摘要: 分析了新型干法水泥工藝生產(chǎn)中, 水泥與混凝土外加劑的適應(yīng)性問題, 并從熟料礦物成分、堿含量、標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、水泥的新鮮程度和溫度、石膏品種形態(tài)及水泥細(xì)度等方面進(jìn)行分析, 提出了降低新型干法窯C3A 含量及采用分別粉磨工藝改進(jìn)水泥與外加劑適應(yīng)性的措施。
關(guān)鍵詞: 新型干法窯熟料; 減水劑; 水泥; 適應(yīng)性
中圖分類號(hào): TQ172.789 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B
文章編號(hào): 1001- 6171( 2008) 01- 0070- 04
1 引言
進(jìn)入上世紀(jì)90 年代, 隨著水泥工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步, 代表著水泥工業(yè)發(fā)展方向的新型干法水泥工藝, 因其具有自動(dòng)化程度高、能耗低、單機(jī)臺(tái)時(shí)產(chǎn)量高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、技術(shù)先進(jìn)等特點(diǎn),生產(chǎn)規(guī)模突飛猛進(jìn)。為適應(yīng)其高分解率、快速煅燒的要求, 國內(nèi)外新窯外分解工藝廠家大都采用“兩高一中”的配料方案, 即高硅酸率、高鋁氧率、中等的石灰飽和系數(shù), 熟料中與外加劑適應(yīng)性較緊密的C3A 含量較高。且新型干法工藝具有薄料快燒快冷的工藝特點(diǎn), 水泥水化速度較快, 熟料早期強(qiáng)度較高, 與傳統(tǒng)的濕法窯和立窯相比, 對(duì)外加劑的吸附性相對(duì)較強(qiáng)。特別是2003 年7 月1 日混凝土工程取消現(xiàn)場攪拌后, 在商品混凝土工程中, 新型干法窯水泥早期強(qiáng)度高, 凝結(jié)硬化快的優(yōu)勢轉(zhuǎn)為劣勢, 混凝土坍落度損失大,水泥性能不能滿足混凝土工程質(zhì)量的需求。
為更好地服務(wù)于實(shí)際工程, 本文將初步分析水泥特性對(duì)減水劑塑化效果的影響, 并探討解決的措施。
2 水泥與外加劑的適應(yīng)性問題
從1935 年混凝土木質(zhì)素磺酸鹽減水劑研制成功并開始推廣應(yīng)用以來, 外加劑的成功應(yīng)用給混凝土技術(shù)的發(fā)展帶來了一次革命, 外加劑的應(yīng)用不僅能夠影響混凝土的施工性, 而且從微觀、亞微觀層次上改善了硬化混凝土體的結(jié)構(gòu)。但是有一個(gè)實(shí)際問題卻一直嚴(yán)重影響著其應(yīng)用效果, 即外加劑與水泥之間有時(shí)存在不適應(yīng)現(xiàn)象。就目前來說, 高效減水劑的使用最普遍, 且當(dāng)其與水泥產(chǎn)生不適應(yīng)的時(shí)候能夠比較直觀快速地反應(yīng)出( 如流動(dòng)性差、減水率低、或拌合料板結(jié)發(fā)熱、流動(dòng)性損失過快等現(xiàn)象) , 所以實(shí)際工程中反響最強(qiáng)烈的就是減水劑與水泥之間不適應(yīng)的問題。特別是大流動(dòng)度混凝土泵送施工中,混凝土從完成攪拌出廠到施工現(xiàn)場泵送澆注所需的時(shí)間,受運(yùn)送距離、道路情況、交通阻滯、等候卸車等因素的影響, 約需1- 2小時(shí), 在這段時(shí)間內(nèi), 混凝土的坍落度損失很大, 特別是在高溫季節(jié), 其損失更為顯著, 難以從運(yùn)輸車中卸出或泵送過程中引起堵泵。此外, 在施工過程中, 混凝土坍落度損失大時(shí)往往造成澆注困難, 這也是導(dǎo)致混凝土中產(chǎn)生“蜂窩”等缺陷的原因, 對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量產(chǎn)生了嚴(yán)重的后患。
2.1 水泥礦物成分的影響
