关于水泥结块、流动性问题以及助磨剂在降低水泥装卸和运输成本中的作用

水泥格雷斯公司 Mike Sumner 邓喜涛 2015-06-02

从20世纪30年代开始，人们已经开始使用按配方制作的水泥助磨剂。格雷斯的“TDA”产品是于20世纪30年代初开始研发，在1935年取得了专利权。而“HEA2”产品是于1965年获得了专利保护，时至今日，仍是世界上使用最广泛的一种助磨产品。从20世纪70年代起，人们开始逐渐使用增强型助磨剂，而格雷斯最近新开发出的 “CBA” 系列专利产品，即为增强型助磨剂，它在增加水泥中混合材方面有越来越多的应用。

1. 简介

从20世纪30年代开始，人们已经开始使用按配方制作的水泥助磨剂。格雷斯的"TDA"产品是于20世纪30年代初开始研发，在1935年取得了专利权。而"HEA2"产品是于1965年获得了专利保护，时至今日，仍是世界上使用最广泛的一种助磨产品。从20世纪70年代起，人们开始逐渐使用增强型助磨剂，而格雷斯最近新开发出的 "CBA" 系列专利产品，即为增强型助磨剂，它在增加水泥中混合材方面有越来越多的应用。

助磨剂的作用是在最大程度降低水泥的制造成本和优化水泥质量方面提供帮助。在过去大概60年的时间内对此进行了大量的研究和开发工作，这些研究也包含了助磨剂在水泥研磨过程中以及后续产品性能的影响等方面。

人们能够从许多方面降低成本，例如：通过降低研磨过程中的单位耗能量；提高生产率；缩短运行时间；降低维修和维护成本；提高水泥的性能；提高熟料的替代率：以及通过提高干粉的"流动性"和降低"结块"等措施来实现成本的降低。

2 "结块"和"流动性"

术语"结块"是指散装水泥"开始流动"被抑制时的一种状态。随着水泥贸易量的不断增大，人们需要使用更大容量的储存和运输设备，并且储存和运输的时间和距离也在延长，因此，"结块"现象出现的越来越普遍。这种现象可能会在水泥厂里以及运输之后出现。

"流动性"这一术语指的是水泥在其"运动"时，流动的难易程度。"流动性"所引发的问题可能会比"结块"的要少一些，但它们通常是相互关联的。

实际上，"结块"就是指水泥的压实状态，而"流动性"与之相反，是指水泥的未压实状态。因此，"结块"可以被视为水泥的静摩擦力，而"流动性"可以被看作是水泥的动摩擦力。

此外，结块与"结库"或"自然硬化"不尽相同，后者是指在存储过程中脱水石膏发生水化作用(如存在碱性氧化物)和形成钾石膏时，所发生的现象。但是，"结块"和结库或自然硬化可能会同时发生。

在很多情况下，"结块"在一定较小的机械外力的作用下，可以被克服，但如今在越来越多的情况下，这种外力的强度已经变得非常大，所需要的代价也很高。特别是在今天，随着水泥贸易和终端作业的大量增加，对这个性质的研究也变得越来越重要。

3. "结块"的产生原因

"结块"的发生与许多条件相关。其中最重要的是振动，随着振动的时间和程度的增加，对压实状态的作用也有所不同。我们已经非常清楚地了解到振动在许多运输方式中所产生的影响，但对在储存设施中的发生机制并不太清楚。然而，这些条件往往受到外部振动，例如其他机械运动或车辆运动的影响。

然而，即使在相同的装卸和存储条件下，不同的水泥表现出来的性能也不尽相同。因此，"结块性"也属于水泥的一个内在性能指标。随着水泥细度的增加，粒度分布的增加和新鲜度的增加， "结块性"也就更大。

现在有很多证据表明，"结块"现象与导致颗粒凝聚的表面化学密切相关。因此，凝聚现象可能是当存在少量的水分和/或颗粒间的静电吸引力时，生成的微小晶体桥而产生。而颗粒间的静电吸引力可能是由于刚断裂的水泥表面的不平衡原子价力而产生，而这种原子价力也因此被称为"表面能"。

凝聚作用最初会导致相连颗粒间的一种开链结构。然而，随着压实度的不断增加，凝聚作用将最终导致一种非常严密的刚性结构的产生。因此，"结块"从本质上可以被视为是机械捣固（振动）和颗粒间的吸引力（不平衡的原子价力）共同作用的一种结果。表面新鲜度的影响可以因此而得以解释，因为导致凝聚的作用力和"结块性"将会由于对大气中水分和二氧化碳的吸附，随着时间的变长而降低。

