改善水泥粉體流動(dòng)性的外加劑的研究

岳琴，陶從喜，周靖，勞里林

1 前言

水泥儲(chǔ)庫(kù)是水泥生產(chǎn)企業(yè)的基本設(shè)施之一，受諸多因素影響，庫(kù)內(nèi)水泥易粘結(jié)于內(nèi)壁、堆積于庫(kù)底，造成庫(kù)內(nèi)有效容積減少、水泥出庫(kù)不暢甚至無法出庫(kù)，嚴(yán)重影響出廠水泥質(zhì)量及發(fā)運(yùn)工作效率。本文以常規(guī)流動(dòng)型水泥外加劑為基礎(chǔ)，新開發(fā)了一種流動(dòng)型水泥外加劑，該外加劑的使用，能夠有效降低水泥粉體休止角，改善水泥粉體流動(dòng)性，防止水泥結(jié)庫(kù)。

2 水泥結(jié)庫(kù)原因分析

水泥結(jié)庫(kù)的表現(xiàn)形式主要有兩種。一種是庫(kù)壁層狀結(jié)塊，水泥入庫(kù)時(shí)粉塵揚(yáng)起，與庫(kù)中水汽結(jié)合，在庫(kù)壁凝結(jié)，每入庫(kù)一次即凝結(jié)一層，久而久之，形成了層狀的厚厚的庫(kù)壁結(jié)塊。另一種是庫(kù)內(nèi)圓球結(jié)塊，水泥水化及自重壓實(shí)形成圓球狀水泥結(jié)塊，堆積在水泥庫(kù)中間。本文分別取水泥庫(kù)庫(kù)壁層狀結(jié)塊樣（圖1）、庫(kù)內(nèi)圓球結(jié)塊樣（圖2）和正常出磨水泥樣，進(jìn)行礦物定量分析和熱重分析。

圖1 庫(kù)壁層狀結(jié)塊樣

圖2 庫(kù)內(nèi)圓球結(jié)塊樣

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

原料：華潤(rùn)水泥某熟料基地（文中用HSH 表示）原料，包括熟料、脫硫石膏、石灰石、爐底渣、精煉爐渣。將脫硫石膏放入45℃烘箱中烘8h 以上，備用。熟料破碎、混合、縮分，備用。

主要儀器設(shè)備：D8 ADVANCE X射線衍射光譜分析儀，德國(guó)耐馳STA499F3同步熱重分析儀，休止角測(cè)定儀，99%濕度養(yǎng)護(hù)箱，試驗(yàn)小磨，烘箱。

2.2 礦物分析和熱重分析

表1 為不同水泥樣品中石膏、鈣礬石、鉀石膏的定量分析結(jié)果。由表1可見，庫(kù)壁層狀結(jié)塊樣中的鈣礬石和鉀石膏含量比庫(kù)內(nèi)圓球結(jié)塊樣多，而庫(kù)內(nèi)圓球結(jié)塊樣中未檢測(cè)出鈣礬石，上述差異主要是由于庫(kù)內(nèi)和庫(kù)壁處的水分聚集形式不同造成的。庫(kù)內(nèi)水分主要為氣體狀態(tài)，不易聚集，此處石膏易與水泥中的堿礦物發(fā)生反應(yīng)，形成鉀石膏，庫(kù)內(nèi)含水量不足，水泥難以進(jìn)一步水化，形成（較多的）鈣礬石；而庫(kù)壁處水分易聚集，水泥可進(jìn)一步水化，形成較多的水化產(chǎn)物。定量分析表明，鉀石膏的形成可作為庫(kù)內(nèi)水泥結(jié)塊的標(biāo)志[1]。

表1 不同水泥樣品中石膏、鈣礬石、鉀石膏的定量分析結(jié)果，%

表2為不同水泥樣品的熱重分析結(jié)果。由表2可以看出，在400℃以上有一個(gè)明顯的吸熱失重峰，推測(cè)是凝膠類早期水化產(chǎn)物的失重峰。結(jié)塊樣的失重大于正常水泥樣，驗(yàn)證了水泥庫(kù)中水泥的早期水化導(dǎo)致結(jié)塊。因鉀石膏含量較少，在270℃左右（鉀石膏脫水理論溫度）未測(cè)出其脫水失重峰。

表2 不同水泥樣品的熱重分析結(jié)果

3 流動(dòng)型水泥外加劑評(píng)價(jià)方法

目前行業(yè)內(nèi)尚無可借鑒的流動(dòng)型外加劑防止水泥粉體水化效果的評(píng)價(jià)方法，本研究用XRD 檢測(cè)水泥水化產(chǎn)物來驗(yàn)證流動(dòng)型外加劑防止水泥粉體早期水化的效果，用休止角評(píng)價(jià)流動(dòng)型外加劑改善水泥粉體流動(dòng)性的效果，并將兩者結(jié)合用于表征流動(dòng)型水泥外加劑的防結(jié)庫(kù)效果。

