受國(guó)標(biāo)中摻助磨劑前后水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度、凝結(jié)時(shí)間等參數(shù)指標(biāo)變化范圍的限制，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中遠(yuǎn)沒(méi)有用到最大助磨效果的理論摻量。

  2. 增強(qiáng)機(jī)理及其效果的評(píng)價(jià)

  （1）物理增強(qiáng)機(jī)理：水泥顆粒分布改變，帶來(lái)強(qiáng)度變化（如比表面積相近時(shí)，水泥顆粒中3-32um的顆粒含量增多，水泥膠砂3d，28d強(qiáng)度提高；由此可能帶來(lái)標(biāo)準(zhǔn)稠度增加，外加劑相容性變差的負(fù)面作用。

  （2）化學(xué)增強(qiáng)機(jī)理：一般通過(guò)加快水泥水化而產(chǎn)生增強(qiáng)作用。不同的物質(zhì)影響不同（無(wú)機(jī)鹽類、醇胺類/醇類）

  --實(shí)際驗(yàn)收時(shí)注意區(qū)分物理作用效果和化學(xué)作用效果

  粉磨時(shí)摻：物理+化學(xué)綜合效果

  成型時(shí)摻：化學(xué)激發(fā)效果（不影響水泥的顆粒分布）

  2.1醇胺類物質(zhì)對(duì)A礦水化的影響

A礦的化學(xué)成分/%

  實(shí)驗(yàn)所用水灰比為0.35，將醇胺類物質(zhì)摻入到A礦凈漿用水中，其中Ak、Aa、Ac和Ad分別代表A礦添加A、C、D以及空白樣

  （1）在1d至28d齡期內(nèi)，水化率Aa>Ac>Ad >Ak。說(shuō)明對(duì)A礦水化的促進(jìn)作用A>C>D.