水泥的礦物成分因生產(chǎn)廠家在原材料的選擇、生產(chǎn)工藝的控制等方面有差異而有所不同。新型干法窯外分解工藝生產(chǎn)的熟料C3A 含量平均達(dá)到8.0%以上, 有時(shí)高達(dá)9.0%以上, C4AF含量達(dá)到11.0% 左右, 有時(shí)高達(dá)12.5%, 兩者平均較濕法窯高出2.0%～3.0%。同時(shí), 就是單一廠家的水泥熟料, 其礦物成分也會(huì)有波動(dòng)。大量資料顯示, 通過對(duì)水泥熟料四大礦物成分C3S、C2S、C3A 和C4AF 對(duì)減水劑分子等溫吸附的研究證明, 其吸附程度的大小順序?yàn)? C3A>C4AF>C3S>C2S, 可見,鋁酸鹽相對(duì)減水劑分子的吸附程度大于硅酸鹽相。
筆者以某工程施工所用的JM- Ⅲ高效減水劑和新型干法窯熟料進(jìn)行試驗(yàn), 其凈漿流動(dòng)度差值與熟料中的C3A含量的關(guān)系如圖1。
從圖1 中可以看出, 水泥凈漿流動(dòng)度差值與熟料中的C3A 含量成反比關(guān)系。業(yè)已證明, 水泥中C3A 和C4AF的比例越大, 減水劑的分散效果越差。
2.2 水泥中堿含量的影響
水泥中的堿含量主要指水泥中Na2O 和K2O 的含量, 通常以Na2O+0.658K2O 質(zhì)量百分?jǐn)?shù)表示。特別是中原地區(qū), 因原材料中堿含量成分偏高,在預(yù)分解窯內(nèi)堿的不斷循環(huán)和富集,引起熟料中堿含量相對(duì)較高, 水泥早期水化較快, 對(duì)外加劑的吸附性較強(qiáng),導(dǎo)致混凝土的凝結(jié)時(shí)間縮短和坍落度損失增大。
2.3 水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量的影響
在用水泥制備凈漿、砂漿或者拌制混凝土?xí)r, 都需要加入一定量的水分, 這些水分一方面與水泥起水化作用使其凝膠硬化, 另一方面使凈漿、砂漿和混凝土具有一定的流動(dòng)性, 以便于施工。在其它條件相同的情況下, 需水量越小, 水泥石的質(zhì)量越高。為了使水泥凝結(jié)時(shí)間、體積安定性的測定具有可比性, 人為地規(guī)定水泥凈漿處于一種特定的可塑狀態(tài), 稱為標(biāo)準(zhǔn)稠度,它是通過規(guī)定的儀器測定的, 而標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量是指使水泥凈漿達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)稠度時(shí)所需要的拌和水量, 以占水泥重量的百分?jǐn)?shù)表示。水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量的高低對(duì)混凝土的性能影響很大。如果水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量大, 為確?；炷恋氖┕ば阅芏哟笥盟? 則會(huì)降低混凝土強(qiáng)度, 增加混凝土干縮產(chǎn)生裂紋的可能性, 降低混凝土的抗?jié)B性和耐久性。
新型干法窯生產(chǎn)工藝的特點(diǎn), 決定了其生產(chǎn)的水泥早期強(qiáng)度較高, 水泥水化較快, 水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度較大。同時(shí), 標(biāo)準(zhǔn)稠度還與水泥粉磨方式(顆粒級(jí)配和形貌)、粉磨細(xì)度以及摻合料(主要是粉煤灰)品種品質(zhì)有密切關(guān)系。
筆者繼續(xù)以某工程所用的JM- Ⅲ高效減水劑和新型干法窯生產(chǎn)的普通硅酸鹽42.5 水泥進(jìn)行試驗(yàn), 其凈漿流動(dòng)度差值與水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量的關(guān)系如圖2。
試驗(yàn)結(jié)果表明, 水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度與減水劑的塑化效果成反比關(guān)系, 標(biāo)準(zhǔn)稠度愈大, 塑化效果愈差。
2.4 水泥細(xì)度的影響
水泥顆粒對(duì)減水劑分子具有比較強(qiáng)的吸附性,在摻加減水劑的水泥漿體中,水泥顆粒越細(xì), 意味著其比表面積越大, 則對(duì)減水劑分子的吸附量越大。
