楊 志

提高水泥質(zhì)量改善水泥與外加劑相容性

Improve the Compatibility between Cement and Additives and Cement Quality

楊 志

簡(jiǎn)述了水泥礦物成分、混合材品種和摻入量、含堿量、水泥溫度及儲(chǔ)存時(shí)間、水泥顆粒形狀及配級(jí)、石膏形態(tài)及摻量對(duì)水泥與外加劑適應(yīng)性的影響，提高水泥與外加劑相容性，水泥配料上應(yīng)控制A1203、C3S含量在適當(dāng)范圍，使用天然二水石膏作為水泥調(diào)凝劑，復(fù)摻混合材（礦渣、粉煤灰、石灰石等優(yōu)質(zhì)混合材），降低水泥中可溶堿的含量，降低出窯熟料及出廠水泥溫度，控制水泥顆粒分布及顆粒形狀。

相容性；礦物成分；混合材品種和摻入量；含堿量；水泥溫度及儲(chǔ)存時(shí)間；水泥顆粒形狀及級(jí)配

預(yù)拌混凝土是現(xiàn)代建筑工程結(jié)構(gòu)最重要的材料之一，外加劑在混凝土中的運(yùn)用極大提升了預(yù)拌混凝土性能，然而有時(shí)水泥與外加劑會(huì)存在不相適應(yīng)性，從而導(dǎo)致混凝土流動(dòng)性差，坍落度經(jīng)時(shí)損失大，有時(shí)甚至在運(yùn)輸途中發(fā)生凝固，影響了混凝土的施工性能。預(yù)拌混凝土質(zhì)量受到材料質(zhì)量、計(jì)量、配合比等諸多因素的影響，水泥作為主要的膠凝材料，其品質(zhì)指標(biāo)對(duì)混凝土的性能有重要影響。本文著重探討水泥礦物成分、混合材品種和摻入量、含堿量、水泥溫度及儲(chǔ)存時(shí)間、水泥顆粒形狀及配級(jí)、石膏形態(tài)及摻量等對(duì)水泥與外加劑適應(yīng)性的影響。

1 水泥礦物成分影響

水泥礦物成分主要是C3A、C3S、C2S、C4AF，這幾種成分的化學(xué)反應(yīng)速度為 C3A＞C3S＞C2S＞C4AF，而且 C3A和C3S對(duì)外加劑的吸附速度也最快，這兩項(xiàng)是影響水泥對(duì)外加劑相容性的主要因素，C3A、C3S含量高的水泥，其標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量上升，當(dāng)C3A含量上升1%，水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量也增加1%，而混凝土用水量相應(yīng)提高6～7kg/m3。一般當(dāng)C3A含量在4%～7%，C3S含量在50%～55%之間時(shí)，用二水石膏配制的水泥，對(duì)各種外加劑的相容性一般都較好。反之若水泥中C3A含量高，而調(diào)凝劑石膏用量仍按常規(guī)3%～5%時(shí)，無(wú)論是普通減水劑還是萘系高效減水劑，乃至當(dāng)今最好的聚酸系高效減水劑，都會(huì)出現(xiàn)水泥與外加劑不相容的情況。

水泥企業(yè)在配料方案上，應(yīng)避免為了提高早期強(qiáng)度提高鋁氧率，要適當(dāng)降低Al2O3含量，同時(shí)從根本上保持配煤的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，保持穩(wěn)定的燒成溫度，加強(qiáng)煅燒操作，要讓物料在燒成帶停留足夠時(shí)間，物料反應(yīng)充分，促進(jìn)礦物晶體發(fā)育完整，減少熟料中C3A的形成。

