一種新型水泥助磨劑的制備及性能測試
蘇秀霞1，趙鈐妃1，劉崇喜2
【參與寫作單位】
(1. 教育部輕化工助劑化學與技術重點實驗室，陜西科技大學化學與化工學院，蘇秀霞1，趙鈐妃1，陜西 西安 710021。
(2. 漢中市四星化工有限公司，劉崇喜，陜西漢中 723000。
摘要：以三乙醇胺、乙二醇、尿素、醋酸鈉等為原料，制備了一種高分散性、高早強活化作用的高分子水泥助磨劑，通過在不同礦渣原料、水泥熟料及其不同粉磨條件下進行工業性生產應用表明，該助磨劑對水泥粒度分布有優化作用，助磨劑摻量為0.04～0.05％時可提高水泥產量15%~30%.
關鍵詞：三乙醇胺；乙二醇；醋酸鈉；高分子水泥助磨劑
中圖法分類號：TQ172.4＋63 文獻標識碼：A
0 引 言
目前，我國水泥生產存在兩大問題：一是產品質量普遍比國外低；二是能量利用率低、電耗高．水泥粉磨細度、顆粒型狀和顆粒組成對于改改善水泥性能以及充分發揮水泥活性有很大作用，但改善水泥性能、提高水泥細度又會使磨機產量下降，電耗增加．近年來隨著世界能源危機的加深，國家對節能技術也更加重視．另外，水泥助磨劑市場龐大、品種繁多，加之我國水泥助磨劑發展走了很多彎路，存在很多問題，致使大多數水泥企業對其望而卻步，形成抵觸情緒，從而不利于水泥助磨劑的推廣和使用．因此提高水泥產品質量及粉磨效率，降低粉磨電耗，是我國水泥工作者極為關注的問題．傳統水泥助磨劑對于提高粉磨效率［1］、降低粉磨電耗有較為顯著的效果，但對于提高水泥強度等質量指標則無明顯效果［2］．因此對水泥助磨劑的深入研究和應用勢在必行．
本文進行了不同測定方法的對比試驗，以此研究助磨劑效果的測定判斷方法，提高實驗室小磨實驗結果與大磨工業生產的可模擬性．在現有工藝設備基礎上，加入微量水泥助磨劑既可以提高粉磨效率，又可提高水泥質量，從而獲得較好的經濟效益．
１ 實驗部分
1.1 實驗儀器及試劑
Φ500mm×500mm實驗室標準磨；KBS-2型自動比表面積測定儀；BT-9300Z型激光粒度分布儀，丹東百特科技有限公司．
水泥熟料，陜西省天柱水泥制造有限責任公司；石膏，陜西省天柱水泥制造有限責任公司；三乙醇胺，CP，天津市天力化學試劑有限公司；乙二醇，AR，天津市博迪化工有限公司；尿素，陜西華山化工集團有限公司；醋酸鈉，AR，青島新永安化學品有限公司；木質素磺酸鈣，鄭州市強源化工有限公司；丙三醇，AR，青島萬盛化工有限公司；消泡劑，西安萬德化工有限公司．
1.2 新型助磨劑(M1)的制備
將40.5mL水加入反應器,水溫保持在30曟,加入50g木質素磺酸鈣和5g消泡劑均化20min,再加入100g尿素和150g醋酸鈉均化15min,繼續加入120g乙二醇和120g丙三醇,升溫至35曟均化30min,加入180g三乙醇胺升溫至40曟均化(充分攪拌均化)30min,然后放料包裝,貯存停放24h即得成品.
1.3 提高水泥產量實驗
取3份相同質量的生產水泥的喂料,第一份中不加新型水泥助磨劑(M1),第二份、第三份分別加入喂料量的0.04%、0.05%的新型水泥助磨劑(M1),對產品質量進行比較.
1.4 對比實驗
進行兩組對比實驗,其配料比均為水泥熟料暶石膏=95暶5,第一組為研究不同種類及摻量的助磨劑M1、M2、M3對硅酸鹽水泥性能影響的表征方法,摻量分別為M10.04%、M20.05%、M30.5%.第二組是對M1進行最佳摻量研究(分別為0.02%、0.04%、0.06%),與M2(摻量為0.04%)進行助磨效果比較.