所以,減水劑在相同摻量情況下,對(duì)于細(xì)度較大的水泥, 其塑化效果要差一些。在水泥新標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施后, 一些水泥生產(chǎn)廠家為追求水泥較高的早期強(qiáng)度,往往提高水泥的細(xì)度,這更加不利于混凝土工程的施工。
2.5 水泥的新鮮程度和水泥溫度的影響
水泥越新鮮,減水劑對(duì)其塑化效果相應(yīng)要差一些,這是因?yàn)樾迈r水泥的正電性較強(qiáng),對(duì)水泥的吸附能力較大。水泥的溫度越高,水泥水化越快, 減水劑對(duì)其塑化效果也越差,混凝土坍落度損失也較快。在大型新型干法水泥生產(chǎn)中, 水泥庫存期一般都較短, 有些商品混凝土生產(chǎn)廠利用剛生產(chǎn)出來且還未來得及散失掉熱量的水泥配制的混凝
土往往表現(xiàn)出減水率低、坍落度損失過快, 甚至在攪拌機(jī)內(nèi)就異常凝結(jié)的現(xiàn)象。
2.6 水泥調(diào)凝劑石膏形態(tài)的影響
在粉磨水泥熟料時(shí), 都摻加一定量石膏共同磨細(xì), 作為水泥的調(diào)凝劑。由于粉磨過程中磨機(jī)內(nèi)溫度升高,會(huì)使一部分二水石膏脫去部分結(jié)晶水轉(zhuǎn)變?yōu)榘胨嗌踔翢o水石膏( 硬石膏) 。
另外, 有些水泥廠為節(jié)省生產(chǎn)成本, 往往采用硬石膏或工業(yè)副產(chǎn)品石膏( 無水石膏) 替代二水石膏作為水泥調(diào)凝劑。不論采用何種石膏生產(chǎn)水泥, 按照有關(guān)水泥標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行產(chǎn)品檢驗(yàn)時(shí)一般區(qū)別不大, 但是當(dāng)摻加減水劑時(shí), 有時(shí)表現(xiàn)出大相徑庭的塑化效果, 尤其是以無水石膏作為調(diào)凝劑的水泥碰到減水劑時(shí), 會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的不相適應(yīng)性, 不僅得不到預(yù)期的減水效果, 而且往往會(huì)引起流動(dòng)度損失過快甚至異常凝結(jié)。
石膏作為水泥調(diào)凝劑時(shí), 水泥礦物中C3A 的水化速度最快, 在沒有石膏存在的情況下,水泥一旦加水,C3A 立即水化形成水化鋁酸鹽結(jié)晶體, 水泥漿在幾分鐘之內(nèi)便會(huì)凝結(jié)。而在有石
膏存在的情況下, 一開始, 石膏溶出物會(huì)與C3A 反應(yīng)形成水化硫鋁酸鈣,水化硫鋁酸鈣包裹在C3A 表面上, 阻止其進(jìn)一步水化, 延緩了水泥的凝結(jié), 從而保證了混凝土的可施工時(shí)間, 并對(duì)水泥強(qiáng)度的發(fā)展有利。
大量資料表明, 石膏結(jié)晶形態(tài)不同, 其對(duì)減水劑的吸附能力也不相同,順序?yàn)镃aSO4>CaSO4·1 /2H2O>CaSO4·2H2O。當(dāng)采用無水石膏作為水泥調(diào)凝劑時(shí), 摻加減水劑后, 無水石膏表面立即大量吸附減水劑分子, 形成吸附膜層, 使之無法溶出為水泥漿體所需要的SO42-離子, 無法快速與水化鋁酸鹽生成難溶的水化硫鋁酸鈣, 造成C3A大量水化, 形成相當(dāng)數(shù)量的水化鋁酸鈣結(jié)晶體并相互連接, 導(dǎo)致混凝土坍落度損失過快, 嚴(yán)重者將導(dǎo)致混凝土異常快凝。
3 解決問題的措施
3.1 降低熟料中的C3A 礦物成分
鋁率水泥中C3A 過高, 對(duì)混凝土所要求的低流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失、防止早期開裂以及抗腐蝕等耐久性能不利,在新型干法水泥生產(chǎn)中, 降低鋁率是有效緩解“適應(yīng)性”的主要措施。然而低鋁率可使熟料燒成范圍狹窄, 容易引起熱工制度不穩(wěn), 產(chǎn)生飛砂料的可能性增大, 在窯的“長徑比”較大而窯速不快的情況下還有結(jié)圈的危險(xiǎn), 并且對(duì)煤質(zhì)的要求很高。當(dāng)今二次燃料的應(yīng)用已是大勢所趨, 提高煤質(zhì)很困難。