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水泥的高性能化

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水泥的高性能化

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技术交流
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2009/08/10
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  摘要:本文从配制高性能混凝土及降低同等级商品混凝土生产成本的要求出发,提出了水泥高性能化的含义及其应具有的特性。并根据大量实验结果得出的水泥制备工艺条件、水泥颗粒分布、混合材等因素对水泥性能的影响及其与配制混凝土性能的关系,提出了现阶段水泥高性能化的判断方法,以及从熟料烧成工艺条件、水泥颗粒分布、混合材的优化等方面实现水泥高性能化的技术措施。

  1 前 言

  生产水泥的目的是满足各种混凝土建筑工程的需要。国标中水泥按强度分等级,是为了满足混凝土建筑工程的基本物理性能要求。从广东过去几十年混凝土材料的发展过程来看,上世纪80年代前,工程绝大部分使用低标号混凝土(C30以下)。低标号混凝土对配制技术或配制材料的要求均较低,外加剂(减水剂)甚少用到混凝土工程。在此情况下,无论是立窑水泥或湿法窑、干法窑烧制的转窑水泥,在配制混凝土时抗压强度差异不大。即使今天,按此条件配制混凝土来进行对比,大部分的强度结果均有类似规律。

  但从上世纪80年代到本世纪初,随着经济的高速发展,混凝土工程的大型化及混凝土材料的高性能化要求越来越多。以广州近几年混凝土材料的设计、施工要求来看,出现了垂直高度300多米的泵送混凝土,高抛自流平(26m高度抛下、免振)等高工作性能的混凝土;C80高强混凝土,F5.0~6.0的高抗折、耐磨性好的道路混凝土;S20高抗渗、耐酸耐碱混凝土;低收缩抗开裂混凝土,广州新机场跑道的高强、抗冲击、耐磨、低收缩率混凝土;低水化热、高强度的大体积混凝土等等。混凝土材料性能要求越来越高,数量日益增多。为满足城市化及混凝土材料性能提高的要求,广东省商品混凝土搅拌站已有上百家,外加剂普遍使用,与外加剂相容性好的高标号水泥被首选、配制混凝土的粗细骨料质量要求及配制技术不断提高。这些均是提高混凝土材料性能的措施及保证。从混凝土材料的发展及配制技术的提高,人们也越来越认识到水泥高性能化的重要性。简而言之,社会、经济的发展,要求混凝土材料的高性能化。这促进了混凝土技术的发展,为配制高性能混凝土及降低生产成本,又提出了水泥的高性能化。它是混凝土高性能化及低成本生产混凝土的基础。目前广州市绝大部分重点工程、尤其是对混凝土性能要求较高的工程所用水泥均为省内几家大水泥厂提供,这主要是由水泥性能决定的。

  立窑、湿法窑、新型干法窑厂家若能不断改善生产工艺条件,优化工艺参数,提高水泥性能,实现或部分实现水泥的高性能化,可在成本相差不大的条件下生产出性能更优越的水泥,使其配制相同等级混凝土的成本更低、性能更好,水泥产品市场竞争力更强。

  2 水泥高性能化的含义

  目前水泥生产厂家对水泥的高性能化认识不全面。在我国水泥与混凝土分属于两个行业,生产水泥的技术人员不了解混凝土技术及进展,更不懂得如何使水泥的性能与配制混凝土技术相适应,往往将高标号、高比表面积的水泥认为是优质水泥的唯一标准,结果出现了水泥与外加剂相容性差,配制大体积混凝土时温度应力大、收缩大及耐久性差等问题。

  本文认为:水泥性能的优劣必须从水泥在混凝土中的使用性能及效果来衡量。水泥的高性能化应包括以下三方面的含义:(1)是用现代先进技术生产的可大幅度提高各项物理性能的水泥。(2)可满足混凝土性能的不同要求,显著改善混凝土的工作性能、力学性能、耐久性能,更有利于实现混凝土的高性能化。(3)在配制混凝土时,能够用最少的水泥用量来达到高性能混凝土目标。

  国标GB175-1999中已对各等级的水泥物理性能作了要求及规定。但要使水泥在配制混凝土,尤其是配制高性能混凝土时体现出更优良的性能,还应注意以下几点:(1)水泥的标准稠度要低。这对减少配制混凝土时的需水量,提高混凝土性能有利。(2)水泥胶砂的抗折、抗压强度高。这与所配制混凝土的力学性能及生产成本直接相关。(3)水泥与外加剂相容性好。水泥与外加剂相容性的好坏决定了配制混凝土时的需水量、塌落度经时损失、外加剂掺量等,直接影响着混凝土拌合物的工作性能、混凝土的力学性能及生产成本。这是水泥高性能化中最重要的性能之一。(4)水泥配制砂浆和混凝土时泌水率小、水化热低、化学收缩值较小。这对所配制混凝土的耐久性、体积稳定性有直接关系。

