水泥與外加劑適應(yīng)性的改進(jìn)

水泥與外加劑適應(yīng)性的改進(jìn)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。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(guó)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(chǎng)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(shì)轉(zhuǎn)為劣勢(shì),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(chǎng)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(cè)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(cè)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(kù)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?？炷?。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(zhǎng)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(shì)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(zhǎng)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的粗顆粒活性很小,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(cè)都是依據(jù)有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的,往往