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高性能水泥生產途徑

  1 高性能水泥釋義
  隨著混凝土工程的大型化、工程環境的超復雜化以及應用領域的不斷擴大,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互相匹配和適應的,并且體現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;高耐久性主要表現為高抗滲性、高尺寸穩定性、高抗蝕性和高抗堿集料反應性等。

  一種性能優良的水泥應當是上述3個方面的綜合體現,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性等因素。

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

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

  2.1 優化熟料的礦物組成
  2.1.1 關于C3S
  一般認為C3S水化快,在水化過程中產生層狀和凝膠狀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關于C2S
  C2S水化速度特別慢,約為C3S的1/20。C2S的最大優點是水化熱低,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 關于C3A
  C3A在水泥石4種礦物中水化、凝結速度最快,是水泥石產生早強的主要礦物。但是,C3A強度絕對值不高,而且后期產生倒縮現象,C3A水化放熱量大且集中,水化后通過層間水的蒸發以及形成的水化產物在轉型過程中體積縮小而產生較大的收縮。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 關于C4AF
  長久以來認為C4AF主要是耐磨性好。據南京化工大學的試驗數據,水泥中每增加1%C4AF,磨損系數減小0.014%~0.033,是每增加1%C4AF, 磨損系數降低值的7~17倍。由此應當肯定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的含量應盡可能高一些,早強型硅酸鹽水泥熟料中C3S質量分數都在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生熱應力開裂和降低抗硫酸鹽侵蝕性能等弊端。一般C3A在熟料中其質量分數控制在8%~9%,最多不超過10%,相應的IM為1.4~2.0,立窯取低值,回轉窯取高值。

  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值根據工程需要決定。那么在實際生產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 改進粉磨設備和工藝
  (1) 對于帶高效轉子式選粉機的單臺球磨機系統,由于過粉磨現象輕微,因此成品顆粒組成比較集中,應在磨機研磨體級配時盡可能將研磨體規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子轉速。也可以用1臺小型開流球磨機粉磨閉路磨系統中的部分回粉,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。即在磨內適當位置裝設篩分隔倉板、使用微型研磨體、料位調節裝置、活化襯板和磨尾料段分離裝置,實現對水泥的高細粉磨。

   (3) 采用二級粉磨系統。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格應細小化,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 根據物料易磨性選擇合適的粉磨方式
  根據組成水泥的3種組分(指熟料、混合材、石膏)易磨性的區別,采取分別粉磨或混合粉磨的方式來改善水泥的顆粒組成,并充分發揮每種組分的潛在水硬活性。混合粉磨的優點是工藝流程簡單,但它不可能控制各種組分的粒度。根據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,其結果是不可避免地發生選擇性磨細現象,使粉磨產物的細顆粒和粗顆粒都增加,粒度分布變寬,均勻系數n值降低。如何恰當地利用這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,因此在實際生產中,摻有石灰石或火山灰質混合材的水泥在混合粉磨時應比不摻時磨得更細一些,并輔以篩余值控制生產,否則將使熟料活性不能得到充分發揮。

  (2) 以粒化高爐礦渣作混合材時,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節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化而發生體積膨脹。

  2.3 采用非熟料的其他組分對水泥進行改性
  常規方法生產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。

  水泥熟料雖然具有很高的水化活性,但其成本性效應,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是在物理作用和化學作用下實現的。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內的溶解量和溶解速度提高,從而生成新的水化產物;所謂化學作用,是指沒有溶解的活性組分 (通常為玻璃體和結晶體結構)在水泥水化相中堿的作用下,結構解體,產生等離子和離子團,它們進入溶液形成新的水化產物。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相應減少,水化溶液中的堿度降低,則難以分解玻璃體網絡,輔助膠凝材料的活性得不到充分發揮,這時可在水泥中引入化學外加劑來解決。化學外加劑分為2類,一類是無機堿性物質,它仍然是依靠提高溶液的堿濃度來破壞玻璃體結構,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絡結構,激發混合材的潛在活性外,還兼有助磨和減水等功效。目前已有部分產品得到應用。

  3 結論
  (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象。因此,評價某種水泥質量的優劣,應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要求的能力。
  (2) 水泥對混凝土的適應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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