[原創(chuàng)]相輔相成 合二為一 ——簡析水泥粉磨與混凝土制備

  從水泥到混凝土，恰似一個“孩童”，有一天會長大，成為支撐工程建筑的棟梁。

  一段時間以來，由于發(fā)展的不同步，在國內(nèi)，水泥與混凝土被人為割裂開來，成為兩個獨(dú)立的行業(yè)，為建筑質(zhì)量控制和行業(yè)可持續(xù)發(fā)展帶來不利影響。

  華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授樊粵明，長期以來投身于水泥這一傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，將基礎(chǔ)研究與實際工程應(yīng)用相結(jié)合，創(chuàng)造了良好的社會效益。對于水泥與混凝土的關(guān)系，樊粵明教授將其比喻為孩童，倡導(dǎo)“優(yōu)生優(yōu)育”，呼吁人們按材料科學(xué)規(guī)律發(fā)展建設(shè)，為盲目追求速度而忽視質(zhì)量之風(fēng)打下一針警醒劑。

華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授樊粵明

  上個世紀(jì)80年代，剛從華南理工大學(xué)畢業(yè)的樊粵明就已經(jīng)敏銳的意識到，隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，將帶來巨大的水泥建材需求，于是立志將自己所學(xué)的相關(guān)技術(shù)知識應(yīng)用于實際，提高效益，服務(wù)社會。

  30余年來，樊粵明始終堅持“產(chǎn)學(xué)研”相結(jié)合的發(fā)展思路，所有研究都著眼于工程應(yīng)用中的實際問題，在與塔牌集團(tuán)、廣英集團(tuán)等企業(yè)的合作中，充分發(fā)揮校企合作優(yōu)勢，通過資源共享，優(yōu)勢互補(bǔ)，最終達(dá)到學(xué)校與企業(yè)雙方的共贏。

  基于多年來對水泥及混凝土的應(yīng)用研究，樊粵明也逐漸發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)企業(yè)和單位在水泥、混凝土等建材的生產(chǎn)與應(yīng)用中存在著較為嚴(yán)重的脫節(jié)，不但影響建筑物使用壽命，造成難以挽回的經(jīng)濟(jì)損失，更造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。為此，他逢會必提，逢人必講，呼吁人們按材料科學(xué)的規(guī)律發(fā)展建設(shè)。

  作為一位有責(zé)任、有擔(dān)當(dāng)?shù)膶W(xué)者，樊粵明無疑值得我們所有人認(rèn)同和尊敬。就在日前，中國水泥網(wǎng)記者有幸采訪到樊粵明，就水泥粉磨工藝與混凝土制備之間的關(guān)系作了一番詳細(xì)交流。

樊粵明在中國水泥網(wǎng)杭州總部講課

  不得不重視的水泥顆粒級配

  著名混凝土專家，清華大學(xué)廉慧珍教授曾表示，混凝土作為一種極為復(fù)雜的建筑材料，其研究應(yīng)用應(yīng)當(dāng)貫穿于整個生命周期。該觀點與樊粵明倡導(dǎo)的水泥、混凝土“優(yōu)生優(yōu)育”可謂不謀而合。

  對于水泥與混凝土，樊粵明曾經(jīng)有過這樣一段描述。他說，混凝土就像一個嬰兒，當(dāng)他還在蹣跚學(xué)步的階段，不按科學(xué)方法照料，反而揠苗助長，這對其將來的健康成長絕對不利。

  在與樊粵明的交流中，他還著重強(qiáng)調(diào)到“水泥與混凝土的“優(yōu)生優(yōu)育”應(yīng)該包含三個方面，一是優(yōu)選材料，根據(jù)混凝土性能需求，充分考慮個體材料的優(yōu)化選擇；二是優(yōu)化配方，按照應(yīng)用實際選擇不同的材料混合比；三是優(yōu)化加工過程、制造過程?！?

  其中，需要指出的是，水泥作為混凝土制備過程中最為重要的膠凝材料，不同品質(zhì)的水泥將對混凝土的工作性能、力學(xué)性能、耐久性能、體積穩(wěn)定性能、經(jīng)濟(jì)性能等產(chǎn)生重要影響，而由于粉磨工藝環(huán)節(jié)關(guān)系到對水泥粒型和級配，因此一直以來受到業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注。

  對于業(yè)內(nèi)的擔(dān)憂，樊粵明表示了一定的認(rèn)同，但也給出了略有差異的答案。在他看來，水泥的顆粒級配和粒型，對混凝土性能的影響是顯然的，水泥顆粒分布越開，混凝土的性能越好，但這并不是提高混凝土性能的唯一途徑。

  樊粵明告訴中國水泥網(wǎng)記者，水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量是影響水泥與混凝土性能的重要因素之一，水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量每增加 1％，配制相同流動性能混凝土的需水量將增加 6～8kg/m³。當(dāng)顆粒堆積的空隙率越大時，需要填充空隙的水量就越多，造成標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量增大，而顆粒的堆積空隙率直接受顆粒分布的影響。另外，應(yīng)用實踐也表明，顆粒分布對水泥與減水劑相容性，對混凝土抗壓強(qiáng)度，對砂漿及混凝土耐磨性，對混凝土抗碳化性能等等也有直接影響。[Page]

