李書明 鄧青山 謝永江 鄭新國(guó) 劉競(jìng) 胡家林

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 高速鐵路軌道系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081

硅酸鹽水泥的生產(chǎn)過(guò)程可概括為兩磨一燒，即水泥生料的粉磨、煅燒和水泥熟料的研磨［1］。水泥熟料通常采用球磨工藝，同時(shí)為了降低生產(chǎn)成本，水泥廠家會(huì)將水泥熟料、石膏和火山灰質(zhì)材料一起研磨，導(dǎo)致水泥熟料粒徑偏?。?］。采用這種水泥配制的混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)較高。沖擊粉磨是一種新型研磨工藝，具備同時(shí)研磨和選粉功能，采用該工藝制備的熟料粒徑分布可控可調(diào)。目前該工藝在新能源行業(yè)應(yīng)用較多，較少用于水泥行業(yè)。

本文首先介紹球磨和沖擊粉磨兩種研磨方式的工作原理，采用這兩種方式對(duì)同一水泥熟料研磨后，往兩種水泥熟料中加入二水石膏制成水泥，然后用這兩種水泥配備混凝土，測(cè)試其抗裂性能。

1 球磨和沖擊粉磨工作原理

球磨機(jī)是水泥生產(chǎn)常用的粉磨設(shè)備，通常在鋼筒內(nèi)部裝有大小不一的研磨體，利用鋼筒轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)研磨體轉(zhuǎn)動(dòng)將物料研磨破碎。球磨機(jī)工作原理如圖1（a）所示。傳動(dòng)裝置驅(qū)使球磨機(jī)筒體回轉(zhuǎn)時(shí)，在離心力和摩擦力的作用下，研磨體黏附在筒體內(nèi)壁的襯板上，隨筒體一起回轉(zhuǎn)。研磨體到達(dá)一定高度時(shí)，在重力作用下落到球磨機(jī)底部。下落時(shí)沖擊底部物料，將其擊碎，該過(guò)程周而復(fù)始。與此同時(shí)，研磨體的相對(duì)滑動(dòng)、滾動(dòng)，研磨體、襯板和物料之間的相互摩擦均會(huì)將物料磨細(xì)。

圖1 兩種研磨機(jī)工作原理

沖擊粉磨機(jī)工作原理如圖1（b）所示。物料從粉磨機(jī)底部的進(jìn)料口進(jìn)入機(jī)體后，迅速被轉(zhuǎn)盤上的錘頭打散，并高速撞擊到襯板上，進(jìn)入襯板和轉(zhuǎn)盤組成的粉碎區(qū)。轉(zhuǎn)盤高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)粉碎區(qū)產(chǎn)生大量空氣渦流。在空氣渦流和離心力的雙重作用下，物料相互碰撞，同時(shí)在襯板和轉(zhuǎn)盤間發(fā)生剪切、研磨等相互作用。物料在這一系列物理作用下被不斷磨細(xì)。

沖擊粉磨機(jī)同時(shí)配備有分級(jí)選粉裝置。粉碎后的物料在主氣流帶動(dòng)下進(jìn)入分級(jí)區(qū)，粒徑滿足要求的微粉隨氣流通過(guò)分級(jí)渦輪排出機(jī)外，由收集裝置收集。不滿足粒徑要求的粗粉在離心力作用下被渦輪葉片打回筒壁，重新粉磨。分級(jí)渦輪葉輪的轉(zhuǎn)速由變頻器控制。轉(zhuǎn)速越高，物料粒徑越小，磨出的物料越少。

本次試驗(yàn)研磨體為鋼球，物料為水泥熟料。

2 水泥性能和混凝土抗裂性能測(cè)試

2.1 原材料及試樣制備

水泥熟料為硅酸鹽水泥，其中氧化物含量和礦物組成分別見(jiàn)表1、表2。

表1 水泥熟料氧化物含量%

表2 水泥熟料礦物組成%

參照GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》中P?I型硅酸鹽水泥質(zhì)量配合比，將95%球磨的水泥熟料和5%二水石膏制備成水泥a，將95%沖擊粉磨的水泥熟料和5%二水石膏制備成水泥b。A 組、B 組混凝土分別采用水泥a和水泥b制備。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備、儀器和方法

