李文宇

（山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 山西 太原 030000）

0 引言

眾所周知，石膏是水泥生產(chǎn)的必要組分之一，在水泥中主要起調(diào)節(jié)凝結(jié)時(shí)間的作用，也就是做緩凝劑使用。在GB175《通用硅酸鹽水泥》技術(shù)要求7.1 條款中明確要求：“普通硅酸鹽水泥、復(fù)合硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥三氧化硫（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）≤3.5%?！边@就意味著在水泥的質(zhì)量控制中三氧化硫可以在0～3.5%區(qū)間內(nèi)自由調(diào)節(jié)，那么，如何科學(xué)的確定水泥三氧化硫控制的目標(biāo)值，就成為了眾多職業(yè)學(xué)院水泥實(shí)驗(yàn)室優(yōu)化配料的重要的研究課題之一。同時(shí)如何正確，嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的選用石膏更是重中之重。

1 石膏的調(diào)凝機(jī)理和作用

眾多的理論學(xué)術(shù)研究表明；在水泥熟料的四種礦物組成中鋁酸三鈣的水化速度最快。為了保證水泥具有良好的施工性能（凝結(jié)時(shí)間適宜），就需要通過添加一種緩凝劑來消減和抑制鋁酸三鈣水化快帶來的弊端。石膏就是利用其主要成分硫酸鈣與鋁酸三鈣快速溶減并反應(yīng)生成鈣礬石，包裹在鋁酸三鈣的表面進(jìn)而抑制其進(jìn)一步水化，從而延長水化過程，保證水泥具有適宜的凝結(jié)時(shí)間。

因此，眾多的實(shí)驗(yàn)室主要是根據(jù)水泥凝結(jié)時(shí)間的長短來確定三氧化硫的控制目標(biāo)值。而往往忽略了三氧化硫在水泥中的一些其它隱形的一些其它作用。經(jīng)筆者多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，三氧化硫在水泥中的主要作用有以下三個(gè)方面，愿與廣大水泥同行探討并商酌。

1 調(diào)節(jié)水泥凝結(jié)時(shí)間，保證水泥的工作性能；

2 提高水泥的機(jī)械強(qiáng)度；

3 改善水泥的性能，如和易性（流動性、保水性、粘聚性）、抗侵蝕性等，提高與外加劑的適應(yīng)性。

2 三氧化硫調(diào)整的依據(jù)

筆者認(rèn)為，水泥三氧化硫的調(diào)整除凝結(jié)時(shí)間外應(yīng)同步考慮以下諸多因素：如熟料中鋁酸三鈣的含量；熟料堿含量；水泥的細(xì)度；混合材的摻加量與種類等。一般情況下，水泥的細(xì)度控制越細(xì)，熟料中鋁酸三鈣含量越高、堿含量越高時(shí)水泥的三氧化硫控制值相應(yīng)提高。反之，隨著混合材摻加量的增大，石膏摻量應(yīng)適當(dāng)減小。具體在綜合考慮上述因素外，三氧化硫的控制值應(yīng)通過多組正交試驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)，建立石膏摻加量曲線，并組織大磨工業(yè)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，逐步微調(diào)，以達(dá)到最佳的控制指標(biāo)。

3 石膏曲線調(diào)整試驗(yàn)

具體以某水泥廠三氧化硫控制指標(biāo)及其配料優(yōu)化的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行說明。其水泥生產(chǎn)主要原料為熟料（C3A＜8.0%）、石膏、粉煤灰、煤矸石、燃煤爐渣、95 礦渣粉外摻。

表1：P.F32.5R 水泥 組分配比 % 編號 熟料 石膏 燃煤爐渣 粉煤灰 煤矸石 總和 1 60.0 3.0 7.0 15.0 15.0 100.0 2 60.0 3.5 7.0 14.5 15.0 100.0 3 60.0 4.0 7.0 14.0 15.0 100.0 4 60.0 4.5 7.0 13.5 15.0 100.0 5 60.0 5.0 7.0 13.0 15.0 100.0 6 60.0 5.5 7.0 12.5 15.0 100.0 備注 出磨水泥細(xì)度控制0.08mm 篩余2.0%，外摻10%的礦粉混合入庫

表2：P.F32.5R 水泥數(shù)據(jù)表 編號 SO3 需水量 % 初凝 min 終凝 min 3d 抗折 MPa 3d 抗壓MPa 28d抗折MPa 28d 抗折 MPa 1 1.85 28.0 170 240 3.9 17.4 8.5 43.3 2 1.98 28.0 172 244 3.7 17.3 8.2 40.1 3 2.10 28.0 178 248 3.8 17.1 8.3 40.9 4 2.39 28.4 173 246 3.6 15.8 8.1 39.1 5 2.49 28.4 171 250 3.4 15.7 7.2 38.5 6 2.60 28.2 174 251 3.5 15.2 7.2 38.2