  因此，從這一角度而言，水泥顆粒分布對混凝土性能的影響是巨大且不可避免的。然而，隨著材料科學(xué)研究的進(jìn)步，水泥顆粒級配對混凝土性能的影響作用也在減弱，尤其是礦物摻合料研究深入以后，通過礦物摻合料調(diào)配混凝土性能得到越來越廣泛的應(yīng)用，并取得了良好的效果，利用較差水泥配制出高品質(zhì)混凝土成為可能。

  樊粵明告訴記者，在國外部分地區(qū)，通過計算粒型配比或者添加礦物摻合料改善水泥性能，已經(jīng)得到較為廣泛的應(yīng)用，只是由于國內(nèi)相關(guān)技術(shù)體系尚未建立，在水泥生產(chǎn)過程中，通過水泥級配和粒型控制提高混凝土性能仍然是主要方式。

樊粵明與廣東水泥協(xié)會一起赴日本考察

  優(yōu)質(zhì)是水泥粉磨節(jié)能的前提

  當(dāng)前，伴隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展步入新常態(tài)，與固定資產(chǎn)投資息息相關(guān)的水泥行業(yè)也已經(jīng)隨之從高速增長進(jìn)入平臺期，面對產(chǎn)能過剩和日益激烈的市場競爭，進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本成為水泥企業(yè)的必然選擇，粉磨作為水泥生產(chǎn)過程中最主要的耗電環(huán)節(jié)之一，成為企業(yè)降低生產(chǎn)成本的重要突破口。

  然而，正如著名無機(jī)非金屬材料專家唐明述院士曾提到過的，最大的節(jié)能減排應(yīng)該是延長基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的使用壽命，也就是說建筑物壽命的延長是最大的節(jié)能減排，而混凝土性能好了，建筑物才能更加耐久、更加經(jīng)濟(jì)，節(jié)能減排效果才能最大。

  事實上，由于水泥的粉磨系統(tǒng)決定了水泥的顆粒組成，顆粒組成將影響到水泥的品質(zhì)和它所配置的混凝土的性能，而混凝土的五個特性又決定了混凝土的生產(chǎn)成本和混凝土在使用過程中的壽命，因此水泥粉磨也就成為提升建筑物壽命的關(guān)鍵因素之一，據(jù)此粉磨節(jié)能將不僅僅局限于自身生產(chǎn)的節(jié)能。

  而近年來，隨著水泥產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，粉磨設(shè)備越來越大型化，輥壓機(jī)逐步分擔(dān)了球磨機(jī)部分的破碎與粗磨功能，輥壓機(jī)與球磨機(jī)組成的聯(lián)合粉磨系統(tǒng)大幅度降低了水泥的粉磨電耗，已成為現(xiàn)代大型水泥粉磨常選的工藝。

  但研究結(jié)果顯示，隨著粉磨工藝系統(tǒng)粉磨效率的提高，粉磨電耗下降，水泥顆粒分布的均勻性系數(shù)也隨之提高。然而，當(dāng)前普遍采用的輥壓機(jī)＋開路磨、輥壓機(jī)＋開路磨＋助磨劑、輥壓機(jī)＋閉路磨等工藝均勻系數(shù)都遠(yuǎn)大于0.62，對于混凝土和易性、致密性等等性能產(chǎn)生不利影響。另外，為提高粉磨效率，國內(nèi)不少企業(yè)使用助磨劑，以起到提產(chǎn)、節(jié)能的效果，但助磨劑的過量加入會使水泥顆粒更加集中，顆粒堆積空隙率增大，對混凝土結(jié)構(gòu)致密性不利。

  綜合而言，水泥粉磨系統(tǒng)的粉磨效率越高，顆粒分布與 Fuller 級配相差越大，配制混凝土的和易性就越差。值得一提的是，對于業(yè)內(nèi)普遍關(guān)注的立磨磨制水泥，級配問題更為突出。資料顯示，由于粉磨效率更高，水泥的顆粒分布與 Fuller 級配的偏差更大，而這也是造成部分地區(qū)混凝土生產(chǎn)企業(yè)不接受立磨磨制的水泥的主要原因。

  基于水泥與混凝土之的密切聯(lián)系，同為華南理工大學(xué)教授的吳笑梅表示，水泥生產(chǎn)過程中過于關(guān)注粉磨系統(tǒng)自身的節(jié)能減排并不能實現(xiàn)對整合社會節(jié)能節(jié)能減排的貢獻(xiàn)，因此評價和衡量水泥粉磨系統(tǒng)的好壞，要在保障終端產(chǎn)品品質(zhì)的基礎(chǔ)上考慮過程的節(jié)能減排。