分別稱取5kg按上述比例配好的試樣,然后加入相應量的助磨劑,用實驗室小磨粉磨40min,粉磨完畢,分別進行流動性、篩余、比表面積、抗壓強度以及顆粒級配測定,然后進行水泥凈漿強度(水灰比為0.3)和砂漿強度(水灰比為0.5)的測定.
2 結果與討論
2.1 提高水泥產量
第二份喂料生產所得水泥比第一份質量增加了15%,第三份喂料生產所得水泥比第一份質量增加了30%,說明新型助磨劑M1摻量為0.04%~0.05%時可提高水泥產量15%~30%.
2.2 助磨效果表征
對第一組水泥的一些粉體特性進行測定,測定結果見表1.
表1第一組水泥的粉體性能測定結果
|
編號 |
助磨劑 |
休止角
/(°) |
篩余/% |
比表面積
/(m2/kg)
|
抗壓強度/MPa |
|
種類 摻量/% |
45㎛ 80㎛ |
3d 28d |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Z1 |
|
0 |
46.3 |
9.5 |
3.5 |
324.5 |
17.2 |
45.8 |
|
Z2 |
M1 |
0.04 |
39.9 |
2.7 |
2.2 |
335.2 |
23.1 |
49.2 |
|
Z3 |
M2 |
0.05 |
42.0 |
4.6 |
2.5 |
342.2 |
24.6 |
50.9 |
|
Z4 |
M3 |
0.5 |
42.4 |
6.1 |
2.7 |
350.1 |
25.9 |
51.8 |
2.2.1 休止角
從表1可以看出,與不加助磨劑的水泥相比,加入助磨劑后水泥休止角分別減小為M1:6.4°,M2:4.3°,M3:3.9°.由此可見,使用水泥助磨劑使水泥的流動性提高,新型助磨劑M1的效果最顯著.這主要是由于助磨劑是一種表面活性劑,能夠起到平滑劑的作用[3],可改變粉體顆粒之間的接觸角和摩擦阻力.流動性增加有利于生產過程中的輸送,避免造成水泥結塊.
2.2.2 篩余
從表l可以看出,助磨劑的加入使45㎛和80㎛ 篩篩余均減少,且45㎛ 篩篩余變化明顯,80㎛篩篩余變化區分度不大,因此,篩子尺寸越小,篩余降低幅度越大,效果越明顯.
2.2.3 比表面積
從表l可以看出,與未摻加助磨劑的水泥相比,加入助磨劑后比表面積分別增加M1:10.7m2/kg,M2:17.7m2/kg,M3:25.6m2/kg.由此可見,助磨劑的使用可增大水泥的比表面積.
2.2.4 抗壓強度
加入助磨劑后水泥的強度均有不同程度的提高,3d抗壓強度分別提高M1:5.9MPa,M2:7.4MPa,
M3:8.7MPa;28d抗壓強度分別提高M1:3.4MPa,M2:5.1MPa,M3:4.1MPa.參照水泥行業經驗,水泥中多增加1%的混合材,水泥3d抗壓強度降低0.4MPa左右,28d抗壓強度降低近0.6MPa,照此折算,在提產基礎上還能夠節省15%左右的熟料.在整個實驗中,磨機的系統狀態保持良好,從實驗數據來看,新型助磨劑M1在水泥粉磨過程中的助磨效果明顯.
2.2.5水泥顆粒粒度組成與分布
用同一批熟料在同一個毜500mm暳500mm 的磨機上進行摻與不摻新型助磨劑M1的對比實驗.實
驗在不改變比表面積而僅提高磨機產量的條件下進行[4],采用激光粒度測試儀測定粒度分布,結果見表2
和表3.
實驗結果表明:(1)在未改變水泥比表面積、只提高磨機產量的情況下,摻新型助磨劑M1顯著提高了
小于33.78㎛ 顆粒的含量,從74.36%提高到了83.26%;(2)大于60㎛ 的顆粒組成從6.28%降低到了
1.23%;(3)10㎛以下的顆粒組成變化不大;(4)小于3.27毺m 的顆粒組成從18.58%增加到了24.68%,
說明摻入新型助磨劑M1后不但能提高磨機的產量,還可改善和優化水泥顆粒粒徑的分布,對水泥強度起
主要作用的組份顯著增加,過粗顆粒減少,其中在水泥中起早強作用的3㎛ 以下的顆粒有所增加.在增
加細顆粒的同時,還能保持對水泥需水量起主要作用的10㎛ 以下的顆粒組成基本不變,保持水泥有較
高的流動性和較低的需水量.