2 水泥中石膏形態(tài)及摻量對(duì)減水劑的影響

一般水泥生產(chǎn)過(guò)程中需加入3%～5%的天然二水石膏CaSO4·2H2O作為調(diào)凝劑，但有些水泥廠為了降低成本,采用無(wú)水石膏(即硬石膏CaSO4)或者二水石膏和無(wú)水石膏的混合物。半水石膏、二水石膏、無(wú)水石膏中，無(wú)水石膏與減水劑相容性最差，這是因?yàn)榘胨嗍紫纫拇罅克兂啥?，?huì)使混凝土變干，而無(wú)水石膏在水中先轉(zhuǎn)化為半水石膏，同時(shí)無(wú)水石膏溶解速率又低于二水石膏，因此當(dāng)外加劑中含木鈣、糖蜜等物質(zhì)時(shí)，無(wú)水石膏的溶解速率會(huì)大大降低，水泥中的C3A不能充分與CaSO4水化成鈣礬石，而直接與水反應(yīng)生成鋁酸鈣，從而引起速凝或假凝。

石膏摻量對(duì)減水劑影響很大，在C3A偏高的水泥中，石膏摻量少，則不能滿足C3A生成膠狀鈣礬石，導(dǎo)致C3A對(duì)減少劑吸附量增加，使混凝土工作性能變差。石膏研磨細(xì)度不夠，也會(huì)影響石膏的溶解特性，即使運(yùn)用二水石膏也會(huì)產(chǎn)生速凝現(xiàn)象。

3 混合材的品種和摻入量

從表1可知，水泥中摻入礦渣粉、粉煤灰、石灰石等混合材有利于改善漿體流動(dòng)性能，而雙摻效果較單摻好，混合材對(duì)水泥漿流動(dòng)性改善，是因?yàn)榛旌喜那驙铑w粒，在水泥漿中起到了滾動(dòng)軸承的作用形態(tài)，及混合材中的細(xì)粉料顆料補(bǔ)充水泥漿或混凝土中粉料數(shù)量不足的微集料效應(yīng)。

水淬高爐礦渣是一種玻璃材料，無(wú)空洞，不吸收水分，自身的需水量少于硅酸鹽水泥，對(duì)不同品種的減水劑，均有一定的輔助減水率，可顯著改善水泥與外加劑之間的相容性，但摻礦渣過(guò)多時(shí)易產(chǎn)生泌水，摻量＞50%時(shí)混凝土粘聚性太高，可泵性下降，甚至?xí)卤?；?yōu)質(zhì)粉煤灰（含碳量＜5%）含有85%表面光滑的鋁硅酸鹽玻璃微珠及海綿狀多孔玻璃體，特別是當(dāng)實(shí)心微珠含量多時(shí)可明顯減少混凝土的需水量，另外粉煤灰具有一定的緩凝作用，可避免過(guò)早地形成骨架結(jié)構(gòu)，有利于漿體流動(dòng)性的改善；用適量的磨細(xì)石灰石粉作混合材，和易性好，需水量少，離析水量少，且能促進(jìn)熟料中C3S水化，與含鋁礦物反應(yīng)生成碳鋁酸鈣，改善水泥石結(jié)構(gòu)。

水泥廠要注意對(duì)混合材活性和質(zhì)量的檢測(cè)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果合理搭配使用，建議在水泥生產(chǎn)中復(fù)摻混合材，兩種混合材料同時(shí)摻入適當(dāng)混磨，礦渣粗孔被粉煤灰微玻璃珠填充，充分發(fā)揮了微集料級(jí)配效應(yīng)，二者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高了水泥漿或混凝土密實(shí)度，有利于提高水泥強(qiáng)度。

4 水泥中含堿量

水泥K2O、Na2O含量高會(huì)消耗石膏，加速鋁酸鹽的溶出，水泥顆粒對(duì)外加劑的吸附量增大，導(dǎo)致水泥發(fā)生快凝、結(jié)塊及需水量增加，同時(shí)堿能和活性骨料發(fā)生堿骨料反應(yīng)，產(chǎn)生底部膨脹，引起構(gòu)筑物開(kāi)裂變形，甚至崩潰；原料中的堿含量高，由于K2O、Na2O堿性比CaO強(qiáng)，煅燒時(shí)能取代CaO與C3A、C2S反應(yīng)，生成KC23S12和NaC8A3，使熟料fCaO增加。

