摘要: 分析了新型干法水泥工藝生產中, 水泥與混凝土外加劑的適應性問題, 并從熟料礦物成分、堿含量、標準稠度用水量、水泥的新鮮程度和溫度、石膏品種形態及水泥細度等方面進行分析, 提出了降低新型干法窯C3A 含量及采用分別粉磨工藝改進水泥與外加劑適應性的措施。
關鍵詞: 新型干法窯熟料; 減水劑; 水泥; 適應性
中圖分類號: TQ172.789 文獻標識碼: B
文章編號: 1001- 6171( 2008) 01- 0070- 04
1 引言
進入上世紀90 年代, 隨著水泥工業技術的進步, 代表著水泥工業發展方向的新型干法水泥工藝, 因其具有自動化程度高、能耗低、單機臺時產量高、產品質量穩定、技術先進等特點,生產規模突飛猛進。為適應其高分解率、快速煅燒的要求, 國內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, 熟料中與外加劑適應性較緊密的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, 水泥水化速度較快, 熟料早期強度較高, 與傳統的濕法窯和立窯相比, 對外加劑的吸附性相對較強。特別是2003 年7 月1 日混凝土工程取消現場攪拌后, 在商品混凝土工程中, 新型干法窯水泥早期強度高, 凝結硬化快的優勢轉為劣勢, 混凝土坍落度損失大,水泥性能不能滿足混凝土工程質量的需求。
為更好地服務于實際工程, 本文將初步分析水泥特性對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性問題
從1935 年混凝土木質素磺酸鹽減水劑研制成功并開始推廣應用以來, 外加劑的成功應用給混凝土技術的發展帶來了一次革命, 外加劑的應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構。但是有一個實際問題卻一直嚴重影響著其應用效果, 即外加劑與水泥之間有時存在不適應現象。就目前來說, 高效減水劑的使用最普遍, 且當其與水泥產生不適應的時候能夠比較直觀快速地反應出( 如流動性差、減水率低、或拌合料板結發熱、流動性損失過快等現象) , 所以實際工程中反響最強烈的就是減水劑與水泥之間不適應的問題。特別是大流動度混凝土泵送施工中,混凝土從完成攪拌出廠到施工現場泵送澆注所需的時間,受運送距離、道路情況、交通阻滯、等候卸車等因素的影響, 約需1- 2小時, 在這段時間內, 混凝土的坍落度損失很大, 特別是在高溫季節, 其損失更為顯著, 難以從運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往往造成澆注困難, 這也是導致混凝土中產生“蜂窩”等缺陷的原因, 對混凝土結構的質量產生了嚴重的后患。
2.1 水泥礦物成分的影響
水泥的礦物成分因生產廠家在原材料的選擇、生產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的熟料C3A 含量平均達到8.0%以上, 有時高達9.0%以上, C4AF含量達到11.0% 左右, 有時高達12.5%, 兩者平均較濕法窯高出2.0%～3.0%。同時, 就是單一廠家的水泥熟料, 其礦物成分也會有波動。大量資料顯示, 通過對水泥熟料四大礦物成分C3S、C2S、C3A 和C4AF 對減水劑分子等溫吸附的研究證明, 其吸附程度的大小順序為: C3A>C4AF>C3S>C2S, 可見,鋁酸鹽相對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行試驗, 其凈漿流動度差值與熟料中的C3A含量的關系如圖1。
從圖1 中可以看出, 水泥凈漿流動度差值與熟料中的C3A 含量成反比關系。業已證明, 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 質量百分數表示。特別是中原地區, 因原材料中堿含量成分偏高,在預分解窯內堿的不斷循環和富集,引起熟料中堿含量相對較高, 水泥早期水化較快, 對外加劑的吸附性較強,導致混凝土的凝結時間縮短和坍落度損失增大。
2.3 水泥標準稠度用水量的影響
在用水泥制備凈漿、砂漿或者拌制混凝土時, 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, 水泥石的質量越高。為了使水泥凝結時間、體積安定性的測定具有可比性, 人為地規定水泥凈漿處于一種特定的可塑狀態, 稱為標準稠度,它是通過規定的儀器測定的, 而標準稠度用水量是指使水泥凈漿達到標準稠度時所需要的拌和水量, 以占水泥重量的百分數表示。水泥標準稠度用水量的高低對混凝土的性能影響很大。如果水泥的標準稠度用水量大, 為確保混凝土的施工性能而加大用水量, 則會降低混凝土強度, 增加混凝土干縮產生裂紋的可能性, 降低混凝土的抗滲性和耐久性。
新型干法窯生產工藝的特點, 決定了其生產的水泥早期強度較高, 水泥水化較快, 水泥標準稠度較大。同時, 標準稠度還與水泥粉磨方式(顆粒級配和形貌)、粉磨細度以及摻合料(主要是粉煤灰)品種品質有密切關系。
筆者繼續以某工程所用的JM- Ⅲ高效減水劑和新型干法窯生產的普通硅酸鹽42.5 水泥進行試驗, 其凈漿流動度差值與水泥標準稠度用水量的關系如圖2。
試驗結果表明, 水泥標準稠度與減水劑的塑化效果成反比關系, 標準稠度愈大, 塑化效果愈差。
2.4 水泥細度的影響
水泥顆粒對減水劑分子具有比較強的吸附性,在摻加減水劑的水泥漿體中,水泥顆粒越細, 意味著其比表面積越大, 則對減水劑分子的吸附量越大。