3.1 流動(dòng)型外加劑防止水泥粉體水化效果的評(píng)價(jià)方法

將添加了不同摻量流動(dòng)型外加劑的水泥樣品（編號(hào)191-194）均勻鋪開置于表面皿中，輕微振動(dòng)使之均勻，在99%濕度的水泥養(yǎng)護(hù)箱放置3d取出，用XRD 檢測(cè)樣品中的水化產(chǎn)物，不同摻量流動(dòng)型外加劑的水泥樣品水化情況見表3。

表3 不同摻量流動(dòng)型外加劑的水泥樣品水化情況

圖3、圖4 分別為水泥早期水化產(chǎn)物鈣礬石和鉀石膏的礦物分析。從圖3、圖4可以看出，流動(dòng)型外加劑的加入，可有效防止水泥早期水化產(chǎn)物的生成，有利于防止水泥結(jié)庫(kù)。

圖3 鈣礬石礦物的XRD分析

圖4 鉀石膏礦物的XRD分析

3.2 水泥粉體流動(dòng)性評(píng)價(jià)方法

現(xiàn)有方法常用休止角來表征水泥粉體流動(dòng)性。水泥粉體休止角越小，表明其流動(dòng)性越好。休止角測(cè)定儀見圖5。

圖5 休止角測(cè)定儀

表4 為水泥粉體休止角檢測(cè)數(shù)據(jù)。由表4 可見，隨著流動(dòng)型外加劑摻量的增加，水泥粉體的休止角逐漸減小。

表4 水泥粉體休止角檢測(cè)數(shù)據(jù)

4 流動(dòng)型水泥外加劑的改進(jìn)

在常見流動(dòng)型外加劑的基礎(chǔ)上，本文通過利用表面活性劑與醇胺類外加劑充分混合，使親水基團(tuán)吸附在水泥顆粒表面，水泥顆粒表面由親水狀態(tài)變?yōu)槭杷疇顟B(tài)，避免水泥顆粒與空氣中的水氣接觸而水化結(jié)塊，并擴(kuò)大了水泥顆粒的空間位阻，使水泥顆粒具有良好的空間分散性，水泥表面形成液膜，水泥粉體流動(dòng)性增強(qiáng)，便于水泥粉體的運(yùn)輸和儲(chǔ)存。

通過實(shí)驗(yàn)，篩選出了多種具有平衡親水、疏水功能的表面活性劑，包括月桂酸鈉、油酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、丙烯酸羥乙酯、脂肪酸甘油酯等，最終驗(yàn)證丙烯酸羥乙酯具有合適的HLB 值（親水疏水平衡值），效果較好。添加丙烯酸羥乙酯，能使水泥在堆存時(shí)不易發(fā)生早期水化，在使用時(shí)不影響水泥正常水化。

利用丙烯酸羥乙酯配制了6 組不同的流動(dòng)型水泥外加劑，取水泥原材料、流動(dòng)性外加劑，在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)小磨內(nèi)，按普通流動(dòng)外加劑的摻入方式進(jìn)行小磨試驗(yàn)。將試驗(yàn)小磨制備的水泥樣品進(jìn)行休止角檢測(cè)，并檢測(cè)其全部物理性能。摻加改進(jìn)后的流動(dòng)型水泥外加劑的水泥粉體休止角和物理性能檢測(cè)結(jié)果見表5。

表5 摻加改進(jìn)后的流動(dòng)型水泥外加劑的水泥粉體休止角和物理性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表5可見，改進(jìn)后的流動(dòng)型水泥外加劑的加入，顯著降低了水泥粉體休止角，比普通流動(dòng)型水泥外加劑降低4°以上。與1號(hào)空白樣品對(duì)比，添加改進(jìn)后的流動(dòng)型水泥外加劑的2~5 號(hào)水泥樣品的各項(xiàng)物理性能檢測(cè)數(shù)據(jù)均無明顯差異，表明改進(jìn)后的此種新型流動(dòng)型水泥外加劑不會(huì)對(duì)水泥物理性能產(chǎn)生不良影響。

5 結(jié)語

通過分析水泥結(jié)庫(kù)的內(nèi)在原因及改進(jìn)開發(fā)的新型流動(dòng)型水泥外加劑，得出如下結(jié)論：

（1）礦物定量分析表明，鉀石膏的形成可作為庫(kù)內(nèi)水泥結(jié)塊的標(biāo)志。

（2）本研究選擇的具有合適HLB 值的丙烯酸羥乙酯表面活性劑，具備平衡水泥親水、疏水功能，在水泥堆存時(shí)可防止水泥早期水化，在使用時(shí)不影響水泥正常水化。改進(jìn)后的新型流動(dòng)型水泥外加劑的使用，能有效改善水泥粉體流動(dòng)性，并且經(jīng)小磨試驗(yàn)驗(yàn)證，其對(duì)水泥的物理性能無影響。

在實(shí)際生產(chǎn)中，若要有效解決水泥結(jié)庫(kù)問題，除使用防結(jié)庫(kù)外加劑外，還需加強(qiáng)對(duì)入庫(kù)水泥溫度、入磨水泥溫度、水泥庫(kù)內(nèi)通風(fēng)漏水等的管理。