從上表1～2 可以看出：隨著石膏摻加量的增加，水泥三氧化硫含量遞增1.8→2.6%，但水泥的凝結(jié)時(shí)間相對變化不大（初凝170min、終凝240min）.當(dāng)三氧化硫含量大于2.0%時(shí)水泥強(qiáng)度下降顯著。以此建立石膏曲線，確定三氧化硫最佳控制值應(yīng)為1.9±0.1%為宜。

表3：P.O42.5 水泥配比設(shè)計(jì) 編號 SO3 % 需水量% 初凝min 終凝min 3d 抗折 MPa 3d抗壓MPa 28d 抗折MPa 28d 抗折MPa

1 1.92 26.6 128 198 4.9 22.1 9.0 47.7 2 2.19 26.2 122 188 5.9 22.2 9.1 47.7 3 2.32 26.4 120 194 5.0 22.4 9.8 47.3 4 2.33 26.6 117 187 5.1 22.5 10.2 48.0 5 2.59 26.4 121 196 5.1 22.9 10.1 48.1 6 2.61 26.2 118 190 5.1 23.1 10.2 48.0 7 2.79 26.0 118 184 4.7 23.2 8.6 48.2

表4：P.O42.5 水泥數(shù)據(jù)表 組分配比 % 編號 熟料 脫硫石膏 燃煤爐渣 粉煤灰 煤矸石 總和 1 82.0 3.5 6.0 0 8.5 100.0 2 82.0 4.0 6.0 0 8.0 100.0 3 82.0 4.5 6.0 0 7.5 100.0 4 82.0 5.0 6.0 0 7.0 100.0 5 82.0 5.5 6.0 0 6.5 100.0 6 82.0 6.0 6.0 0 6.0 100.0 備注 出磨水泥細(xì)度控制0.08mm 篩余1.5%，外摻15%的礦粉混合入庫

從上表3～4 可以看出：隨著石膏摻加量的增加，水泥三氧化硫含量遞增1.9→2.8%，但水泥的凝結(jié)時(shí)間相對變化不大（初凝125min、終凝189min）.當(dāng)三氧化硫含量大于2.3%時(shí)水泥強(qiáng)度呈正比例增長趨勢。同時(shí)，水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量相對下降。以此建立石膏曲線，確定三氧化硫的最佳控制值應(yīng)為2.7±0.1%為宜。

但這僅僅是實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，僅僅是一個(gè)通過實(shí)驗(yàn)得出的一個(gè)水泥三氧化硫的控制目標(biāo)值。具體在水泥實(shí)際生產(chǎn)中各種情況千變?nèi)f化，錯(cuò)綜復(fù)雜。仍需嚴(yán)格水泥各工序控制環(huán)節(jié)，力求控制精準(zhǔn)，水泥質(zhì)量穩(wěn)定，性能優(yōu)良。筆者曾分析過多起因水泥凝結(jié)時(shí)間異常而引發(fā)的水泥質(zhì)量事故。但仔細(xì)推敲，其原因又各不相同。具體分為以下幾種情況：

1）2018年山西某水泥公司因生產(chǎn)的P.O42.5 水泥在混凝土攪拌過程中發(fā)生緩凝現(xiàn)象，導(dǎo)致混凝土在施工過程中無法正常施工，拆模時(shí)間大大延長。施工工期延長，減水劑增加，施工損失很大。對此我們對施工現(xiàn)場及生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行過調(diào)研分析。

首先，我們對施工現(xiàn)場的水泥進(jìn)行了多點(diǎn)抽樣，同時(shí)對水泥企業(yè)的封存試樣進(jìn)行了對比檢驗(yàn)驗(yàn)證。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看：施工方水泥樣品三氧化硫?yàn)?.95%；而水泥生產(chǎn)企業(yè)封存樣品的檢驗(yàn)結(jié)果為2.08%。由此可見兩組數(shù)據(jù)符合不同實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)試驗(yàn)誤差范圍的標(biāo)準(zhǔn)要求（±0.20），而且該檢驗(yàn)結(jié)果也符合該企業(yè)既定的水泥三氧化硫目標(biāo)控制值2.0%。整體三氧化硫控制指標(biāo)科學(xué)合理（符合GB175《通用硅酸鹽水泥》技術(shù)要求7.1 條款中明確要求：“普通硅酸鹽水泥、復(fù)合硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥三氧化硫（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）≤3.5%?！钡募夹g(shù)要求）

這一方面說明樣品的代表性很好；另一方面也有效的排除了石膏摻加量異常、石膏計(jì)量秤運(yùn)行失控、計(jì)量失真等因素的干擾。也就是說水泥企業(yè)生產(chǎn)過程質(zhì)量控制的環(huán)節(jié)本身沒有問題。

