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高性能水泥生產(chǎn)途徑

  1 高性能水泥釋義
  隨著混凝土工程的大型化、工程環(huán)境的超復雜化以及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大,人們對混凝土材料提出了高性能化的要求。作為混凝土的第一組分材料,水泥的性能是制備高性能混凝土(High Performance Conceret,縮寫HPC)關(guān)鍵性的因素。筆者將用來制備HPC的水泥稱之為高性能水泥。可見高性能水泥是與HPC互相匹配和適應(yīng)的,并且體現(xiàn)在以這種水泥配制的混凝土具有高工作性、高強度、高耐久性。

  高工作性主要表現(xiàn)為高流動性、高抗離析性、高保水性、高保塑性和高兼容性;高強度表現(xiàn)為早期相對強度高,強度絕對值高,強度衰減期較長;高耐久性主要表現(xiàn)為高抗?jié)B性、高尺寸穩(wěn)定性、高抗蝕性和高抗堿集料反應(yīng)性等。

  一種性能優(yōu)良的水泥應(yīng)當是上述3個方面的綜合體現(xiàn),而不是由某一方面性能指標(例如強度)的高低來衡量的。因為制備高性能混凝土除了要求水泥強度以外,還取決于水泥對混凝土制備工藝的適應(yīng)性等因素。

  筆者根據(jù)國內(nèi)外資料和生產(chǎn)實踐經(jīng)驗對高性能水泥理化性能提出表1所列技術(shù)標準 (在本文中暫且稱做“標準”)。

  2 高性能水泥生產(chǎn)技術(shù)途徑
  按照我國目前的工藝條件和技術(shù)水平,不論是回轉(zhuǎn)窯廠還是立窯廠,生產(chǎn)高強度的水泥已經(jīng)不太困難,但是目前市場上達到高性能水泥技術(shù)標準的為數(shù)不多。根據(jù)筆者的生產(chǎn)實踐經(jīng)驗探討一些改善水泥性能的途徑。

  2.1 優(yōu)化熟料的礦物組成
  2.1.1 關(guān)于C3S
  一般認為C3S水化快,在水化過程中產(chǎn)生層狀和凝膠狀Ca(OH)2,對水泥水化初始形成的纖維狀和片狀骨架空隙起填充密實作用。它是強度骨干,而且耐磨性好,干縮性小。但從3d到28d,水泥抗折強度的增進率隨C3S含量的增加而減小,而抗壓強度的增進率卻明顯增大,這就說明水泥石的脆性增大,抗裂性變差。此外,C3S的水化放熱量及放熱速率都較大,僅次于C3A
,這對大體積混凝土的施工是不利的。

  2.1.2關(guān)于C2S
  C2S水化速度特別慢,約為C3S的1/20。C2S的最大優(yōu)點是水化熱低,抗水性好,后期強度高,在1年之后可趕上C3S。此外,C2S的干縮性最小,水化28d后的收縮值約為C3S的1/4。也有人認為C2S在水化早期對水泥石抗折強度的貢獻大于抗壓強度,它是低需水性水泥的主要礦物。

  2.1.3 關(guān)于C3A
  C3A在水泥石4種礦物中水化、凝結(jié)速度最快,是水泥石產(chǎn)生早強的主要礦物。但是,C3A強度絕對值不高,而且后期產(chǎn)生倒縮現(xiàn)象,C3A水化放熱量大且集中,水化后通過層間水的蒸發(fā)以及形成的水化產(chǎn)物在轉(zhuǎn)型過程中體積縮小而產(chǎn)生較大的收縮。此外,C3A水化需水量較大,對水泥拌和物的流動性不利;C3A含量高,水泥石的抗硫酸鹽侵蝕性能差。

  2.1.4 關(guān)于C4AF
  長久以來認為C4AF主要是耐磨性好。據(jù)南京化工大學的試驗數(shù)據(jù),水泥中每增加1%C4AF,磨損系數(shù)減小0.014%~0.033,是每增加1%C4AF, 磨損系數(shù)降低值的7~17倍。由此應(yīng)當肯定C4AF在水泥石耐磨性上所起的作用遠較C3S
顯著。此外,C4AF與C3A相比,不僅有較高的早期強度,而且后期強度還能有所增長,C4AF對抗折強度的貢獻遠大于抗壓強度,即脆性系數(shù)特別低。C4AF的另一個重要作用是生成凝膠狀鐵酸鹽,使水泥石具有較大的變形能力,見表2。但是C4AF過高,對熟料的煅燒和水泥粉磨都會造成很大的困難。