  从现阶段认识来看,水泥的高性能化应具有以下的特点:配制混凝土时需水量低、流动性好、与外加剂(高效减水剂)有较好的相容性;具有较高的胶砂强度,在配制混凝土时,能减少水泥用量,增大矿物掺合料用量,实现混凝土的绿色化;水泥的颗粒分布合理,使之更有利于提高混凝土的工作性能与耐久性能。

  3 影响水泥高性能化的主要因素

  针对水泥高性能化的要求,我们研究了熟料烧成工艺条件(熟料的矿物组成、煅烧温度、烧成速度、冷却制度)、水泥颗粒分布、混合材种类等因素的影响,分述如下:

  3.1、熟料矿物组成的影响

  C3S水化速度快,早后期强度高;C2S水化速度慢,水化热低,对28天以后强度增长有利;C3S与C2S矿物总量越高,水泥的力学性能、耐久性能越好。C3A与C4AF为熔剂矿物,C3A需水量与水化热最大,凝结硬化快,对早期强度较有利,但水化产物稳定性较差,硬化浆体强度不高,对混凝土的工作性能与耐久性能不利。从与外加剂相容性的研究结果来看,C3A吸附减水剂能力最强,其次是C4AF,C3S与C2S对减水剂的吸附较少[1]。一般来说熟料硅酸率越高,越有利于提高水泥的力学性能及其与外加剂的相容性。但由于熟料矿物吸附减水剂的能力还受矿物的固溶量、结晶状态等因素影响,故不可单从率值的大小来判断水泥性能的优劣。若熟料烧成率较高,硅酸盐矿物含量较多,A矿晶体发育良好,大小适中,晶形较好,f-CaO含量低时,水泥的力学性能及与外加剂的相容性就较好。

  3.2、熟料的烧成温度及烧成速度的影响

  高温烧成的熟料与低温烧成的熟料表现出的性能不同。高温快烧的熟料,硅酸盐矿物固溶较多其他组分(如C3S固溶Al2O3、Fe2O3、MgO等形成A矿)。这增加了A矿的含量及内能,提高了水化活性,并使C3A与C4AF含量减少。其固溶量随温度的升高及烧成速度的加快而增大。故高温快烧的熟料,A矿发育良好,尺寸适中,边棱清晰,水泥浆体强度较高,与外加剂相容性好。低温烧成的熟料,硅酸盐矿物活性较差,胶砂强度较低。并且由于C3S固溶Al2O3、Fe2O3减少,熟料矿物中析晶出来C3A、C4AF较多,水泥标准稠度用水量大,与外加剂相容性差。

  3.3、冷却制度的影响

  熟料在较高温度范围(1450~1200℃)的快速冷却,有利于A矿保持良好的晶形,减少C2S粉化,硅酸盐矿物活性较高;溶剂矿物多以玻璃体存在,大量减少C3A和C4AF的析晶。因而快冷熟料,即使C3A、C4AF计算含量较高,由于大部分以玻璃体存在,所磨制的水泥仍与外加剂相容性好,凝结时间正常,水泥强度较高。慢速冷却时,熟料中β-C2S转变为γ-C2S,矿物活性降低,C3A、C4AF大量析晶,磨制的水泥与外加剂相容性差。

  3.4、水泥的颗粒分布与形状的影响

  水泥中4~30um的颗粒对强度增长贡献最大,大于60um的颗粒对强度基本不起作用,小于3um的颗粒对减少泌水、缩短凝结时间、提高1天强度有利。水泥颗粒分布集中,颗粒堆积的空隙率大,水泥标准稠度大,凝结时间长,1天强度低,与外加剂的相容性也较差,反之亦然。故较佳的颗粒分布是水泥颗粒较分散,使之在浆体中能达到最紧密堆积,若颗粒分布都集中在4~30um,则水泥的力学性能得以更充分地发挥,与外加剂相容性也较好[7]。此外,水泥的比表面积大小要适当,比表面积过大,细颗粒含量过多,易造成水泥标准稠度用水量增大,配制混凝土时需水量增大,水泥与外加剂相容性变差等问题。反之,水泥比表面积过小,凝结时间延长,早期强度低,易造成较严重的泌水现象。水泥颗粒的球形度对水泥的流变性能影响较大,球形度高的颗粒流动性能好,对减少配制混凝土时的需水量、改善水泥与外加剂相容性均有利。但目前国内生产设备尚难以实现这一目标。