球磨是目前國內(nèi)水泥粉磨主要方式，所磨制水泥級配粒型較好，但能耗相對較高

  樊粵明進(jìn)一步指出，對于當(dāng)前水泥工業(yè)升級而言，節(jié)能是極為重要的一方面，但是不能忽視的是，需要將水泥的優(yōu)質(zhì)擺在第一位，應(yīng)充分保證水泥各項性能指標(biāo)達(dá)到混凝土制備需求。與此同時，粉磨節(jié)能不應(yīng)該僅僅是電耗的降低，同樣需要包括通過自身水泥性能的提升，降低終端產(chǎn)品制備和應(yīng)用能耗。[Page]

  混合材添加 依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)因地制宜

  在水泥粉磨過程中，混合材不僅僅扮演者降低水泥生產(chǎn)成本的作用，更在改善水泥性能方面具有重要意義。

  事實也證明，易磨性較好且自身需水量較低的混合材（如石灰石）有利于增加5um以下的細(xì)顆粒，對降低水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度有利，而易磨性較差的混合材（比熟料易磨性還差，如礦渣、鐵渣等），則有利于增加<32um中熟料的含量，即熟料顆粒更接近S.T級配，對提高水泥膠砂強(qiáng)度有幫助。

  另外，在混凝土制備中，根據(jù)需要適用礦物摻合料，對提升混凝土性能，降低需水量、提高流動性和密實性、增加強(qiáng)度，提高耐久性和抗腐蝕性等方面具有重要作用。然而，部分水泥企業(yè)水泥生產(chǎn)中混合材超摻、亂摻卻增加了混凝土質(zhì)量控制難度和技術(shù)風(fēng)險。

  對此，樊粵明告訴中國水泥網(wǎng)記者：“水泥混合材摻加是有國家標(biāo)準(zhǔn)的，所以水泥可以添加混合材，混凝土可以添加摻和料，但必須嚴(yán)格依照國家標(biāo)準(zhǔn)?！?

  事實上，基于水泥中摻加混合材料可以節(jié)省熟料、改善水泥性能、增加水泥品種、調(diào)節(jié)水泥標(biāo)號并且利于環(huán)保等優(yōu)勢，國家為保證混合材的科學(xué)應(yīng)用已經(jīng)制定了一套完善的標(biāo)準(zhǔn)體系。對水泥混合材中的高爐礦渣、粉煤灰、火山灰質(zhì)材料等的定義、分類、技術(shù)要求、試驗方法和檢驗規(guī)做出了嚴(yán)格規(guī)范。

  因此，混合材的選擇既要考慮環(huán)保和資源再利用，也要考慮其對水泥顆粒組成，生產(chǎn)能耗，及水泥使用性能的影響，并嚴(yán)格按照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，只有這樣，下游混凝土制備過程中才能心中有數(shù)，做出較為科學(xué)的摻合料搭配，以保證混凝土性能。

  相輔相成的水泥與混凝土

  去年8月住建部和工信部聯(lián)合發(fā)布發(fā)文推廣應(yīng)用高性能混凝土。由于我國建筑壽命普遍偏低，高性能混凝土的推廣應(yīng)用，無疑對于延長建筑物使用年限，減少資源浪費(fèi)具有重要意義。

  而水泥是混凝土組成中最主要的一種原料，對混凝土流動性、強(qiáng)度、耐久性都有重要影響，在當(dāng)前大力推廣高性能混凝土的背景下，水泥如何扮演好自己的角色？

  樊粵明表示，高性能混凝土并不絕對，而是需要根據(jù)實際需求加以定義。高性能可以是混凝土工作性，可以是力學(xué)性，可以是耐久性也可以是體積穩(wěn)定性，基于實際需要，相對應(yīng)的性能將對水泥提出不同的需求。

  樊粵明直言，“具體而言，工作性能高，要求水泥流動性好，力學(xué)性能好要求水泥強(qiáng)度高，耐久性好要求水泥耐久性也好，所以水泥對高性能混凝土的意義在于滿足特定需求?！?

  事實上，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我們對水泥品質(zhì)的關(guān)注一直在變化，除了強(qiáng)度之外，目前在商品混凝土技術(shù)的進(jìn)步的背景下，水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度、外加劑的相容性、水泥的耐久性、體積穩(wěn)定性等因素越來越被重視。

  樊粵明表示，水泥與混凝土不可分割，理想狀態(tài)下，水泥應(yīng)該充分考慮工作性、力學(xué)性、耐久性和體積穩(wěn)定性對混凝土制備的影響，在國內(nèi)大力推廣高性能混凝土的背景下，水泥應(yīng)該充分服務(wù)于混凝土性能要求，滿足不同特性需求的混凝土制備。

  作為一位真正的學(xué)者，30多年時間，樊粵明將自己的青春和夢想托付給了水泥這一傳統(tǒng)行業(yè)。如今，樊粵明雖已年近耳順，但依舊精力充沛，活躍于水泥與混凝土研究的最前線，從不懈怠。當(dāng)今建筑領(lǐng)域的發(fā)展，需要進(jìn)一步優(yōu)化水泥生產(chǎn)與混凝土制備工藝，樊粵明以其豐富的專業(yè)學(xué)識與實踐經(jīng)驗，無疑將造福于民，造福于社會，為新時代國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)揮棟梁作用。