史才軍:水泥助磨劑和混凝土外加劑在水泥和混凝土生產(chǎn)中的重要性
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一、水泥助磨劑在水泥和混凝土生產(chǎn)中的重要性
1.過去十年中國和世界的水泥產(chǎn)量
過去十年中國水泥產(chǎn)量增長很快，通過與世界水泥產(chǎn)量相比較可以看出，世界水泥產(chǎn)量的增長主要來自中國水泥產(chǎn)量的增長，2008年中國水泥產(chǎn)量占世界水泥總量的53%，可見，中國水泥在世界上的重要性。
2.2005年不同品種的水泥產(chǎn)量
這是2005年做的調(diào)查，硅酸鹽水泥產(chǎn)量占 8% ，普通硅酸鹽水泥產(chǎn)量占69%，復(fù)合水泥產(chǎn)量占14%，礦渣水泥產(chǎn)量占8%，火山灰水泥產(chǎn)量占1%。數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)時硅酸鹽水泥的產(chǎn)量占8%，其實硅酸鹽水泥所占的比例要比8%小得多，當(dāng)時要求格雷斯銷售人員在國內(nèi)進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)只有四、五家水泥企業(yè)生產(chǎn)硅酸鹽水泥。從去年開始實施了新水泥標(biāo)準(zhǔn)，取消了PO32.5水泥，據(jù)了解，現(xiàn)在水泥總產(chǎn)量的50～60%的是復(fù)合水泥，大約30%的是普通硅酸鹽水泥，其它少量的是礦渣水泥、火山灰水泥等。
3.混合材的實際摻量
當(dāng)初對混合材摻量的調(diào)查顯示，PO32.5混合材最大摻量48%，平均摻量28%；PO42.5混合材最大摻量26%，平均摻量20%。據(jù)了解，現(xiàn)在復(fù)合水泥平均摻量要大于28%，在30～40%之間，最大摻量也有超過50%的，但為數(shù)不多；普通水泥混合材平均摻量也不止20%。據(jù)調(diào)查，現(xiàn)在使用的混合材的種類很多，有礦渣、粉煤灰、煤矸石、石灰石、石煤渣、鋼渣、鐵合金渣 、爐渣、石煤、化鐵爐渣、銻礦渣、硅錳渣、磷渣、鍋爐渣等，不下于二十多種。目前，中國的水泥主要是摻2～3種混合材的復(fù)合水泥。
4.水泥助磨劑
?。?）水泥助磨劑的種類
從功效上來講，分為兩大類：助磨劑和質(zhì)量改進(jìn)劑。
水泥助磨劑是為提高水泥粉磨效率和產(chǎn)量、改善水泥成品的品質(zhì)和性能、降低生產(chǎn)成本而在水泥磨成過程中使用的化學(xué)外加劑。從原理上來講，對產(chǎn)品性能不能有影響，質(zhì)量改進(jìn)劑還可以提高水泥強(qiáng)度。
助磨/質(zhì)量改進(jìn)劑是在70年代為使用混合材而開發(fā)的，除了具有助磨劑的優(yōu)點外，還有下述特點：在強(qiáng)度和凝結(jié)時間不變的條件下增加混合材的摻量，增加水泥沙漿及混凝土的流動性，為改善水泥的特定性能而專配，通常用量要高一些，一般為400-2000g/t，通常水泥使用成本也高一些，但能獲得更好的性能和效益。
?。?）使用助磨劑的好處
在比表面積相同時，提高臺時產(chǎn)量，通常對水泥質(zhì)量的影響很小，常規(guī)用量為100～500g/t，通過添加助磨劑可以增加臺時產(chǎn)量、減少水泥粉磨電耗、減少磨機(jī)運(yùn)行時間、減少磨機(jī)的磨損和維護(hù)費(fèi)用、防止水泥結(jié)塊、改進(jìn)水泥輸送性能、使水泥粒徑分布范圍變窄而提高強(qiáng)度。噸水泥的助磨劑使用成本在3元左右，直接的經(jīng)濟(jì)效益不是很大，其大小取決于工廠的運(yùn)行情況、原材料的價格以及電價。
（3）摻加助磨劑產(chǎn)生的節(jié)能減排效果
