水泥粉體流動行為及其與不同材質庫壁粘附性研究

2021-03-18 12:48:14戰佳宇李萬民房桂明梁文學楊飛華周鈺淪

硅酸鹽通報 2021年2期

戰佳宇，李萬民，房桂明，梁文學，楊飛華，周鈺淪

(1.北京建筑材料科學研究總院有限公司，固廢資源化利用與節能建材國家重點實驗室，北京 100041； 2.唐山冀東水泥股份有限公司，北京 100013)

0 引言

水泥庫是水泥生產企業的基本設施。在水泥庫運行過程中，由于溫度、濕度等原因造成水泥粉體流動性變差，在水泥庫壁部、底部甚至料倉內發生固結，從而造成庫容變小、下料器堵塞等問題，影響了水泥庫的正常運行。為了解決該問題，往往需要定期人工清庫作業，導致安全事故頻發，造成重大生命財產損失[1-3]。因此，控制水泥粉體的流動性，從源頭上減少水泥粉體固結至關重要。

粉體的摩擦性是影響粉體流動性最重要的內在因素，是研究粉體流動性的基礎[4]。蔡國華等[5]研究波特蘭石灰石水泥的流動函數和時間固結效應，對比了不銹鋼、Tivar塑料、低碳鋼、橡膠、聚四氟乙烯帶五種材料的壁摩擦角，得出了水泥料倉的設計依據。張大康[6]采用流動性指數表征水泥粉體的流動性，得出了水泥粉體流動性與散裝水泥流動速度的關系。韓仲琦[7]從與顆粒形態無關的基本特性和與顆粒集合形態有關的堆積特性兩個方面總結了水泥工業粉體物性基礎參數。已有研究表明，影響粉體材料流動性的主要因素包括粒徑分布、顆粒形狀、顆粒化學組成、濕度、溫度等[8-9]。由于水泥本身可以發生水化的特點，水成為造成水泥固結的主要因素，而水泥庫中的水主要來自于以下四個方面：(1)空氣濕度；(2)水直接滲透；(3)氣動裝置帶入的水；(4)材料(如石膏)和外加劑(如助磨劑)[10]。因此有必要深入研究含水率對水泥粉體流動性的影響。

本文通過內摩擦角、休止角、粘聚力、無側限抗壓強度等測試表征了不同含水率水泥粉體的流動性能，對比了砂漿、鋼、涂料、防腐卷材四種壁面材料對不同含水率水泥摩擦性的影響，為解決水泥粉體在水泥庫壁的固結提供依據。

1 實驗

1.1 原材料

所用的水泥為P·O 42.5水泥，密度為3.06 g/cm3，比表面積為341 m2/kg。水泥粉體的粒徑分布如圖1所示。水泥粉體粒徑主要集中在2～36 μm，d50=13.246 μm。

試驗采用四種壁面材料。砂漿試塊尺寸為φ6.18 cm×1 cm，實驗室自制成型；304不銹鋼板尺寸為φ6.18 cm×0.2 cm；防粘附涂料為有機硅類涂料，由北京金隅涂料有限責任公司提供；TBSP-1型納米陶瓷防腐卷材為纖維增強陶瓷復合材料，尺寸為φ6.18 cm×0.2 cm，由安徽陶博士環保科技有限公司提供。

圖1 水泥粉體粒徑分布

圖2 應變控制式直剪儀剪切部分結構

1.2 儀器和測試方法

采用JHY-1004X休止角測試儀測試了不同含水率水泥粉體的休止角。采用LD-127型路面材料強度試驗儀測定不同固結應力下水泥粉體固結試件的無側限抗壓強度。采用ZJ型應變控制式直剪儀測定水泥粉體的內摩擦角和粘聚力、壁摩擦角和附著力。應變控制式直剪儀剪切部分的結構如圖2所示，將不同含水率的水泥粉體填充在剪切盒內，施加不同的垂直應力(σ)作用，然后施加剪切力，記錄錯動瞬時的剪切力(τ)。根據粉體垂直應力和最大剪切力做出破壞包絡線，根據破壞包絡方程計算內摩擦角和粘聚力[11]：