因此我们可以得出结论，"结块"能够通过对表面能的控制而被大幅度降低甚至消除，而它最好在不平衡的原子价力产生的过程中，即在研磨过程中得以实现。

除了"结块"之外，颗粒间的吸引力也将导致对磨机内部构件（糊球）凝聚和粘合，从而降低了研磨效率。

助磨剂对水泥中的各种颗粒起到了包裹的作用，屏蔽了颗粒间的吸引力，因此也减少了团聚现象的产生。实际上，它们提供了一种干性分散。因此这些助磨剂将会提高研磨效率，降低结块现象的发生。但是，我们还需要注意，结块的降低程度，虽然与研磨效率的提高程度有关，但不是直接成正比关系。

4. 对"结块"的测评

在研究在大量粉状物质，如水泥中的流动状态如何开始出现时，自由屈服强度这一参数具有非常重要的意义。这一参数是指在一个自由表面上导致聚合力破裂所必需的正切压力，它也是聚合力的一个函数。术语"破裂函数"和"流函数"被用来描述聚合力和自由屈服强度之间的关系。

"Jenike剪切盒测定方法"是一种为众人所知的测定"破裂函数"的方法。而其他人，如威廉，伯克斯和巴恰塔亚还通过压缩一个圆柱样品，制定了直接测量"破裂函数"的简化方法。这种单轴类型的测试机后来由其他人，如约翰逊和莫尔特比 / Enstad进行了进一步的研发。

对于"结块"实际测评，格雷斯使用了2种室内测试方法。第一个测试是在一个锥形瓶里，对100克的水泥进行振动凝聚。然后，我们将锥形瓶进行180°的旋转，来破坏其压实状态。每旋转半圈计数一次，旋转的总次数称之为"结块指数"。

第二种方法更接近于上面所述的单轴方法，我们将制作一个圆柱型的水泥样品。但是，我们并不是通过施加一个压力，来确定自由屈服强度，而是通过转笼振动筛来确定"破裂函数"。通过筛子的时间，即为测量"结块"的一个指标。

所有这些方法都能是很好的评测水泥"结块"难易的方法，并且它们已经证明，由于使用了水泥助磨剂，"结块"程度得到了明显的降低。

5. 降低结块和增加流动性所带来的益处

我们上面已经讨论过，在水泥研磨过程中，使用助磨剂能够有效地促进干性分散，从而降低"结块"，增加"流动性"和容积密度。

而这些改进后的性能将在随后的物料装卸过程中展现出很多优势，从而显著地降低成本。

与物料传送操作相关的主要成本包括：在研磨流程内的输送，从研磨系统到工厂的储库，从储库提货并装载，通过公路、铁路或船只运输，与卸货、回收和再次装载有关的装卸作业。

在这些操作过程中，由于使用助磨剂而降低的"结块"和提高的"流动性"，将会缩短装卸时间，增加存储容量，并降低泵送成本。而它们对最终的水泥成本所产生的作用，将取决于实际的材料装卸业务内容。例如，水泥也可能只是通过公路直接从工厂运输过来。或者，可能会使用一个中转站，水泥通常会从工厂通过铁路或有时通过船只，运送至该中转站。在某些情况下，也可能会有两个中转站。水泥的运送，可能从工厂至第一个中转站会使用公路或铁路，然后，在两个中转站之间使用船只，从第二个中转站到客户之间使用公路。

在运输过程中所产生的成本因此可能具有很大的差别，可能占销售价格的比例很大。人们对所涉及的经济因素进行了研究并就相对较短距离，通常为每吨8 - 10美元的总分销成本与较长距离的每吨23-27美元的总分销成本进行了探讨(1993年)。

在所有的交通方式中，有一个与装卸有关的时间因素。由于"结块"问题而引起的较长装卸时间，将会导致更高的装卸成本，甚至会减少每天的装载次数，并进一步增加整体的配送成本。

例如，我们规定，道路运输所涉及的固定成本每天大约为225美元。对于使用了助磨剂的水泥，用卡车的装卸费用可能大约只有公路往返费用的15%。但是，如果是未经处理的水泥，该费用可能增加到25%。如果每天两次装卸这种未经处理的水泥，该费用将等于每吨4.96美元。而如果每天能够装卸使用助磨剂的水泥三次，每吨成本将降至3.30美元。因此，随着每天往返次数的