年產(chǎn)100萬噸以上的大型水泥粉磨站綜合電耗平均39kWh/t水泥，發(fā)電廠發(fā)1度電排放0.95kgCO2，使用水泥助磨劑能提高產(chǎn)量5-30%，年產(chǎn)100萬噸粉磨站使用水泥助磨劑，按提產(chǎn)10%計算，能節(jié)省的能源和減排的CO2量為：1000000×39×10% =390000kW，1000000×39×0.95×10% = 3705000kg=3705tCO2，這還沒考慮運(yùn)輸過程中的減排效果。
假如水泥強(qiáng)度提高1Mpa，每立方混凝土可以少用6 kg水泥，常用混凝土C25、C30的水泥用量為300 kg/m3 ，按水泥售價350元/噸計算，則每立方米混凝土成本降低2.1元，如1000000萬噸的水泥用來配制相同強(qiáng)度的混凝土，則相應(yīng)節(jié)約的水泥量為：1000000×6/300=20000 噸，節(jié)約20000噸水泥，可節(jié)能2300噸標(biāo)準(zhǔn)煤，2000000度電，減排減少排放CO2 17000噸。
?。?）使用助磨/質(zhì)量改進(jìn)劑的效益分析
按照熟料：200元/噸，混合材：60元/噸，助磨/質(zhì)量改進(jìn)劑：4~5元/噸.水泥計算，增加5%混合材摻量而產(chǎn)生的效益：(200-60)×5%= 7.00/噸·水泥，水泥廠使用助磨/質(zhì)量改進(jìn)劑后的純利潤：7.00-(4~5)= 2~3元/噸·水泥。對于年產(chǎn)300萬噸水泥廠來說，一年利潤就是600萬。
（5）增加混合材摻量的節(jié)能減排效果
生產(chǎn)1噸熟料排放的CO2約870 kg，加工1噸混合材所排放的CO2約70kg，所以1噸水泥增加使用5%混合材而減少的CO2排放量：(800~870)×0.05 = 40~44 kgCO2.。年產(chǎn)100萬噸水泥粉磨站減少的CO2排放量1000000×(40~44) = 40000000~44000000 kg = 40000~44000 噸CO2。
?。?）現(xiàn)在中國市場上的水泥助磨劑
水泥助磨劑有粉體和液體兩種形式。粉體助磨劑成分主要是鹽（主要為氯化鈉）、無或少量助磨物質(zhì)、非活性/火山灰載體；液體助磨劑大部分為單組分的產(chǎn)品、少量的復(fù)配產(chǎn)品。粉體助磨劑的摻量通常在0.8~1.0%，水泥新標(biāo)準(zhǔn)中限制助磨劑的摻量為水泥總量的0.5%；粉體助磨劑中的氯鹽將對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋產(chǎn)生腐蝕作用，水泥新標(biāo)準(zhǔn)中限制水泥中總的氯離子量小于0.06% ；又由于各地水泥生產(chǎn)所用的原材料及所用的混合材很不相同，非常復(fù)雜，所以助磨劑的合理選用必須考慮到原材料的特性及水泥的水化機(jī)理和動力學(xué)過程。
作為助磨劑廠家，首先要了解用戶的現(xiàn)狀和需要，對用戶的目的、需要、及生產(chǎn)狀況和水泥特性（水泥的原材料特性、生產(chǎn)工藝、磨機(jī)特性、混合材的摻量和特性、及水泥水花的機(jī)理和動力學(xué)）進(jìn)行分析和評估，然后通過助磨劑的設(shè)計和計算、實驗室小試、工廠磨機(jī)試驗確定能用的水泥助磨劑及使用條件；經(jīng)過結(jié)果評估及效益分析后正式使用，在生產(chǎn)使用中安排售后服務(wù)工程師為客戶提供技術(shù)服務(wù)和支持；
?。?）結(jié)論
選用合適的助磨劑通過助磨、減少輸送時間、提高水泥強(qiáng)度及增加混合材摻量等能立即減少相當(dāng)可觀的能耗及CO2排放，同時給水泥廠也帶來相當(dāng)可觀的利潤。
