摘要：水泥粉磨能耗占水泥生产全过程综合电耗的30%以上，2005年我国水泥粉磨耗能约400亿kWh。而水泥熟料粉碎有效能耗很低。本文从节能目标出发，提出了用水泥熟料直接生产商品混凝土的设想。讨论了利用化学-机械粉磨机理，即在机械破碎力的基础上，利用水泥熟料水化过程中的溶解作用、水化热效应、水分子在脆性材料裂纹尖端活化作用等，把水泥粉磨过程变为机械作用和化学作用的共同过程，预期会加快粉磨速度、大幅度降低水泥粉磨能耗，降低商品混凝土的成本，并推测有可能提高混凝土的强度和耐久性等性能。
关键词：水泥熟料；商品混凝土；水泥粉磨
据国家统计局2004年统计年报，我国的水泥产量已达9.6亿t。生产这些水泥消耗电能1000亿kWh，与钢铁工业一起成为造成我国电力紧张的主要因素。降低水泥生产能耗，对水泥工业和国民经济的健康发展，有极其重要的意义。
作者在探讨建材工业的可持续发展问题的过程中，注意到水泥粉磨的能耗很高，许多水泥科技工作者在努力研究开发新型磨机，以提高生产效率和降低单位粉磨能耗。由于粉磨理论问题至今未解决，已取得的和预期可能达到的效果并不理想。作者在进一步学习、研究水泥和混凝土有关知识的基础上，大胆地提出由水泥熟料直接生产商品混凝土的设想，并预测可以大幅度降低水泥粉磨能耗、减少物料运输、降低混凝土成本，同时有可能提高混凝土的强度、耐久性等重要性能。
但自从水泥、混凝土工业诞生以来，天经地义是水泥厂生产水泥，即用石灰石、粘土等原料烧制水泥熟料，加石膏、混合材磨细而成水泥(硅酸盐水泥以及矿渣硅酸盐水泥等复合水泥)，混凝土搅拌站用水泥厂生产的水泥，按照一定的配比加入水、粗细集料、外加剂搅拌均匀成商品混凝土。若要实现由水泥熟料直接生产商品混凝土的设想，肯定会遇到技术上、观念上、体制上的许多难题。为了推进水泥- 混凝土技术的进步、达到节能的目的，作者不怕见笑的公开这种设想，希望能引起注意，起到抛砖引玉的作用。愿有关单位、科技工作者能进一步探讨、研究，克服各种困难，完善、实现这一设想，对水泥和混凝土工程技术的进步作出重大贡献。
1 水泥粉磨的能耗
近几年我国水泥工业快速发展，水泥生产技术与装备有了较大进步，我国自行设计建设的新型干法8000t/d生产线也已投产。但是我国水泥的粉磨过程、技术与装备虽有发展，但仍离不开磨，特别是球(管)磨机仍是水泥粉磨的主要设备。水泥粉磨能耗占水泥生产全过程综合电耗的30%以上，我国新干法42.5级水泥粉磨平均能耗大约为36kWh/t熟料。小型水泥厂的能耗更高得多。这样，我国2004年消耗在水泥粉磨的电能接近400亿kWh。
但是从理论和实际测量表明，水泥熟料粉碎的有用功、即增加其表面能仅需3kWh/t熟料，为水泥球(管)磨机粉磨实际能耗的0.6%，说明目前采用的球磨技术使绝大部分能量作为无用功消耗掉了，见表1。
表1 粉碎能耗的测定(按Anselm)
虽然近年来研究发展了辊式磨、辊压磨、辊压+球磨、CKP或APS、立式磨和辊筒磨等粉磨系统，水泥粉磨能耗仍高达21～28kwh/t，见表2。因此，开发粉磨新技术与装备，提高粉磨能效、大幅度降低水泥生产过程中的粉磨能耗是水泥科学技术研究的重大方向之一。
表2 各种水泥粉磨系统的比较
2 设想由水泥熟料生产商品混凝土的流程
作者提出的由水泥熟料直接生产商品混凝土的设想，是根据机械—化学粉磨机理，在湿磨机中加入水、外加剂、石膏等的情况下，对水泥熟料进行湿磨，利用水泥熟料水化过程中具有的溶解作用、水化热效应、水分子在脆性材料裂纹尖端活化作用等的共同作用，加速粉磨过程，随后加入粗细集料进行混凝土搅拌。其工艺流程如图1所示。
图1 工艺流程图
从图1可以看出，水泥厂取消了粉磨工序，水泥熟料仅经过细碎后出厂，直接运送至混凝土搅拌站，进行配料、机械-化学粉磨、搅拌等工序。检验合格后运送至工地使用。一些水泥厂成为直接生产各种需求的商品混凝土的建材公司。
3 理论依据
