摘要：粉磨系统对水泥性能影响的研究表明，球磨机、立磨及辊压机的不同粉磨机制对粒化高炉矿渣粉料的性能没有显著影响。但粉磨气氛对粒化高炉矿渣粉料的强度影响显著。不考虑粒化高炉矿渣的活性和来源，在CO₂气氛特别是潮湿CO₂气氛下粉磨将导致较低的强度。原因可能是CO₂和水以反应产物的形式在物料颗粒表面的粘结力增大。在一个可比的颗粒尺寸分布条件下，这些反应产物也导致用布莱茵方法测量的比表面积的增加。在波特兰水泥的生产中，用辊压机生产的水泥熟料的砂浆试块的抗压强度比球磨机和立磨生产的水泥熟料的砂浆试块的稍大。这三种粉磨系统的产品在随后的实验龄期中的强度值没有很大的差别，原因可能是(在辊压机粉磨中)水泥细粉中C₃S有所增加。

1  前言

    水泥细度和粒径分布才其性能的影响及不同粉磨系统生产出的水泥有不同斜率的粒径分布早巳被大家熟知。但是，不同学者近日的一系列研究都表明：实际上，颗粒尺寸分布相同但由不同粉磨系统生产的水泥具有不同的强度性能观测到的差异应该是由粉磨机制不同或者粉磨气氛不同引起的。

    应用于水泥正业的粉磨系统主要有立磨、辊压机及球磨机。它们的粉磨机理有本质不同，辊压机的粉磨主要靠挤压力，立磨主要采用挤压力和摩擦力结合进行粉磨。球磨机中的粉磨是通过挤压力、摩擦力和冲击力的结合产生。

粒化高炉矿渣的含水量在6％-12％之间，这取决于它的生产及储存条件，对水泥生产来说，粒化高炉矿渣必须在粉磨前或粉磨过程中干燥。在水泥厂适合用窑尾废气和冷却机余风进行干燥。全工业化的工厂中，关于干燥气体对粒化高炉矿渣粉磨的影响的一系列研究表明，相对于使用水泥冷却机余风，使用窑炉废气对粒化高炉矿渣粉料的性能有不利影响，甚至未能进行参数的精确验证。

2  粉磨系统对水泥性能的影响

2.1  具有可比颗粒尺寸分布的水泥产品

作为研究项目的一部分，为了研究粉磨机制及相应的粉磨系统的影响，在不同的半工业化粉磨设备中，将两种水泥熟料(记为A和B)和三种粒化高炉矿渣(记为A、B和C)粉磨到两种细度水平(3000和4000cm²/g布莱茵)。目的是得到所给熟料粉可比颗粒尺寸分布和细度水平。所用的水泥熟料和粒化高炉矿渣的化学组成见表1。生成的粉料与硫酸盐剂混合制成水泥。然后测试诸如强度、需水量、硬化行为及颗粒形状等性能。

表1  熟料和粒化高炉矿渣的化学成分

这项研究是Cebr.pfeifferAG和KHD Humboldt Wedag GmbH在研究中心联合进行的。Gebr．pfeifferAC的半工业规模的立磨(图1)有一个直径35cm的研磨台和整体笼式旋转选粉机。在试验期间设备的处理量为150和210kg/h。KHD Humboldt Wedag Gmb的半工业规模辊压机(图2)的处理量为300和700kg/h，具体数值还取决于材料和细度。这个粉磨系统是由一个辊式磨、一个VSK型选粉机及一个将压实料饼运送到选粉机投料口的输送环组成。位于水泥工业研究院的闭路粉磨系统有一个0.4×1.2m的球磨机和一个0.5m的笼式旋转选粉机(图3)。为使形成的颗粒分布可以与其它粉碎系统相匹配，球磨必须用高循环负荷来操作，高于400kg／h的循负荷对应的处理量为13-25kg／h。