  2.1.5 水泥熟料礦物組成的控制
  綜上所述,高性能水泥熟料應(yīng)有足夠的硅酸鹽礦物含量,而熔劑礦物C3A和C4AF的總量不宜過高。一般地,要求C3S與C2S的合量在75%以上,C3A與C4AF的合量在20%左右,對應(yīng)的硅酸率在2.0~2.5之間。除大體積混凝土工程外,一般混凝土工程要求水泥有較高的早期強度, 因此硅酸鹽礦物中C3S的含量應(yīng)盡可能高一些,早強型硅酸鹽水泥熟料中C3S質(zhì)量分數(shù)都在55%以上,高的達65%; 這就要求配料方案中的石灰飽和系數(shù)適當高一些,以在0.92~0.96范圍為宜。熔劑礦物中C3A含量高對水泥早期強度也是有利的,但過高會導致水泥早期水化熱過高而引起混凝土產(chǎn)生熱應(yīng)力開裂和降低抗硫酸鹽侵蝕性能等弊端。一般C3A在熟料中其質(zhì)量分數(shù)控制在8%~9%,最多不超過10%,相應(yīng)的IM為1.4~2.0,立窯取低值,回轉(zhuǎn)窯取高值。

  2.2 選擇合理的粉磨工藝
  水泥的細度和顆粒組成在很大程度上決定著水泥的性能。已有的資料表明,水泥的細粉含量和顆粒級配主要影響混凝土漿的和易性、需水量、硬化混凝土的早期強度、強度增進率、密實性、易開裂性和耐久性。細粉能提高早期強度、密實性及砂漿流動性,但對干縮裂紋不利;顆粒分布過窄需水量高,對和易性不利。任何一個特定的顆粒組成均可用RRB粒度分布曲線中的特征粒徑xO和均勻性系數(shù)n來表述,xO值決定細粉含量,n值決定顆粒分布寬度。一般要求n值≯1.0,xO值根據(jù)工程需要決定。那么在實際生產(chǎn)中如何控制水泥顆粒組成和提高細粉的含量呢?目前看,主要有以下2種途徑。

  2.2.1 改進粉磨設(shè)備和工藝
  (1) 對于帶高效轉(zhuǎn)子式選粉機的單臺球磨機系統(tǒng),由于過粉磨現(xiàn)象輕微,因此成品顆粒組成比較集中,應(yīng)在磨機研磨體級配時盡可能將研磨體規(guī)格細小化以便增加出磨水泥中細粉含量,同時在操作上采取增大風量和降低轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。也可以用1臺小型開流球磨機粉磨閉路磨系統(tǒng)中的部分回粉,然后與之混合,以增加成品中細粉含量和拓寬顆粒分布范圍。

  (2) 對于單臺開流長磨,可以改造為篩分磨。即在磨內(nèi)適當位置裝設(shè)篩分隔倉板、使用微型研磨體、料位調(diào)節(jié)裝置、活化襯板和磨尾料段分離裝置,實現(xiàn)對水泥的高細粉磨。

   (3) 采用二級粉磨系統(tǒng)。第一級可用大直徑的球磨,也可用立式磨或輥壓機;第二級用開流長磨。第二級磨的研磨體規(guī)格應(yīng)細小化,并且在細磨倉中加入部分直徑為20mm~30mm的鋼球,這樣有利于提高成品中細粉含量,并使水泥顆粒球形化,降低需水量。

  2.2.2 根據(jù)物料易磨性選擇合適的粉磨方式
  根據(jù)組成水泥的3種組分(指熟料、混合材、石膏)易磨性的區(qū)別,采取分別粉磨或混合粉磨的方式來改善水泥的顆粒組成,并充分發(fā)揮每種組分的潛在水硬活性?;旌戏勰サ膬?yōu)點是工藝流程簡單,但它不可能控制各種組分的粒度。根據(jù)華南理工大學的研究,在混合粉磨過程中由于各組分易磨性的差異導致組分之間相互作用。一種組分可能對另一種組分的粉磨起促進或阻礙作用,其結(jié)果是不可避免地發(fā)生選擇性磨細現(xiàn)象,使粉磨產(chǎn)物的細顆粒和粗顆粒都增加,粒度分布變寬,均勻系數(shù)n值降低。如何恰當?shù)乩眠@種作用來改善整體粉磨過程,可從以下幾個方面考慮。

  (1) 以石灰石和火山灰質(zhì)材料如煤渣、粉煤灰等作混合材時,宜采用混合粉磨方式。這時易磨性較好的石灰石或火山灰質(zhì)材料在熟料的促磨作用下,其粒度要比熟料細得多。磨細的火山灰質(zhì)材料或石灰石在硬化的混凝土中起填充作用,從而改善混凝土的密實性。同時火山灰質(zhì)材料通過磨細提高了活性,參與并促進水泥水化與硬化。相反地,易磨性較好的石灰石或火山灰質(zhì)材料對熟料粉磨有一定的阻礙作用,使熟料粒度變粗,因此在實際生產(chǎn)中,摻有石灰石或火山灰質(zhì)混合材的水泥在混合粉磨時應(yīng)比不摻時磨得更細一些,并輔以篩余值控制生產(chǎn),否則將使熟料活性不能得到充分發(fā)揮。