表2 未摻新型助磨劑M1粉磨后的物料粒徑分布
|
粒徑
/㎛ |
微分分布
/% |
累積分布
/% |
粒徑
/㎛ |
微分分布
/% |
累積分布
/% |
粒徑
/㎛ |
微分分布
/% |
累積分布
/% |
|
0.51 |
— |
— |
4.43 |
1.40 |
77.78 |
39.4 |
6.28 |
19.03 |
|
0.57 |
0.77 |
99.21 |
5.20 |
1.16 |
76.62 |
45.1 |
4.71 |
14.32 |
|
0.69 |
1.36 |
97.85 |
6.06 |
1.37 |
75.25 |
53.8 |
6.05 |
8.27 |
|
0.79 |
1.43 |
96.42 |
7.08 |
1.99 |
73.26 |
63.1 |
4.18 |
4.09 |
|
0.94 |
1.16 |
95.26 |
8.30 |
2.99 |
70.27 |
73.6 |
2.61 |
1.48 |
|
1.08 |
1.00 |
94.26 |
9.70 |
3.61 |
66.65 |
80.1 |
0.78 |
0.70 |
|
1.29 |
1.54 |
92.72 |
11.32 |
3.82 |
62.83 |
100.6 |
0.61 |
0.09 |
|
1.49 |
1.78 |
90.94 |
13.25 |
3.76 |
59.07 |
117.7 |
0.05 |
0.04 |
|
1.74 |
1.88 |
89.06 |
15.47 |
4.06 |
55.01 |
137.4 |
0.04 |
0.00 |
|
2.03 |
2.11 |
86.95 |
18.10 |
4.77 |
50.24 |
160.8 |
0.00 |
0.00 |
|
2.39 |
2.11 |
84.84 |
21.13 |
5.37 |
44.87 |
187.8 |
0.00 |
0.00 |
|
2.76 |
2.29 |
82.55 |
24.73 |
6.14 |
38.73 |
219.7 |
0.00 |
0.00 |
|
3.27 |
1.13 |
81.42 |
28.88 |
6.48 |
32.25 |
256.6 |
0.00 |
0.00 |
|
3.81 |
1.82 |
79.60 |
33.78 |
6.61 |
25.64 |
300.0 |
0.00 |
0.00 |
表3 摻新型助磨劑M1粉磨后的物料粒徑分布
|
粒徑
/㎛ |
微分分布
/% |
累積分布
/% |
粒徑
/㎛ |
微分分布
/% |
累積分布
/% |
粒徑
/㎛ |
微分分布
/% |
累積分布
/% |
|
0.51 |
— |
— |
4.43 |
1.52 |
71.71 |
39.4 |
6.28 |
10.46 |
|
0.57 |
1.17 |
98.85 |
5.20 |
1.23 |
70.48 |
45.1 |
4.29 |
6.17 |
|
0.69 |
2.04 |
96.81 |
6.06 |
1.41 |
69.07 |
53.8 |
3.36 |
2.81 |
|
0.79 |
2.02 |
94.79 |
7.08 |
2.19 |
66.88 |
63.1 |
1.80 |
1.01 |
|
0.94 |
1.82 |
92.97 |
8.30 |
3.25 |
63.63 |
73.6 |
0.59 |
0.42 |
|
1.08 |
1.59 |
91.38 |
9.70 |
3.91 |
59.72 |
80.1 |
0.38 |
0.04 |
|
1.29 |
1.90 |
89.48 |
11.32 |
4.27 |
55.45 |
100.6 |
0.04 |
0.00 |
|
|
1.49 |
1.79 |
87.69 |
13.25 |
4.46 |
50.99 |
117.7 |
0.00 |
0.00 |
|
1.74 |
1.87 |
85.82 |
15.47 |
5.00 |
45.99 |
137.4 |
0.00 |
0.00 |
|
2.03 |
2.40 |
83.42 |
18.10 |
5.61 |
40.38 |
160.8 |
0.00 |
0.00 |
|
2.39 |
2.68 |
80.84 |
21.13 |
5.48 |
34.90 |
187.8 |
0.00 |
0.00 |
|
2.76 |
2.95 |
77.89 |
24.73 |
5.53 |
29.37 |
219.7 |
0.00 |
0.00 |
|
3.27 |
2.57 |
75.32 |
28.88 |
5.99 |