在材料的粉磨研究领域，一些科学家在机械粉磨过程中加入某种材料(称为助磨剂)与被粉磨材料发生反应，以加速粉磨过程或降低粉磨能耗，称之为机械-化学粉磨。例如，有人把水泥粉磨过程中加入助磨剂归于机械-化学粉磨过程。
作者提出的由水泥熟料直接生产商品混凝土设想的粉磨工艺流程，是在加入水和其他助剂的情况下湿法粉磨水泥。水和助剂与水泥熟料发生水化反应，与机械力共同作用于水泥颗粒，达到其颗粒直径迅速减小的粉磨目的，是典型的机械-化学粉磨过程。其降低粉磨能耗、加速粉磨的原理如下。
波特兰水泥的水化理论研究表明，水泥的水化是熟料组分、硫酸钙和水发生的交错化学反应。水化早期碱性硫酸盐和铝酸盐快速溶解，C3S开始溶解。可见水泥加水后最初是溶解过程，而且溶解是放热反应，熟料颗粒粒径不需要消耗粉磨能。C3S遇水后的水化过程可进一步说明这一问题。C3S是熟料中最主要的矿物，C3S (阿利特)的水化，在水泥的全部水化过程，特别是早期水化过程中起着决定性的作用。其水化反应式为
2C3S+7H2O→C3S2H4+3CH
ΔH=-1114kJmol-1
C3S(阿利特)的水化可分为早期(预诱导期、诱导期)、中期(加速期、减速期)和后期(扩散期)。C3S一旦与水接触，钙与二氧化硅很快进入溶液，即C3S开始溶解。但粒子周围产生(C-S－H)水化产物的物理扩散屏蔽层。但是，当我们加上机械粉磨力时会破坏这一物理扩散屏蔽层，继续和加快溶解过程。使熟料颗粒迅速变小，能耗会比纯机械力粉磨小得多。
众所周知，普通波特兰水泥的水化是放热反应。其主要矿物的水化热如表3所示。
表3 波特兰主要矿物的水化热
从表3可以看出普通波特兰水泥(OPC)的水化热接近500J/g，在湿法粉磨过程中，这些热量有可能作用于水泥熟料颗粒，加速粉磨过程。同时，熟料颗粒是硬、脆性材料，水进入在机械粉磨力作用下形成的裂纹中，其使裂纹尖端的活化作用、水化产物体积增加产生的膨胀扩张作用，都会加快裂纹的发展，裂纹迅速扩展贯通整个颗粒使之碎裂。
许多研究表明，水泥颗粒圆形化有利于紧密堆积，是提高混凝土性能的一项重要技术措施。而水泥熟料这种硬脆物料在机械粉磨作用下形成的颗粒，往往呈尖锐的多角形，为此研究、开发水泥颗粒球形化技术与装备成为高性能混凝土研究的方向之一。而机械-化学粉磨有利于水泥熟料颗粒的球形化，这是因为水泥熟料颗粒的水化作用最易从颗粒尖端开始，水化过程也最强烈。机械-化学粉磨，即湿磨形成颗粒应该是球形的，显然会提高颗粒的堆积密度，从而提高混凝土的强度、耐久性等重要性能。
另外，水泥熟料在混凝土制备现场粉磨，新生成的界面具有很高的活性，与混凝土其他材料的结合强度更高，从而提高混凝土的工作性能、初期强度和最终强度，提高混凝土的耐久性。
4 预想的效果和需要研究的问题
除前面已经讨论了的由水泥熟料直接生产商品混凝土的湿法粉磨工艺，有可能会降低粉磨能耗、加速粉磨过程、提高混凝土的工作性能、初期强度和最终强度，提高混凝土的耐久性之外，预想到的由水泥熟料直接生产商品混凝土的效果，还可能有如下有益的效果。
(1)水泥厂把水泥熟料细碎至一定粒度后出厂，取消了粉磨工序，可大幅度地降低水泥厂建设投资、减少水泥厂电耗30%以上、大幅度降低成本。
(2)水泥熟料以一定粒度出厂，有利于运输和保管。
(3)石膏、矿渣、粉煤灰等混合材，在混凝土搅拌站加入，物料运输量大为减少，降低生产成本。
(4)在混凝土搅拌站加入混合材、外加剂等有利于配制所要求的不同要求的混凝土和高性能混凝土。
虽然由水泥熟料直接生产商品混凝土可能有许多优越性，但由于水泥和混凝土的生产已有百年以上的历史，要改变水泥生产及物流的流程，制定湿粉磨、搅拌工艺，研制新型水泥粉磨+混凝土搅拌设备，研究开发适用于机械-化学粉磨技术的外加剂，建立相应的标准等，都需要进行大量的研究工作。同时，人们的思维和习惯定式和管理体系的改变，也需要做大量的工作。困难很多，但应该是可以克服的。希望由水泥熟料直接生产商品混凝土的设想有一天会实现。
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