  (2) 以?;郀t礦渣作混合材時,采用分別粉磨方式能更好地改善水泥的性能。因為礦渣比熟料難磨,如果2組分混合粉磨,往往使礦渣顆粒變粗,而浪費了材料的水硬性潛力。由于互相制約,也達不到各組分顆粒的合理匹配。若把礦渣與熟料分別粉磨,可以把礦渣粉磨得比熟料細一些,從而使其填充于水泥顆粒之間,達到提高混合材摻量和水泥強度的目的。不僅如此,還能改善水泥拌和物的流動性,起到礦物減水作用。

  (3) 石膏作為水泥的第3組分,不僅對水泥起調(diào)凝作用,而且還對水泥強度特別是早期強度起重要作用。有資料表明,外摻一些細磨好的半水石膏或無水石膏可以調(diào)節(jié)水泥拌和物的和易性,減少用水量,同時又可減少單硫型水化硫鋁酸鈣的形成機會,避免單硫型水化硫鋁酸鹽向三硫型水化硫鋁酸鹽轉(zhuǎn)化而發(fā)生體積膨脹。

  2.3 采用非熟料的其他組分對水泥進行改性
  常規(guī)方法生產(chǎn)的硅酸鹽水泥很難同時滿足高性能水泥在工作性、強度、耐久性三方面的要求,即使采用新的粉磨技術(shù)將水泥磨得很細,滿足了強度密實性和砂漿流動性要求,但對干縮性和水化熱卻非常不利。用混合材(又稱第2組分),配合外加劑(又稱第4組分)往往能使水泥性能達到比較理想的狀態(tài)。

  水泥熟料雖然具有很高的水化活性,但其成本性效應(yīng),例如,在水泥中摻磨細的礦渣和粉煤灰,由于粉煤灰具有球形粒子的外形特征,它與超細礦渣一起在水泥拌和物中起“潤滑”作用,從而改善水泥拌和物的流動性,降低需水量。由于粉煤灰和礦渣的摻入取代了部分水泥熟料,降低了膠凝材料的水化熱,提高了水泥混凝土的尺寸穩(wěn)定性。此外,磨細粉煤灰和礦渣微細粉還起微集料作用,提高了水泥石的密實度。輔助膠凝材料的活性效應(yīng)是在物理作用和化學作用下實現(xiàn)的。所謂物理作用,就是將輔助膠凝材料充分磨細,使其活性成分在水泥水化系統(tǒng)內(nèi)的溶解量和溶解速度提高,從而生成新的水化產(chǎn)物;所謂化學作用,是指沒有溶解的活性組分 (通常為玻璃體和結(jié)晶體結(jié)構(gòu))在水泥水化相中堿的作用下,結(jié)構(gòu)解體,產(chǎn)生等離子和離子團,它們進入溶液形成新的水化產(chǎn)物。但是,隨著輔助膠凝材料的摻量增加,熟料含量減少,水化生成的Ca(OH)2相應(yīng)減少,水化溶液中的堿度降低,則難以分解玻璃體網(wǎng)絡(luò),輔助膠凝材料的活性得不到充分發(fā)揮,這時可在水泥中引入化學外加劑來解決?;瘜W外加劑分為2類,一類是無機堿性物質(zhì),它仍然是依靠提高溶液的堿濃度來破壞玻璃體結(jié)構(gòu),但這類外加劑加入后,水泥中總體堿含量提高將可能導致水泥混凝土中堿集料反應(yīng)而影響混凝土的耐久性。因此,國家標準限制在水泥中使用此類化學外加劑。另一類是有機化合物,它除了能分解玻璃體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),激發(fā)混合材的潛在活性外,還兼有助磨和減水等功效。目前已有部分產(chǎn)品得到應(yīng)用。

  3 結(jié)論
  (1) 水泥對混凝土而言只是一種半成品,符合標準的水泥也會出現(xiàn)水泥的物理性能與用其配制的混凝土的建筑性能不一致的現(xiàn)象。因此,評價某種水泥質(zhì)量的優(yōu)劣,應(yīng)當是在符合國家標準的前提下,考核其滿足建筑工程所需要的各種技術(shù)要求的能力。
  (2) 水泥對混凝土的適應(yīng)性可以從水泥熟料的礦物組成、水泥的粉磨工藝和摻加非熟料的其他組分材料來改善。

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