1）水泥熟料粉磨

水泥熟料的球磨采用QM?3SP4 型行星式球磨機(jī)。鋼球級(jí)配為?20 mm 鋼球10 個(gè)，?10 mm 鋼球200 個(gè)，?6 mm 鋼球400 個(gè)。入磨水泥熟料質(zhì)量400 g，熟料球磨時(shí)間為25 min。水泥熟料的沖擊粉磨采用CR 系列臥式超細(xì)機(jī)械沖擊粉磨機(jī)。球磨、沖擊粉磨后熟料比表面積分別為270、260 m2/kg。

2）熟料粒徑測(cè)試和微觀形貌觀察

采用Mastersizer 2000 激光粒度分析儀測(cè)試水泥熟料的粒徑。采用TESCAN MIRA LMS 型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察水泥熟料的微觀形貌，樣品表面鍍層材料為金屬鉑。

3）水泥和混凝土的性能測(cè)試

按照GB/ T 1346—2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》測(cè)試水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量。按照GB/ T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)（ISO法）》測(cè)試水泥3、7、28、56、90 d 的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，并計(jì)算水泥的折壓比。按照J(rèn)C/ T 603—2004《水泥膠砂干縮試驗(yàn)方法》測(cè)試水泥1、2、3、7、14、28、56、90、120 d 的干燥收縮率。按照ASTM C1581—2009［3］測(cè)試混凝土抗裂性能。

兩組混凝土配合比見(jiàn)表3。經(jīng)測(cè)試，A 組、B 組混凝土坍落度分別為200、210 mm。

表3 兩組混凝土配合比kg·m-3

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 研磨方式對(duì)水泥熟料粒徑分布的影響

球磨和沖擊粉磨的水泥熟料粒徑分布曲線見(jiàn)圖2。

圖2 水泥熟料的粒徑分布曲線

由圖2可知，與沖擊粉磨的水泥熟料相比，球磨的水泥熟料中粒徑在0 ～ 10 μm的細(xì)顆粒較多。

文獻(xiàn)［4］研究發(fā)現(xiàn)，水泥熟料的均勻性指數(shù)表征水泥熟料粒徑分布范圍大小。均勻性指數(shù)越大，粒徑分布范圍越窄，顆粒越均勻。特征粒徑與細(xì)顆粒含量相關(guān)。特征粒徑越小，水泥中細(xì)顆粒含量越多。

采用Rosin?Rammler?Bennet 方程［5］計(jì)算了兩種水泥熟料的均勻性指數(shù)和特征粒徑。計(jì)算結(jié)果為：沖擊粉磨的水泥熟料均勻性指數(shù)為1.56，特征粒徑為26.29 μm；球磨的水泥熟料均勻性指數(shù)為1.50，特征粒徑為23.89 μm?？芍号c沖擊粉磨相比，球磨的水泥熟料粒徑分布范圍較寬，細(xì)顆粒含量較多。

3.2 研磨方式對(duì)水泥熟料微觀形貌的影響

兩種研磨方式下水泥熟料微觀形貌見(jiàn)圖3。

圖3 兩種研磨方式下水泥熟料微觀形貌

由圖3 可知：①兩種研磨方式下水泥熟料顆粒外觀均棱角分明且不規(guī)則，說(shuō)明研磨方式對(duì)水泥熟料顆粒形貌影響不大。②球磨的水泥熟料中細(xì)顆粒較多，沖擊粉磨的水泥熟料中細(xì)顆粒明顯變少，說(shuō)明球磨產(chǎn)生更多的細(xì)顆粒，容易出現(xiàn)過(guò)粉磨現(xiàn)象。過(guò)粉磨對(duì)水泥品質(zhì)不利，雖然在一定程度上可以提高水泥早期強(qiáng)度，但會(huì)對(duì)其他性能產(chǎn)生不利影響。因此制備水泥時(shí)應(yīng)盡量避免過(guò)粉磨。

3.3 研磨方式對(duì)硅酸鹽水泥性能的影響

1）標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量

標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量用于評(píng)價(jià)混凝土抗裂性能。采用標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量較少的水泥配制的混凝土抗裂性能更好［6］。采用球磨、沖擊粉磨方式制備的水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量分別為27.6%、25.0%，說(shuō)明采用沖擊粉磨方式制備的水泥配制的混凝土抗裂性能更好。