其次：我們對該批次的水泥進(jìn)行了全部的物理檢驗(yàn)，具體檢驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果見表5。從數(shù)據(jù)可以看出：該批次的水泥實(shí)際凝結(jié)時(shí)間明顯延長。尤其是水泥的終凝時(shí)間長達(dá)10 小時(shí)。這就超出了國標(biāo)GB175《通用硅酸鹽水泥》技術(shù)要求：終凝時(shí)間不得大于10 小時(shí)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。這就也就意味著這批水泥屬于不合格水泥。

表5：P.O42.5 水泥（封存工地樣）數(shù)據(jù)表 編號 SO3 % 需水量% 初凝min 終凝min 3d 抗折 MPa 3d 抗壓MPa 28d 抗折MPa 28d 抗折MPa 封存 1.95 28.6 189 598 4.9 22.1 9.0 45.9 工地 2.08 28.2 195 615 5.9 23.2 9.1 46.7

從水泥生產(chǎn)企業(yè)獲悉：近期公司為了降本增效，同時(shí)也為了幫助地方企業(yè)消化積壓多年的工業(yè)廢渣，故而使用了氟石膏。但該石膏是一個(gè)批次進(jìn)廠，而且也嚴(yán)格按照質(zhì)量控制流程進(jìn)行了取樣檢驗(yàn)，其三氧化硫含量為39.6%；而且在生產(chǎn)前期的小磨試驗(yàn)和大磨工業(yè)試驗(yàn)均未發(fā)現(xiàn)水泥凝結(jié)時(shí)間異?，F(xiàn)象。故而這次“水泥終凝時(shí)間超標(biāo)”屬于突發(fā)意外事故。企業(yè)實(shí)驗(yàn)室及其質(zhì)量管理人員也沒有預(yù)見，事后經(jīng)過排查也未發(fā)現(xiàn)問題。待著百思不得其解的疑惑，我院校實(shí)驗(yàn)室水泥研究課題的老師們深入企業(yè)和現(xiàn)場進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研。

最后，我們發(fā)現(xiàn)該企業(yè)自生產(chǎn)以來一直未發(fā)生過此類事件，直到使用氟石膏。于是我們重點(diǎn)排查石膏對凝結(jié)時(shí)間的影響。

經(jīng)對方查證，我們一致認(rèn)為：由于氟石膏中的成分較為復(fù)雜，對水泥凝結(jié)時(shí)間的決定因素不單單是三氧化硫，而且含有一些諸如氟離子等對水泥的凝結(jié)時(shí)間會產(chǎn)生很大的影響。據(jù)資料顯示：在水泥水化過程中由于氫氧化鈣與氟離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成難溶性的氟鹽附著在水泥水化層的表面，導(dǎo)致水泥內(nèi)部顆粒無法繼續(xù)水化，因而使水泥的凝結(jié)時(shí)間延長。

于是我們對該批次水泥進(jìn)行了氟離子檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其含量到達(dá)1.5%。這就進(jìn)而驗(yàn)證了我們的推理。

由此可見：工業(yè)石膏中的微量組分和雜質(zhì)離子存在一些不確定性（時(shí)高時(shí)低，時(shí)有時(shí)無），故我們在使用過程中一定要嚴(yán)格對待，高度重視。石膏進(jìn)廠后必須進(jìn)行化學(xué)全分析檢驗(yàn)，根據(jù)總和的結(jié)果進(jìn)一步?jīng)Q定是否需要進(jìn)行微量組分的檢驗(yàn)。如化學(xué)分析各成分的總和偏低（一般小于99%）時(shí)就必須進(jìn)行微量組分檢驗(yàn)，以便進(jìn)一步確認(rèn)其有害組分的含量，進(jìn)一步提出預(yù)防措施，避免出現(xiàn)類似的質(zhì)量事故和損失。

4 結(jié)論

通過采取以上多組正交試驗(yàn)，可以獲得科學(xué)的水泥三氧化硫控制目標(biāo)值，在保證水泥良好工作性能的基礎(chǔ)上獲得較高強(qiáng)度，有效的降低熟料用量，這對于企業(yè)節(jié)能降耗、提質(zhì)降本等意義重大。

同時(shí)通過一些水泥企業(yè)的案例進(jìn)行分析，可以舉一反三，提出一些預(yù)防性的措施。

因此，實(shí)驗(yàn)室應(yīng)該根據(jù)原料的變化通過大量的試驗(yàn)，積累數(shù)據(jù)，不斷的優(yōu)化水泥配料方案。不僅僅局限于原料的種類，更要關(guān)注其微量雜質(zhì)組分對質(zhì)量和性能的影響。