但是, 在新型干法窯保證不結(jié)圈且能正常運(yùn)行的情況下, 逐漸降低鋁氧率, 找出一個(gè)平衡點(diǎn), 既要降低C3A 含量, 又要使窯能優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低能耗和長期安全運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí), 從穩(wěn)定原料成分做起, 加強(qiáng)生料成分的調(diào)控, 穩(wěn)定熟料KH 率值, 從而穩(wěn)定熟料礦物成分。筆者經(jīng)過多年的生產(chǎn)實(shí)踐, 新型干法窯的熟料C3A 含量控制在7.0%以下, 既能明顯改進(jìn)水泥與外加劑的適應(yīng)性,也能保證大窯優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)地運(yùn)行。
3.2 選用性能優(yōu)良的混合材料
條件許可時(shí), 一般選用礦渣或粉煤灰作為混合材料; 在使用煤矸石或火山灰質(zhì)混合材料時(shí), 與適量的石灰石合理搭配, 以兼顧水泥早后期強(qiáng)度,改善水泥性能。同時(shí), 筆者使用500mm×500mm 化驗(yàn)室試驗(yàn)小磨將上述材料單獨(dú)粉磨后, 再按一定比例混合配制成水泥。結(jié)果表明, 采用分別粉磨, 可有效解決傳統(tǒng)共同粉磨中摻加火山灰質(zhì)或粉煤灰混合材料的水泥需水量大、早期強(qiáng)度低等問題, 并能夠顯著改善水泥的物理性能及與減水劑的適應(yīng)性。當(dāng)然, 若要達(dá)到較好的減水效果,需增大減水劑的摻量。
3.3 適當(dāng)調(diào)整水泥細(xì)度, 改善水泥顆粒級(jí)配
要提高水泥強(qiáng)度、混凝土密實(shí)性、耐久性等性能都要求水泥中有足夠的細(xì)粉量。在水泥產(chǎn)品中, 一般公認(rèn):3～32μm 顆粒對(duì)強(qiáng)度增進(jìn)起主導(dǎo)作用,其總量不低于65%, 16～24μm 顆粒對(duì)水泥性能尤為重要, 小于3μm 的顆粒不要超過10%, 大于64μm 的粗顆?；钚院苄? 最好沒有。然而這些細(xì)粉不應(yīng)該全是由熟料構(gòu)成的, 熟料磨得過細(xì)必然造成用水量大, 早期發(fā)熱量高,砂漿可加工性不好, 影響混凝土性能,所以水泥中的細(xì)粉應(yīng)由較細(xì)的混合材料來提供?；旌喜淖鳛樘畛洳牧? 其首要任務(wù)就是填充水泥顆粒之間的空隙, 借以降低用水量, 改善保水性能,也有利于降低水泥石基體中的毛細(xì)孔孔隙率, 提高水泥石的結(jié)構(gòu)密實(shí)性和強(qiáng)度。所以, 若要達(dá)到理想的塑化效果,水泥廠家應(yīng)探討并積極采用分別粉磨工藝, 或與大型商品混凝土施工單位協(xié)商, 水泥廠可提供純熟料粉、石膏粉、各種混合材料粉, 由混凝土施工方按混凝土規(guī)范對(duì)所要求的原材料進(jìn)行配制。
4 結(jié)語
外加劑與水泥適應(yīng)性的問題必須引起生產(chǎn)單位和工程應(yīng)用部門的高度重視。由于質(zhì)量檢驗(yàn)部門對(duì)外加劑和水泥的性能檢測都是依據(jù)有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的, 往往完全符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的水泥和外加劑,當(dāng)在共同作為混凝土的原材料配制生產(chǎn)混凝土拌和料時(shí)就出現(xiàn)了不相適應(yīng)的現(xiàn)象。
特別是代表水泥發(fā)展方向的新型干法水泥工藝, 在水泥生產(chǎn)中, 要重視熟料礦物成分的控制, 保證大窯能夠優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低能耗和長期安全運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下, 找出一個(gè)平衡點(diǎn), 降低C3A 含量, 并且穩(wěn)定各礦物成分的相對(duì)含量。在磨制成水泥時(shí), 優(yōu)化水泥的顆粒級(jí)配, 選用復(fù)合型的優(yōu)質(zhì)混合材料, 降低標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量, 改善水泥與減水劑的適應(yīng)性, 而不應(yīng)單一重視熟料的物理性能。