助磨劑的使用工藝很簡單，助磨劑的合理選用是一個非常難和復(fù)雜的過程。選用助磨劑時需考慮水泥的原材料特性、生產(chǎn)工藝、磨機(jī)特性、混合材的摻量和特性、及水泥水花的機(jī)理和動力學(xué)。
只有最合適的助磨劑，沒有最好的助磨劑。
在助磨劑的使用過程中需要對產(chǎn)品有效的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)及機(jī)構(gòu)來進(jìn)行檢測，也需要高素質(zhì)的專業(yè)人員對行業(yè)進(jìn)行培訓(xùn)和指導(dǎo)。
二、化學(xué)外加劑在混凝土生產(chǎn)中的重要性
化學(xué)外加劑的種類：減水劑、引氣劑、減縮劑、堿骨料反應(yīng)抑制劑、阻銹劑、早強(qiáng)劑、緩凝劑、水化控制劑、著色劑、其它外加劑。
1.減水劑：
?。?）使用混凝土減水劑的目的
減水劑添加到混凝土中可以減少水膠比或減少水和水泥的用量，在不改變水膠比的情況下改善混凝土的工作性，顯著地改善新拌和硬化混凝土的性能，比如泌水和分離、泵送性、塑性收縮、含氣量、凝結(jié)時間、蠕變、滲透性和耐久性。
?。?）混凝土減水劑的品種
根據(jù)減水能力可分為減水劑(至少5%的減水量，ASTM中的A，D和E型) 和高效減水劑(超塑化劑)(至少12%的減水量，ASTM中的F和G型)。
根據(jù)化學(xué)組成分有改性木質(zhì)素磺酸鹽、三聚氰胺、萘磺酸鹽、聚羧酸鹽類。
2.引氣劑
引氣的氣孔要比毛細(xì)孔大得多，必須保持適當(dāng)?shù)臍饪组g距，漿體中的最近的兩氣孔間距應(yīng)小于0.2毫米。引氣氣孔表面的一層水在零度左右就開始結(jié)冰使得四周區(qū)域的水能移來。
3.濃縮劑
干縮能使混凝土構(gòu)件產(chǎn)生開裂或卷曲，造成收縮的原因有很多，但水份損失是主要原因，水分損失過程可分為三個階段：失去毛細(xì)管中的水、失去C-S-H表面吸附水、失去C-S-H結(jié)構(gòu)中的水。
當(dāng)這些小孔中的水失去時，孔中殘留水的表面張力將孔壁拉近而使體積收縮。
4.堿-骨料反應(yīng)抑制劑
堿-骨料反應(yīng)是指混凝土中的堿與其骨料中的活性組份發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)， 其反應(yīng)產(chǎn)物可能使混凝土產(chǎn)生較大的膨脹而開裂。 有兩類堿-骨料反應(yīng)：堿-硅反應(yīng)和堿-碳酸鹽反應(yīng)。
5.混凝土中的阻銹劑
混凝土中的鋼筋處于鈍化狀態(tài)，鈍化膜中有FeOOH，F(xiàn)e2O3，F(xiàn)e3O4和一些其它尚未確定的物質(zhì)，但厚度小于2納米。當(dāng)環(huán)境的鹼度降低(pH值小于11.5)或在侵蝕性離子(例如：氯離子或硫酸離子)的作用下，鈍化膜就破壞了。加阻銹劑有兩方面的作用：延長腐蝕開始的時間，減緩腐蝕速率。阻銹劑可以是陽性的，陰性的，或混合性的。常見的阻銹劑有：
亞硝酸鈉、亞硝酸鈣、苯酸鈉、鉻酸鉀。
6.總結(jié)：
在過去的十多年里，混凝土化學(xué)外加劑的發(fā)展和應(yīng)用取得了很大進(jìn)展，化學(xué)外加劑的使用顯著地改進(jìn)了混凝土的工作性、力學(xué)性能和耐久性。但由于混凝土原材料和化學(xué)外加劑的復(fù)雜性，在選用外加劑之前應(yīng)該進(jìn)行實驗評估，使用化學(xué)外加劑可能會增加混凝土材料和結(jié)構(gòu)的初始費(fèi)用，但選用適當(dāng)?shù)耐饧觿┛梢燥@著地增加混凝土材料和結(jié)構(gòu)的服役壽命，減少其壽命周期中的總費(fèi)用。
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