2）抗折抗壓強(qiáng)度與折壓比

折壓比用于評(píng)價(jià)水泥韌性。折壓比越高，水泥韌性越好，混凝土抗裂性能也越好［7］。兩種研磨方式下水泥力學(xué)性能指標(biāo)隨養(yǎng)護(hù)齡期變化曲線見(jiàn)圖4。

圖4 水泥力學(xué)性能指標(biāo)隨養(yǎng)護(hù)齡期變化曲線

由圖4 可知：①采用球磨方式制備的水泥早期強(qiáng)度大于采用沖擊粉磨方式制備的水泥，28 d 齡期時(shí)采用沖擊粉磨方式制備的水泥抗折強(qiáng)度超過(guò)采用球磨方式制備的水泥，90 d 齡期時(shí)采用沖擊粉磨方式制備的水泥抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均超過(guò)采用球磨方式制備的水泥。這是因?yàn)椴捎脹_擊粉磨方式制備的水泥細(xì)顆粒含量比采用球磨方式時(shí)少，早期強(qiáng)度不高，隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間延長(zhǎng)，粗顆粒水泥繼續(xù)水化，從而提高了基體后期強(qiáng)度。②28 d 齡期后，采用沖擊粉磨方式制備的水泥折壓比明顯高于采用球磨方式時(shí)，說(shuō)明采用沖擊粉磨方式制備水泥時(shí)混凝土抗裂性能更好。

3）干燥收縮率

干燥收縮率用于評(píng)價(jià)混凝土抗裂性能。采用干燥收縮率較小的水泥配制的混凝土抗裂性能更好［8］。兩種研磨方式下水泥干燥收縮率隨養(yǎng)護(hù)齡期變化曲線見(jiàn)圖5。其中，負(fù)號(hào)表示收縮。可知，采用球磨方式制備的水泥干燥收縮率明顯高于采用沖擊粉磨方式時(shí)，說(shuō)明采用沖擊粉磨方式制備水泥時(shí)混凝土抗裂性能更好。1、28、90 d 齡期采用球磨方式制備的水泥干燥收縮率分別為2.01 × 10-4、9.32 × 10-4、10.52 × 10-4，采用沖擊粉磨方式制備的水泥干燥收縮率分別為0.66 × 10-4、6.80 × 10-4、8.12 × 10-4，甚至120 d齡期時(shí)干燥收縮率都沒(méi)有超過(guò)8.50 × 10-4。這是由于采用球磨方式制備的水泥細(xì)顆粒含量較多，早期水化時(shí)生成的小孔較多，而小孔容易導(dǎo)致試塊干燥收縮［9］。

圖5 兩種研磨方式下水泥干燥收縮率隨養(yǎng)護(hù)齡期變化曲線

3.4 研磨方式對(duì)混凝土抗裂性能的影響

圓環(huán)約束收縮試驗(yàn)可直觀反映混凝土的抗裂性能。將采用兩種研磨方式所得水泥制備成混凝土試件，進(jìn)行圓環(huán)約束收縮試驗(yàn)。混凝土應(yīng)變時(shí)程曲線見(jiàn)圖6?？芍?，采用球磨方式制備水泥時(shí)混凝土試件在25 d 出現(xiàn)開(kāi)裂，而采用沖擊粉磨方式制備水泥時(shí)混凝土試件34 d都沒(méi)有出現(xiàn)開(kāi)裂。

圖6 混凝土應(yīng)變時(shí)程曲線

4 結(jié)論

本文采用兩種方式對(duì)同一水泥熟料研磨后，加入二水石膏制成水泥，然后用這兩種水泥制備混凝土。對(duì)水泥熟料粒徑分布、水泥性能和混凝土抗裂性能進(jìn)行測(cè)試與分析。主要結(jié)論如下：

1）與球磨相比，沖擊粉磨的水泥熟料顆粒粒徑分布范圍較窄，0 ～ 10 μm 細(xì)顆粒含量較少，但兩種水泥熟料顆粒外觀均呈不規(guī)則形狀，研磨方式對(duì)水泥熟料顆粒形貌影響不大。

2）與采用球磨方式相比，采用沖擊粉磨方式制備的水泥雖然早期強(qiáng)度較低，但后期強(qiáng)度較高，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量較少，折壓比較高，干燥收縮率較小。采用沖擊粉磨方式制備水泥時(shí)混凝土抗裂性能更好。建議使用沖擊粉磨方式生產(chǎn)鐵路高抗裂混凝土用硅酸鹽水泥。