图4和图5展示的是布莱茵比表面积为3000和4000cm²／g的水泥熟料粉的粒径分布，它们分别由高压辊压机(HPRM)、立磨(VRM)和球磨机(BM)粉磨的。很明显，可通过选择合适的粉磨方法来达到完全相同的颗粒尺寸分布，例如，利用辊压机和立磨非常高的压力和球磨机中的高循环负荷。对于其他新兴材料，在几乎所有的粉磨测试中，通过合理调整设备参数生产完全相同的颗粒尺寸分布的粉料已经成为可能。

2.2  粉磨系统对水泥性能的影响

    为了研究其性能，通过添加无水石膏和半水石膏将熟料粉中的S0₃含量调整为3％。第一个实验主要是测其在标准稠度下和饱和点时的需水量及硬化行为。在一组起始物料和细度都相同的样品内未能检测出所用的不同粉磨系统间的任何显著差异。

强度实验是利用砂浆棱柱进行的，参照标准为DIN ENl996。布莱茵比表面积为3000 cm²／g孰料B的抗压强度列示图6，而图7则为布莱茵比表面积为4000cm²／g的孰料B的抗压强度。每个实验都重复做了3遍以印证结果。相对于其它粉磨系统粉磨的熟料粉，在辊压机中生产的两种熟料和两个细度水平的料粉2天后有较高的抗压强度。但是总的来说，经立磨制备的熟料粉的强度值与球磨相当。经辊压机生产的熟料粉的7天和28天强度值与其它两种粉磨系统生产的不再有差别。尽管如此，如图7所示，来自立磨的2天强度值较低的熟料粉，7天和28天强度与其它两种粉磨系统的没有差别，这一点还不能解释其原因。研究也用混凝土试验印证砂浆研究的结果。但是这些实验并没显示出这三种粉磨系统引起的2天后抗压强度的差异。可能主要是因为与砂浆实验相比，混凝土研究中所用的水泥量明显较低，C=330kg／m³。

    试验中也把粒化高炉矿渣粉与两种不同CEM I水泥以70％矿渣30％水泥的比例?昆合并掺加硫酸盐剂，测试了它们的强度性能。但是，在不考虑所用CEM I水泥的情况下，这三组粒化高炉矿渣都没有显示出用的粉磨系统和所达到的强度之间有任何明显关系。例如，比表面积分别为3000cm²／g和4000cm²／g的粒化高炉矿渣C的抗压强度分别如图8和图9所示.

2.3  粉磨系统对颗粒形状的影响

生产的粉体颗粒的颗粒形状用两种不同的分析仪进行了检测，颗粒形状分析仪是Malvern和Occhio使用过的。为进行颗粒形貌测量要制备分散粉末，每一个样品用一个高频率相机拍摄25000个颗粒并作出评价。图10给出了熟料粉圆形度分布的一个例子。粒级中所有粒子的平均圆形度取决于各级颗粒尺寸的测量值。粒级是根据颗粒尺寸划分的。例如，比表面积为3000cm²／g的B熟料，其平均圆形度分布的结果如图11所示。在所有的粒级中，三种粉磨系统生产的粉料表现出相当的颗粒形状参数。用不同的细度水平和用提及的不同粉磨系统制得的不同熟料的粉料进行的颗粒形状检测也得到了可比的结果。所用的其他测量设备同样没有检测出不同粉磨系统对颗粒形状产生任何显著影响。

2.4  粉磨设备对化学组分的影响

    对已经生产的粉料也进行了各种化学和矿物学研究。熟料粉通过过筛及实验室高性能分级机进行分级，各级配的水泥熟料相的含量用x射线衍射及Rietveld装置结合测定。结果发现，在小于20μm粒级中，经辊压机生产的熟料比其他两种粉磨系统生产的熟料中的C₃S含量高(图12)。在粒级小于20μm的两种熟料中均发现了C₃S的累积。