增加，该配送成本将会明显降低，也许每吨最多能减少1 .66美元。在使用铁路配送的装卸作业过程中，表现出来的是对装卸时间的节省。因为每次装卸只能有几个车厢同时进行（通常情况下，对于需要30个车厢的2000吨的水泥，每次只能装运1-3个车厢）。一般情况下，对于装卸30个车厢的2000吨的水泥的固定成本为每分钟1.60美元。而对于使用过助磨剂的水泥而言，装卸速度大约为400吨/小时，但对未使用助磨剂的水泥而言，装卸速度大约为50 - 150吨/小时。因此，由于受到 "结块"的明显影响，装卸时间可能会占到往返时间的50%以上，而对于单一车厢的运输，该卸货时间占往返时间的比例可能高达75%。

例如，对于运输2000吨水泥的30个车厢的列车而言，如果是未经处理的水泥，一次装卸2个车厢，每小时装卸75吨，卸货时间则为13.3小时。那么得出的固定成本则为每吨0.64美元。而对于使用了助磨剂的水泥而言，每小时可达到150吨的装卸速度，装卸时间因此会减少到6.7小时，由此得出固定成本为每吨0.32美元。当然，水泥配送的实际减少成本，将根据每年交货总数，由节省的装卸时间决定。

对于船舶运输，其很大一部分的成本，都来自租船费率、港口费和码头装卸成本。因此"结块"问题也会造成严重的延迟，从而大幅度增加在这些方面产生的成本。延误可能因"结块"问题而导致的较低卸货率产生，并且，如果受潮汐影响，这个问题将更加突出。对于25吨的船只而言，租船费率大约为每吨0.35美元，所以延迟6个小时可能增加的成本约为每吨0.09美元。另外，在一般情况下，装卸成本为每吨2.25美元，此时大概也会每吨增加0.50美元。如果船舶是在港口内延迟，港口费用对每吨水泥的成本也会产生明显影响。

除了在生产商的工厂和配送过程中导致延误和成本增加，"结块"现象也会在用户的工厂中造成对成本的影响。例如，不理想的材料装卸将会增加物料装载时间、增加使用机械外力造成流动性的需求（和成本），从而增加了客户的生产成本。

6. 水泥助磨剂的经济意义

水泥磨助磨剂的成本将取决于助磨剂的种类和使用的掺量。在一般情况下，添加量为0.02%左右，使用成本为每吨0.10美元-0.30美元左右。如果使用该范围的低端数值，在例如千瓦时/吨、维修和维护成本的降低方面所产生的收益，将大大超过使用助磨剂的成本。如果使用该范围的高端数值，将能通过水泥的成分变化获得收益（即提高了石灰石、矿渣、火山灰或粉煤灰的掺入量)。

因此，水泥助磨剂的使用具有充分的经济意义。然而，一般在配送成本为成本的主要影响因素时，我们会使用助磨剂，可以轻松地减少"结块"现象的出现，从而降低配送成本。从前面的讨论，我们可以很明显地看出，"结块"问题所导致成本的增加，远远高于水泥助磨剂的总体使用成本。

因此我们得出结论，使用水泥助磨剂可以对显著的降低水泥配送成本进而降低水泥的生产成本都产生非常显著的影响。

7. 结论

1.使用水泥助磨剂能够使我们在很多方面获得收益，其中包括通过增加容积密度、减少"结块"和增强流动性来增加存储容量。

2. "结块"是指压实状态，主要是由于机械压实和颗粒间的吸引力而引起。"结块"值能够通过一系列实验室测评方法，其中包括剪切盒和单轴测试仪而成功测量得出。

3. "流动性"是指未压实状态。水泥磨助磨剂将会降低颗粒之间的吸引力，促进水泥粒子的干性分散。

4. 公路卡车、列车车厢和船只的装卸时间将对水泥的配送成本产生明显影响。如果水泥使用了助磨剂，这些时间将会明显降低，因而整体配送成本也将显著降低。事实证明，在某些情况下，只针对配送而言，助磨剂的使用成本远小于在配送中所节省的费用。

编辑：陈宗勤

监督：0571-85871667

投稿：news@ccement.com

凡注明来源水泥网的文字、图片、音视频稿件，未经授权，不得转载，违者将依法追究责任。联系电话： 0571-85871513，邮箱：news@ccement.com。(免责声明)