τ=σ×tanφi+c=μi×σ+c

式中:μi為內摩擦系數；φi為內摩擦角；c為顆粒間粘聚力。將下層剪切盒內填充壁面材料，可以得到相應壁摩擦角的破壞包絡線，從而計算出壁摩擦角和附著力。

2 結果與討論

2.1 含水率對水泥粉體休止角的影響

通過測試休止角表征了不同含水率水泥粘濕顆粒的流動性。不同含水率水泥粉體的休止角如圖3所示。可以看出，隨著水泥粉體顆粒含水率的增加，休止角增大，流動性變差。這是由于水泥粉體表面形成一層水膜，表面張力及毛細管力增大，使顆粒間相互作用增強而產生粘性，阻礙了粉體顆粒的相對移動，從而導致流動性減小，休止角增加。根據Carr指數流動性評價，干燥的水泥粉體顆粒休止角為45.6°，處于流動性一般的區間，具有一定含水率的水泥粉體的休止角，處于46°～55°流動性略差的區間。

圖3 不同含水率水泥粉體的休止角

圖4 不同靜置時間水泥粉體含水率和休止角的變化曲線

為了進一步研究經一定時間的水化后水泥粉體松散堆積流動性的變化，將水泥粉體與水充分混合均勻后靜置不同時間，測試其休止角和含水率的變化規律，試驗結果如圖4所示。可以看出，隨著靜置時間增加，粘濕水泥粉體的含水率逐漸下降，24 h后含水率變化不大，這是由于水泥發生水化，使自由水變成水化硅酸鈣中的結合水。從休止角的變化規律來看，在水泥加水后5.5 h內休止角變化不大，水泥中仍有部分自由水在顆粒表面形成水膜。靜置1 d后休止角大幅度下降，且加水量越多，休止角下降越明顯。這主要是由于水泥粉體含水率降低，同時水泥粉體水化使水泥顆粒尺寸增加，造成了粉體流動性的增加。含水率10%的水泥粉體靜置24 h后休止角可以降到40°以下，處于36°～40°流動性較好的區間。

圖5 不同含水率水泥粉體的破壞包絡線

2.2 含水率對水泥粉體內摩擦角和粘聚力影響

圖5為不同含水率水泥粉體顆粒的破壞包絡線。內摩擦角和顆粒間粘聚力的計算結果如表1所示。可以看出，水泥粉體為庫倫粉體，隨著含水率增加，水泥粘濕顆粒之間的粘聚力增加。這是由于水泥粉體顆粒之間形成液體架橋作用，產生毛細力，從而導致水泥粉體顆粒之間的粘聚力增大，流動性下降。同時由于水泥粉體親水性易發生水化的特點，進一步引起了粉體的粘聚力增加。在11°～15°范圍中內摩擦角變化不明顯，在較低的垂直應力作用下，不同含水率的水泥粉體顆粒的剪切應力比較接近，在較高的垂直應力作用下，不同含水率的水泥粉體顆粒的剪切應力相差較大。

表1 水泥粉體顆粒內摩擦角和粘聚力

2.3 含水率和靜壓力對水泥粉體固結的影響

在一定的壓應力作用下,粉體顆粒儲存一定的周期后強度會增加。由于水泥粉體顆粒固有水化行為，其粉體顆粒在一定濕度和壓應力作用下會產生固結，因此需研究不同含水率的粘濕水泥粉體顆粒在不同壓應力下的固結行為，模擬水泥筒倉中粉體在不同垂直高度下承受壓應力的情況。具體試驗條件為將含水率分別為2%、4%、6%、8%、10%(質量分數，下同)的粘濕水泥粉體放入φ50 mm×130 mm的模具中，施加固結應力(σ1)分別為13 kPa、23 kPa、33 kPa、43 kPa和53 kPa，固結48 h后測試固結試件的無側限抗壓強度(σc)和密度(ρb)，試驗結果如圖6所示。