  （2）在28d-90d齡期內(nèi)，Aa、Ac、Ad和空白樣的水化率接近

水泥凈漿綜合熱分析

A礦漿體中各物質(zhì)的失重量/%

A水化產(chǎn)物的晶膠比

  水化產(chǎn)物晶膠比降低

  2.2醇胺類物質(zhì)對(duì)水泥水化的影響（顯著加快各齡期水泥的水化，生成更多的水化產(chǎn)物）

對(duì)水泥凈漿水化熱的影響（使水泥水化放熱增加，加速水泥水化）

綜合熱分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)XRD分析結(jié)果的影響

空白樣和C樣90d齡期ANC實(shí)驗(yàn)殘?jiān)腦RD分析圖

  化學(xué)結(jié)合水，水化熱分析，綜合熱分析及XRD結(jié)果表明：

  C加速了水泥3d和28d水化率和水化放熱，促進(jìn)硅酸鹽礦物水化的同時(shí)加速鐵鋁酸鹽礦物的水化；

  D加速了水泥的3d水化速率和水化放熱；

  C、D復(fù)合使加速了水泥3d和28d的水化，28d時(shí)C+D樣高達(dá)88.88％，接近空白樣90d的水化率89.09%，加速水化十分顯著。

醇胺類物質(zhì)對(duì)不同礦物組成的水泥的化學(xué)增強(qiáng)效果的影響

化學(xué)增強(qiáng)作用的影響因素

  （1）熟料礦物組成，燒成質(zhì)量（晶體發(fā)育狀況）

  （2）助磨劑的種類與成分（結(jié)構(gòu)）

  （3）助磨劑的摻量

  （4）混合材

  （5）石膏

  （6）比表面積

  （7）水化環(huán)境（溫度）——如管樁用的水泥

  粉磨摻助磨劑水泥的膠砂強(qiáng)度

a.粉磨摻助磨劑的增強(qiáng)作用是助磨劑的“化學(xué)增強(qiáng)作用”和“物理增強(qiáng)作用”的綜合作用。

  b.與物理增強(qiáng)作用相比，往往助磨劑的化學(xué)增強(qiáng)作用對(duì)水泥膠砂強(qiáng)度增幅貢獻(xiàn)更大

  c.成型摻助磨劑Z1、Z2 的3d化學(xué)增強(qiáng)作用與粉磨摻助磨劑的綜合增強(qiáng)作用比值分別為90%、66.5%

  d.成型摻助磨劑A、B、D的3d化學(xué)增強(qiáng)作用與粉磨摻助磨劑的綜合增強(qiáng)作用比值分別為87.9%、55.1%、67.2%

  三、生產(chǎn)應(yīng)用（根據(jù)成本來(lái)調(diào)節(jié)摻量、沒(méi)有理論作指導(dǎo)）

  實(shí)際增強(qiáng)效果因熟料、混合材、石膏等因素的變化不可避免存在波動(dòng)

  建議水泥廠用助磨劑外摻法評(píng)定助磨劑的增強(qiáng)效果：

  （1）盲樣對(duì)比不同品種助磨劑對(duì)本廠熟料/水泥的化學(xué)增強(qiáng)作用，評(píng)價(jià)效果優(yōu)劣。摻量可根據(jù)同等噸水泥單價(jià)成本設(shè)定；

  （2）用上一批驗(yàn)收合格的助磨劑留樣與本次助磨劑留樣在成型時(shí)外摻到小磨磨制的空白水泥，對(duì)比空白樣與摻兩批次助磨劑樣水泥膠砂強(qiáng)度的差異，評(píng)判助磨劑品質(zhì)是否波動(dòng)。

  四、總結(jié)

  1、助磨效果可以通過(guò)繪制水泥的0.045mm方孔篩篩余，均勻性系數(shù)或標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量與助磨劑摻量的曲線來(lái)進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)指標(biāo)隨著助磨劑摻量增加不再顯著變化的點(diǎn)定義為“飽和點(diǎn)” 。當(dāng)助磨劑摻量小于飽和摻量時(shí)，增加摻量，助磨作用增強(qiáng)；當(dāng)摻量達(dá)到飽和摻量后，增加摻量，助磨作用不再增強(qiáng)。飽和點(diǎn)對(duì)應(yīng)的0.045mm方孔篩篩余越小，均勻性系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量越大，助磨效果越好；相同的評(píng)價(jià)指標(biāo)條件下，飽和摻量越低，其助磨效果越強(qiáng)。助磨效果與助磨劑成分、物料易磨性均有關(guān)。   

  2、大磨提產(chǎn)幅度受干擾因素較多，與助磨劑的助磨效果不一定是線性相關(guān)關(guān)系；助磨效果越強(qiáng)時(shí)，往往帶來(lái)水泥顆粒集中，標(biāo)準(zhǔn)稠度增加，與減水劑相容性變差等負(fù)作用，生產(chǎn)時(shí)應(yīng)合理選擇及調(diào)整助磨劑的助磨效果。

  3、助磨劑對(duì)水泥混凝土性能的危害除了顆粒分布的影響之外，主要取決于助磨劑中的組成物質(zhì)。關(guān)注組分對(duì)耐久性、引氣能力等的影響。

  4、粉磨時(shí)摻入與成型時(shí)摻入助磨劑的水泥樣品的膠砂強(qiáng)度、化學(xué)結(jié)合水、水化熱結(jié)果表明：（1）助磨劑組分具有促進(jìn)水泥水化，改變水化產(chǎn)物組成及提高膠砂強(qiáng)度的“化學(xué)增強(qiáng)作用”。（2）粉磨時(shí)摻入助磨劑對(duì)膠砂強(qiáng)度的影響是其“化學(xué)增強(qiáng)作用”與摻入助磨劑共同粉磨后水泥顆粒分布變化帶來(lái)的“物理增強(qiáng)作用”綜合作用的結(jié)果。（3）與物理增強(qiáng)作用相比，助磨劑的“化學(xué)增強(qiáng)作用”對(duì)水泥強(qiáng)度增幅貢獻(xiàn)更大。

  5、助磨劑的增強(qiáng)作用受熟料、混合材、石膏、比表面積、助磨劑組成與摻量、水化溫度等多方面因素的影響。