23.38 |
256.6 |
0.00 |
0.00 |
|
3.81 |
2.09 |
73.23 |
33.78 |
6.64 |
16.74 |
300.0 |
0.00 |
0.00 |
|
2.2.6 凈漿強度和砂漿強度
對Z1、Z2、Z3、Z4， 4種水泥樣進行凈漿強度和砂漿強度的測定，其抗壓強度測定結果如表４所示．
表4 助磨劑對水泥抗壓強度和強度比的影響
|
編號 |
凈漿強度/MPa |
砂漿強度/MPa |
|
3d |
28d |
3d |
28d |
|
Z1 |
55.1/100 |
77.2/100 |
29.6/100 |
52.8/100 |
|
Z2 |
75.4/139 |
114.7/151 |
38.8/135 |
57.8/112 |
|
Z3 |
67.8/126 |
90.1/119 |
39.5/136 |
57.3/110 |
|
Z4 |
67.4/124 |
82.7/109 |
35.2/121 |
57.7/112 |
由表4可以看出,幾種助磨劑都不同程度的提高了水泥的早、后期抗壓強度[5].無論是從凈漿強度還
是砂漿強度來說,摻入新型助磨劑M1的水泥各齡期強度提高最明顯,其對水泥強度的增強效果最好.由
此可以得出,M1助磨劑在提高水泥細度和強度上效果都是最好的.
3暋結暋論
(1)新型助磨劑M1摻量為0.04%~0.05%時可提高水泥產量15%~30%.
(2)加入新型助磨劑M1后水泥休止角減小最顯著,說明使用水泥助磨劑可以提高水泥的流動性.
(3)加入新型助磨劑M1后篩子尺寸越小,篩余降低幅度越大,效果越明顯.
(4)加入新型助磨劑M1可增大水泥的比表面積,提高水泥耐壓強度,同時還可改善和優化水泥顆粒粒徑的分布,使對水泥強度起主要作用的組份顯著增加,過粗顆粒減少,其中在水泥中起早強作用的3㎛以下的顆粒有所增加.在增加細顆粒的同時,還能保持對水泥需水量起主要作用的10㎛ 以下的顆粒組成基本不變,保持水泥有較高的流動性和較低的需水量.
參考文獻
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[2]陳峭卉,楊軍.新型水泥助蓬劑的作用及機理研究[J].新型建筑材料,2006,(6):47-49.
[3]江朝華,蔡安蘭.高性能水泥助磨劑的研究[J].硅酸鹽學報,2001,29(6):507-512.
[4]萬惠文,王君,李正國,等.新型無氯水泥助磨劑的試驗研究[J].水泥,2009,(5):5-7.
[5]王振華,王棟民,王啟寶,等.ZK-RJD高效液體高分子合成水泥助磨劑的特性及其應用[J].水泥,2010,(5):10-14.
PREPARATIONANDPROPERTYTESTINGOF
THENOVELGRINDINGAIDSOFCEMENT
SUXiu-xia1,ZHAOQian-fei1,LIUChong-xi2
(1.KeyLaboratoryofAuxiliaryChemistry & TechnologyforChemicalIndustry,MinistryofEducation,
SchoolofChemistryandChemicalEngineering,ShaanxiUniversityofScience& Technology,Xi,an710021,
China;2.HanzhongSixingChemicalCo.,Ltd.,Hanzhong 723000,China)
Abstract:Thegrindingaidsofcementweresynthesizedfromtriethanolamine,glycol,urea,
sodiumacetateandsoon.Thegrindingaidsofcementwereonekindhighdispersion,high
intensityandactivationcopolymer.Throughthedifferentslagmaterials,cementclinkerand
grindingundertheconditionsofdifferentindustrial manufacturingapplicationsthatthe
grindingaidsareoptimizedforthesizedistributionofcement.Whenthegrindingaidsdosage
is0.04%~0.05%,thecementproductioncanbeincreased15%~30%. KeyWords:triethanolamine;glycol;sodiumacetate;polymergrindingaidsofcement