圖6 不同含水率水泥粉體無側限抗壓強度和密度隨固結應力的變化規律

從圖6中可以看出，隨著固結應力σ1增加，水泥粉體的無側限抗壓強度均呈現增加趨勢，且含水率越高，其增加速度越快。對應不同含水率的水泥粉體試塊的密度，在較高的固結應力下，水泥粉體被壓實程度較大，因此隨著固結應力的增加，密度增高，而含水率在2%～8%范圍內，密度變化較小。相同固結應力作用下，含水率為10%的水泥粉體試塊的密度高于其他含水率。從上述分析可以看出，相同固結應力下水泥粉體的無側限抗壓強度不僅僅與試塊的密度相關。由于水泥粉體自身固有水化特點，含水率越高，更多的水泥粉體參與到水泥水化過程中，因此引起水泥粉體無側限抗壓強度的增加。由此可以看出，在靜壓力和水的共同作用下，水泥粉體的流動性會進一步變差，從而引起水泥粉體固結。

2.4 不同壁面材料的接觸角對比

為了研究水泥粉體顆粒在不同種類庫壁的粘附性，試驗選取了四種壁面材料，即自制砂漿試塊用于模擬鋼筋混凝土筒倉，鋼板用于模擬鋼筒倉，在砂漿壁面分別涂覆防粘附涂料和防腐卷材。圖7給出了鋼壁面、涂料壁面、防腐卷材壁面的水接觸角。可以看出，三種壁面材料均具有疏水性，水不容易潤濕壁面，鋼壁面的水接觸角為90.63°，防腐卷材壁面接觸角稍大于鋼壁面，疏水性稍有提高，涂料的接觸角最大，說明在鋼筋混凝土壁面涂覆防粘附涂料，疏水性會有較大幅度提高。

圖7 不同壁面材料的表面水接觸角

2.5 水泥粉體與不同壁面材料的壁摩擦角和粘附性

不同含水率會對水泥粉體與不同壁面材料的壁摩擦角和粘附性造成影響。圖8～圖11為不同含水率水泥粉體的破壞包絡線，表2為壁摩擦角和附著力的計算結果。可以看出，不同種類壁面材料，隨著含水率增加，水泥粉體在壁面的附著力均呈現增加的趨勢，說明干燥的水泥粉體在壁面附著作用較小，粘濕的水泥粉體增加了與壁面的附著作用，容易引起在壁面的粘附固結。不同含水率水泥粉體的壁摩擦角變化不大。

對比四種壁面材料可以看出，鋼壁面、涂料壁面、防腐卷材的壁摩擦角均小于砂漿壁面的壁摩擦角。其中鋼壁面的壁摩擦角最小，涂料和防腐卷材的壁摩擦角相差不大。說明水泥粉體與砂漿壁面的摩擦力較大，這主要是由于砂漿壁面的粗糙度較大，因此摩擦力較大。鋼壁面的壁摩擦角較小可能是由于鋼壁面的硬度比涂料壁面和防腐卷材壁面的硬度高。從粘聚力來看，含水率較低時，粉體與壁面材料以干摩擦為主，水泥粉體在防腐卷材和涂料壁面的附著力較小。在較高含水率時，由于水膜作用，在砂漿壁面的附著力高于其它壁面，在鋼壁面和涂料壁面的附著力相差不大，在防腐卷材壁面的附著力較小。

與砂漿壁面相比，在表面涂覆涂料和防腐卷材均可以起到降低水泥粉體與壁面的摩擦力和附著力的作用，從該試驗結果來看，防腐卷材的效果稍優于防粘附涂料。