改善水泥粉體流動性的外加劑的研究

岳琴，陶從喜，周靖，勞里林

1 前言

水泥儲庫是水泥生產企業的基本設施之一，受諸多因素影響，庫內水泥易粘結于內壁、堆積于庫底，造成庫內有效容積減少、水泥出庫不暢甚至無法出庫，嚴重影響出廠水泥質量及發運工作效率。本文以常規流動型水泥外加劑為基礎，新開發了一種流動型水泥外加劑，該外加劑的使用，能夠有效降低水泥粉體休止角，改善水泥粉體流動性，防止水泥結庫。

2 水泥結庫原因分析

水泥結庫的表現形式主要有兩種。一種是庫壁層狀結塊，水泥入庫時粉塵揚起，與庫中水汽結合，在庫壁凝結，每入庫一次即凝結一層，久而久之，形成了層狀的厚厚的庫壁結塊。另一種是庫內圓球結塊，水泥水化及自重壓實形成圓球狀水泥結塊，堆積在水泥庫中間。本文分別取水泥庫庫壁層狀結塊樣（圖1）、庫內圓球結塊樣（圖2）和正常出磨水泥樣，進行礦物定量分析和熱重分析。

圖1 庫壁層狀結塊樣

圖2 庫內圓球結塊樣

2.1 實驗準備

原料：華潤水泥某熟料基地（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。

主要儀器設備：D8 ADVANCE X射線衍射光譜分析儀，德國耐馳STA499F3同步熱重分析儀，休止角測定儀，99%濕度養護箱，試驗小磨，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果。由表1可見，庫壁層狀結塊樣中的鈣礬石和鉀石膏含量比庫內圓球結塊樣多，而庫內圓球結塊樣中未檢測出鈣礬石，上述差異主要是由于庫內和庫壁處的水分聚集形式不同造成的。庫內水分主要為氣體狀態，不易聚集，此處石膏易與水泥中的堿礦物發生反應，形成鉀石膏，庫內含水量不足，水泥難以進一步水化，形成（較多的）鈣礬石；而庫壁處水分易聚集，水泥可進一步水化，形成較多的水化產物。定量分析表明，鉀石膏的形成可作為庫內水泥結塊的標志[1]。

表1 不同水泥樣品中石膏、鈣礬石、鉀石膏的定量分析結果，%

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

表2 不同水泥樣品的熱重分析結果

3 流動型水泥外加劑評價方法

目前行業內尚無可借鑒的流動型外加劑防止水泥粉體水化效果的評價方法，本研究用XRD 檢測水泥水化產物來驗證流動型外加劑防止水泥粉體早期水化的效果，用休止角評價流動型外加劑改善水泥粉體流動性的效果，并將兩者結合用于表征流動型水泥外加劑的防結庫效果。

3.1 流動型外加劑防止水泥粉體水化效果的評價方法

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

表3 不同摻量流動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物鈣礬石和鉀石膏的礦物分析。從圖3、圖4可以看出，流動型外加劑的加入，可有效防止水泥早期水化產物的生成，有利于防止水泥結庫。

圖3 鈣礬石礦物的XRD分析

圖4 鉀石膏礦物的XRD分析

3.2 水泥粉體流動性評價方法

現有方法常用休止角來表征水泥粉體流動性。水泥粉體休止角越小，表明其流動性越好。休止角測定儀見圖5。

圖5 休止角測定儀

表4 為水泥粉體休止角檢測數據。由表4 可見，隨著流動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數據

4 流動型水泥外加劑的改進

在常見流動型外加劑的基礎上，本文通過利用表面活性劑與醇胺類外加劑充分混合，使親水基團吸附在水泥顆粒表面，水泥顆粒表面由親水狀態變為疏水狀態，避免水泥顆粒與空氣中的水氣接觸而水化結塊，并擴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，水泥粉體流動性增強，便于水泥粉體的運輸和儲存。

通過實驗，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，能使水泥在堆存時不易發生早期水化，在使用時不影響水泥正常水化。

利用丙烯酸羥乙酯配制了6 組不同的流動型水泥外加劑，取水泥原材料、流動性外加劑，在實驗室標準小磨內，按普通流動外加劑的摻入方式進行小磨試驗。將試驗小磨制備的水泥樣品進行休止角檢測，并檢測其全部物理性能。摻加改進后的流動型水泥外加劑的水泥粉體休止角和物理性能檢測結果見表5。

表5 摻加改進后的流動型水泥外加劑的水泥粉體休止角和物理性能實驗結果

由表5可見，改進后的流動型水泥外加劑的加入，顯著降低了水泥粉體休止角，比普通流動型水泥外加劑降低4°以上。與1號空白樣品對比，添加改進后的流動型水泥外加劑的2~5 號水泥樣品的各項物理性能檢測數據均無明顯差異，表明改進后的此種新型流動型水泥外加劑不會對水泥物理性能產生不良影響。

5 結語

通過分析水泥結庫的內在原因及改進開發的新型流動型水泥外加劑，得出如下結論：

（1）礦物定量分析表明，鉀石膏的形成可作為庫內水泥結塊的標志。

（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，在水泥堆存時可防止水泥早期水化，在使用時不影響水泥正常水化。改進后的新型流動型水泥外加劑的使用，能有效改善水泥粉體流動性，并且經小磨試驗驗證，其對水泥的物理性能無影響。

在實際生產中，若要有效解決水泥結庫問題，除使用防結庫外加劑外，還需加強對入庫水泥溫度、入磨水泥溫度、水泥庫內通風漏水等的管理。