表1 石膏形態(tài)對(duì)水泥凈漿流動(dòng)度（mm）的影響

表2 不同混合材水泥凈漿流動(dòng)度對(duì)比

水泥中的堿主要由硅鋁質(zhì)原料引入，因此水泥廠一定要嚴(yán)格控制硅鋁質(zhì)堿含量≤4.0%，水泥中可溶堿的含量0.4%～0.6%時(shí)為最佳。同時(shí)為了盡量提高堿的揮發(fā)率，要提高煅燒溫度，延長(zhǎng)煅燒時(shí)間，降低生料細(xì)度，以及在生料中加入有利于煅燒和促使堿揮發(fā)的氟化物。

5 水泥溫度及存放時(shí)間

熟料冷卻效果差，會(huì)造成C3A、C4AF大量析晶，磨制的水泥與外加劑相容性差；入磨熟料若溫度過(guò)高，超過(guò)135℃時(shí)二水石膏會(huì)變成半水石膏，若超過(guò)160℃，半水石膏還會(huì)變成硬石膏，影響預(yù)拌混凝土的流動(dòng)性，甚至出現(xiàn)假凝；新鮮水泥的顆粒間吸附、凝聚的能力越強(qiáng)，與外加劑適應(yīng)性越差，80～90℃就出廠的水泥，干燥度高，早期水化速度變快，需水量大，對(duì)外加劑的吸附量也增大，導(dǎo)致混凝土坍落度損失大、凝結(jié)時(shí)間縮短等異?，F(xiàn)象。

水泥廠對(duì)水泥溫度的控制，應(yīng)從熟料冷卻開(kāi)始，熟料應(yīng)在較高溫度范圍(1200～1450℃)內(nèi)快速冷卻，控制出窯熟料溫度≤100℃，出窯熟料要按質(zhì)分別存放、搭配入磨，不得直接入磨，應(yīng)貯存一定時(shí)間，以控制入磨熟料溫度≤80℃。

水泥廠可根據(jù)選粉機(jī)工藝和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，安裝相應(yīng)冷卻設(shè)備對(duì)水泥成品進(jìn)行降溫，同時(shí)加強(qiáng)磨內(nèi)通風(fēng)，必要時(shí)可采取入磨前淋水或磨內(nèi)噴水，也可以用一些含有適量水分的濕粉煤灰或濕礦渣作混合材，其帶入的水分在粉磨過(guò)程中吸收熱量而蒸發(fā)，能起到磨內(nèi)噴水的作用，有利于降低出磨水泥的溫度。由于新鮮水泥在生產(chǎn)后12d內(nèi)對(duì)外加劑吸附量較大，水泥廠應(yīng)有足夠的水泥庫(kù)容，入庫(kù)水泥時(shí)間應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)，使水泥出廠前能得到充分降溫。

6 水泥粉磨細(xì)度（比表面積）及顆粒級(jí)配和顆粒形狀

水泥標(biāo)準(zhǔn)中的細(xì)度指標(biāo)對(duì)預(yù)拌混凝土配制用水泥并不具有重要意義，不宜盲目提高水泥的比表面積來(lái)提高水泥強(qiáng)度。因?yàn)橄嗤暮Y余或比表面積平均粒徑及粒度分布可能不同，而且水泥比表面積增大，標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量越大，對(duì)外加劑吸附量大，目前制備混凝土?xí)r，都摻了超細(xì)微粉（礦渣微粉、1～2級(jí)粉煤灰），也起到了調(diào)節(jié)混凝土中膠凝材料顆粒級(jí)配的作用。