同时测试了不同熟料粒级前72小时的水化热，研究结果显示出颗粒形状与热量的释放有明显的关系。水泥颗粒尺寸越小，比表面积越大，水化热就越高。另一方面，不同粉磨系统生产的相应粒级熟料粉的水化热没有明显的不同。对粒化高炉矿渣还进行了过筛和筛分分级及分析。粉料试样通过差热分析、高温x射线衍射及透射电镜进行研究。所用的分析方法均没有显示出用三种不同粉磨系统生产的粒化高炉矿渣有任何明显的差异。

3        粉磨气氛对含有粒化高炉矿渣的水泥性能的影响

3.1  不同粉磨气氛中的粒化高炉矿渣粉产品

    将三种不同活性的粒化高炉矿渣(记为A、B、C)分别放在干空气中、C0₂气氛中、湿度为6％的的空气(相对于粒化高炉矿渣)中及湿度为6％的C0₂气氛中粉磨，以研究粉磨气氛的影响。粉磨是在有电加热系统的间歇作业球磨机中进行的，所有粉磨实验中温度均设为120℃。在C0₂气氛中粉磨时，纯C0₂是通过阀注入磨机内，由此赶走磨机里面的空气。在潮湿气氛中粉磨时，磨机及其装填材料要预热，在测试开始之前加入适量的水且磨机顶盖被再次关闭。

    在以上描述的每种气氛中，粒化高炉矿渣先被粉磨到布莱茵4000em²/g的细度，粉磨过的粒化高炉矿渣的粒径分布如图13所示。然而，在一系列的实验中发现，粒化高炉矿渣在潮湿气氛中粉磨时，虽然具有相同的比表面积，但有一个较宽的粒径分布。因而在进一步实验中通过延长粉磨时间，使粒化高炉矿渣粉在不同的粉磨气氛中可以粉磨到相同的颗粒尺寸分布(如图14所示)。粒化高炉矿渣粉在干燥和潮湿的气氛中粉磨，其比表面积相差约为250cm²／g布莱茵。

3.2  粉磨气氛对化学组成的影响

用化学方法检验生产的粉料中H2O和C0₂含量，发现在C0₂气氛中粉磨的粒化高炉矿渣在粉磨后仍含有较多的C0₂，在潮湿的C0₂气氛中粉磨的粉料C0₂含量尤其高。图15所显示的粒化高炉矿渣粉中的C0₂和H₂O含量便是实例。粒化高炉矿渣粉也借助于实验高性能分级机分级，并测定各粒级C0₂和H₂O含量，发现细粒级中C0₂和H₂0含量明显高于粗粒级的。

3.3  粉磨气氛对含有粒化高炉矿渣的水泥的性能的影响

把制备的粒化高炉矿渣粉和CEM I水泥以30wt.％水泥和70wt.％矿渣的比例混合(测试系列要有相同的粒径分布)，测试其2天、7天和28天的抗压强度以分析其强度性能。

图16展示了在四种粉磨气氛中粉磨到相同颗粒尺寸分布的粒化高炉矿渣A的2天、7天和28天抗压强度值。2天后抗压强度值几乎没有差别，只有在水蒸气和C0₂联合气氛中粉磨的物料，2天后测试的强度值有所降低。然而，7天和8天后就有可能监测到干C0₂气氛对抗压强度的显著影响，及水蒸气和C0₂联合气氛会导致较大的强度下跌。

为了弄清这种影响，用扫描电镜观察生成的粉料及其粒度分级，一个相同初始物料的粒化高炉矿渣颗粒的例子如图17所示，其中一个在空气气氛中粉磨(左)，另一个在湿C0₂气氛中粉磨(右)。在空气气氛中粉磨的粒化高炉矿渣粉的颗粒表面几乎看不到沉积物和反应产物，而在湿空气气氛中粉磨的粒化高炉矿渣粉的颗粒表面很明显的被反应产物包裹。这些反应产物通过EDX分析识别被认定为碳酸钙化合物。