所以,減水劑在相同摻量情況下,對于細度較大的水泥, 其塑化效果要差一些。在水泥新標準實施后, 一些水泥生產廠家為追求水泥較高的早期強度,往往提高水泥的細度,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,減水劑對其塑化效果相應要差一些,這是因為新鮮水泥的正電性較強,對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中, 水泥庫存期一般都較短, 有些商品混凝土生產廠利用剛生產出來且還未來得及散失掉熱量的水泥配制的混凝
土往往表現出減水率低、坍落度損失過快, 甚至在攪拌機內就異常凝結的現象。
2.6 水泥調凝劑石膏形態的影響
在粉磨水泥熟料時, 都摻加一定量石膏共同磨細, 作為水泥的調凝劑。由于粉磨過程中磨機內溫度升高,會使一部分二水石膏脫去部分結晶水轉變為半水石膏甚至無水石膏( 硬石膏) 。
另外, 有些水泥廠為節省生產成本, 往往采用硬石膏或工業副產品石膏( 無水石膏) 替代二水石膏作為水泥調凝劑。不論采用何種石膏生產水泥, 按照有關水泥標準進行產品檢驗時一般區別不大, 但是當摻加減水劑時, 有時表現出大相徑庭的塑化效果, 尤其是以無水石膏作為調凝劑的水泥碰到減水劑時, 會產生嚴重的不相適應性, 不僅得不到預期的減水效果, 而且往往會引起流動度損失過快甚至異常凝結。
石膏作為水泥調凝劑時, 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晶體, 水泥漿在幾分鐘之內便會凝結。而在有石
膏存在的情況下, 一開始, 石膏溶出物會與C3A 反應形成水化硫鋁酸鈣,水化硫鋁酸鈣包裹在C3A 表面上, 阻止其進一步水化, 延緩了水泥的凝結, 從而保證了混凝土的可施工時間, 并對水泥強度的發展有利。
大量資料表明, 石膏結晶形態不同, 其對減水劑的吸附能力也不相同,順序為CaSO4>CaSO4·1 /2H2O>CaSO4·2H2O。當采用無水石膏作為水泥調凝劑時, 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, 形成相當數量的水化鋁酸鈣結晶體并相互連接, 導致混凝土坍落度損失過快, 嚴重者將導致混凝土異常快凝。
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, 對混凝土所要求的低流動度經時損失、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中, 降低鋁率是有效緩解“適應性”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, 產生飛砂料的可能性增大, 在窯的“長徑比”較大而窯速不快的情況下還有結圈的危險, 并且對煤質的要求很高。當今二次燃料的應用已是大勢所趨, 提高煤質很困難。但是, 在新型干法窯保證不結圈且能正常運行的情況下, 逐漸降低鋁氧率, 找出一個平衡點, 既要降低C3A 含量, 又要使窯能優質、高產、低能耗和長期安全運轉。同時, 從穩定原料成分做起, 加強生料成分的調控, 穩定熟料KH 率值, 從而穩定熟料礦物成分。筆者經過多年的生產實踐, 新型干法窯的熟料C3A 含量控制在7.0%以下, 既能明顯改進水泥與外加劑的適應性,也能保證大窯優質高產地運行。
3.2 選用性能優良的混合材料
條件許可時, 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混合材料時, 與適量的石灰石合理搭配, 以兼顧水泥早后期強度,改善水泥性能。同時, 筆者使用500mm×500mm 化驗室試驗小磨將上述材料單獨粉磨后, 再按一定比例混合配制成水泥。結果表明, 采用分別粉磨, 可有效解決傳統共同粉磨中摻加火山灰質或粉煤灰混合材料的水泥需水量大、早期強度低等問題, 并能夠顯著改善水泥的物理性能及與減水劑的適應性。當然, 若要達到較好的減水效果,需增大減水劑的摻量。
3.3 適當調整水泥細度, 改善水泥顆粒級配
要提高水泥強度、混凝土密實性、耐久性等性能都要求水泥中有足夠的細粉量。在水泥產品中, 一般公認:3～32μm 顆粒對強度增進起主導作用,其總量不低于65%, 16～24μm 顆粒對水泥性能尤為重要, 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。然而這些細粉不應該全是由熟料構成的, 熟料磨得過細必然造成用水量大, 早期發熱量高,砂漿可加工性不好, 影響混凝土性能,所以水泥中的細粉應由較細的混合材料來提供。混合材作為填充材料, 其首要任務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孔孔隙率, 提高水泥石的結構密實性和強度。所以, 若要達到理想的塑化效果,水泥廠家應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范對所要求的原材料進行配制。
4 結語
外加劑與水泥適應性的問題必須引起生產單位和工程應用部門的高度重視。由于質量檢驗部門對外加劑和水泥的性能檢測都是依據有關國家標準進行的, 往往完全符合有關標準的水泥和外加劑,當在共同作為混凝土的原材料配制生產混凝土拌和料時就出現了不相適應的現象。
特別是代表水泥發展方向的新型干法水泥工藝, 在水泥生產中, 要重視熟料礦物成分的控制, 保證大窯能夠優質、高產、低能耗和長期安全運轉的情況下, 找出一個平衡點, 降低C3A 含量, 并且穩定各礦物成分的相對含量。在磨制成水泥時, 優化水泥的顆粒級配, 選用復合型的優質混合材料, 降低標準稠度用水量, 改善水泥與減水劑的適應性, 而不應單一重視熟料的物理性能。