不同粒度分布對(duì)水泥質(zhì)量影響很大，0～10μm的顆粒在7d以前起主要作用，10～30μm的顆粒在7d～3個(gè)月期間起主要作用，30～60μm的顆粒在28d以后起一定作用，大于60μm的顆粒主要起穩(wěn)定體積的作用。0～10μm熟料顆粒含量越大，水泥的比表面積、標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量、石膏摻入量、水化熱越大。因此既節(jié)能又有較好強(qiáng)度和耐久性的水泥最佳顆粒組成應(yīng)該是0～10μm的顆粒占30%，10～30μm 的顆粒占 40%，30～60μm的顆粒占25%，大于60μm的顆粒占5%左右，比表面積大致是280～350m2/kg。

水泥應(yīng)具有連續(xù)的顆粒分布級(jí)配，使水泥粉體達(dá)到最佳堆積密度。水泥顆粒分布窄，顆粒堆積的空隙率大，水泥標(biāo)準(zhǔn)用水量大，凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，早期強(qiáng)度低，與外加劑相容性差，水泥企業(yè)應(yīng)選用高效選粉機(jī)，其優(yōu)越的分級(jí)性能可改善水泥顆粒組成，使顆粒分布較集中，同時(shí)配置顆粒分析儀，定期做水泥顆粒級(jí)配的檢測(cè)，進(jìn)行對(duì)比、研究，找出合理的質(zhì)量控制指標(biāo)。

水泥顆粒的球形度越大，顆粒間的摩擦越小，與外加劑的適應(yīng)性越好，因?yàn)榍蛐晤w粒產(chǎn)生“滾珠效應(yīng)”，使混凝土的流動(dòng)性提高。水泥用球磨機(jī)進(jìn)行粉磨，同時(shí)細(xì)磨倉(cāng)最好用小鋼球作研磨體，因?yàn)檩亯簷C(jī)作粉磨時(shí)，水泥顆粒形狀復(fù)雜，需水量偏高；鋼段做研磨體，粉磨時(shí)物料和研磨體間線接觸較明顯，粉磨出來(lái)的水泥顆粒呈條狀、柱狀、針狀的較多；小鋼球粉磨時(shí)物料和研磨體間的點(diǎn)接觸較為明顯，粉磨出來(lái)的水泥顆粒呈球形或橢球形的較多。

7 結(jié)語(yǔ)

水泥企業(yè)應(yīng)從預(yù)拌混凝土的工作性能與耐久性入手，多方面提高水泥質(zhì)量，以提高水泥與外加劑的適應(yīng)性。

（1）一般水泥中C3A含量在4%～7%，C3S含量在50%～55%之間時(shí)，對(duì)外加劑的相容性較好。

（2）盡量使用天然二水石膏作為水泥調(diào)凝劑，應(yīng)根據(jù)水泥的流變性能變化來(lái)優(yōu)化外加石膏量。

（3）在水泥生產(chǎn)中最好復(fù)摻礦渣、粉煤灰、石灰石等優(yōu)質(zhì)混合材，實(shí)現(xiàn)二者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

（4）水泥中可溶堿的含量0.4%～0.6%時(shí)為最佳，水泥廠要嚴(yán)格控制硅鋁質(zhì)原料堿含量R2O≤4.0%，提高煅燒溫度，延長(zhǎng)煅燒時(shí)間，降低生料細(xì)度，以及在生料中加入氟化物以提高堿的揮發(fā)率。

（5）出窯熟料應(yīng)快速冷卻，控制出窯熟料及入磨熟料溫度；加強(qiáng)磨內(nèi)通風(fēng)，或入磨前淋水或磨內(nèi)噴水或用濕粉煤灰或濕礦渣作混合材降溫，入庫(kù)水泥時(shí)間應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)或安裝相應(yīng)冷卻設(shè)備對(duì)水泥成品進(jìn)行降溫。

（6）水泥的比表面積應(yīng)控制在280～350m2/kg比較合適；水泥應(yīng)具有連續(xù)的顆粒分布級(jí)配；粉磨設(shè)施最好用球磨機(jī)，細(xì)磨倉(cāng)最好用小鋼球作研磨體。

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