  3.5、混合材的影响

  混合材种类及掺量对水泥的标准稠度用水量、水泥与外加剂的相容性及配制混凝土时的需水量影响较大。在水泥中掺入大量轻烧态的火山灰质混合材,会严重破坏水泥各方面的使用性能,应引起重视,并严加限制。经研究表明矿渣、石灰石、较优质的粉煤灰等材料做混合材对水泥的使用性能、与外加剂的相容性、混凝土的工作性能、力学性能及耐久性能影响较少。

  此外,水泥中石膏的品种及掺量、碱含量、含碳量等对水泥的高性能化也有影响。

  4、实现水泥高性能化的主要途径

  4.1、优化熟料的矿物组成、烧成温度、速度及冷却速度

  熟料矿物组成要根据工业窑炉的预烧及烧成能力来设定。对大型预分解窑,可选用较高的硅酸率、铝氧率和适中的饱和系数,这样有利于提高熟料的烧成温度。在新型干法窑系统中,由于物料预烧好,烧成温度高,烧成速度快(提高窑的快转率),冷却速度快(窑内冷却带短,选用新型冷却机),可形成较多的硅酸盐矿物和玻璃体,C3A、C4AF大部分固溶于A矿及形成玻璃体。这种熟料磨制的水泥性能优良。受湿法窑的预烧能力及热力强度的限制,配料的硅酸率难与预分解窑相比,但也应尽量提高硅酸率(如n=2.3左右),一般来说湿法窑窑内冷却带较长,烧成温度、速度及冷却速度均不及预分解窑,故铝氧率不宜过高。立窑厂的配料应尽量提高烧成温度和硅酸率,但受客观条件限制,难以与预分解窑、湿法窑相比,并且立窑煅烧的不均匀性及熟料冷却速度较慢,故立窑水泥与外加剂的相容性一般较差。

  4.2、优化水泥的颗粒分布

  对比实验证明,水泥颗粒的连续级配及紧密堆积;增加30um以下的颗粒含量;控制适宜的水泥比表面积;是优化水泥颗粒分布的三个目标值。这对于减小水泥标准稠度用水量,减少配制混凝土的需水量,改善与外加剂的相容性,提高水泥、混凝土的强度及混凝土耐久性均有利。初步的对比结果表明:开流粉磨系统磨制的水泥(比表面积在360~390m2/kg)更有利于性能的最优化。若考虑系统的节能或水泥颗粒分布的可调性,实现最优化等因素,应选用哪种粉磨系统及设备磨制水泥尚需进一步对比研究。水泥颗粒的球形化无疑对水泥性能有利,但国内目前难以实现。

  4.3、混合材的优化

  从水泥的高性能化考虑,水泥中应少掺或不掺混合材。混合材的加入会降低水泥的胶砂强度及与外加剂的相容性。混合材宜采用掺合料形式在配制混凝土时,根据混凝土性能的需要酌情加入。高性能水泥若要掺加混合材,应选择矿渣、石灰石、优质粉煤灰等材料,掺量不宜过多。

  4.4、熟料配方、水泥颗粒分布的设定还应尽量考虑降低水泥水化热、泌水率、收缩等性能。

  参考文献:

  1、Shunsuke Hanehara, Kazuo Yamada Interaction between cement and chemical admixture from the point of cement hydration, absorption behaviour of admixture, and paste rheology Cement and concrete research 1999 Vol.29 1159~1165

  2、王善拔,阮国超 从预拌混凝土和高性能混凝土的要求讨论水泥的生产 水泥工程1997。5(1~6)

  3、李浩璇 杨家智 煅烧温度对掺复合矿化剂水泥熟料岩相构造及A矿固溶程度的影响 硅酸盐学报 1986年 Vol.14 No.1 第13页

  4、罗云峰 熟料矿物组成和烧成工艺对水泥与减水剂相容性及混凝土流动性的影响 华南理工大学工学硕士学位论文 广州 华南理工大学 2002年5月

  5、李鹏 水泥颗粒分布对立窑水泥浆体部分性能的影响 华南理工大学学士学位论文 广州 华南理工大学材料学院 2002.年6月

  6、黄佳 水泥颗粒分布对回转窑水泥浆体部分性能的影响 华南理工大学学士学位论文 广州 华南理工大学材料学院 2002.年6月

  7、乔龄山 水泥的最佳颗粒分布及其评价方法 水泥 2001.8 1~5

  8、樊粤明,殷素红,钟景裕等 立窑水泥与回转窑水泥配置混凝土耐久性能的研究 水泥1988.1

  9、TAGNIT-HAMOU,A.; BAALBAKI,M.; AITCIN,P.C. Calcium-sulphate optimization in low water/cement ratio concrete for rheological purposes, Proceedings of the 9th International congress of the Chemistry of Cement, New Deihi, Vol.V, pp.21~25,(1992)

  10、吴中伟 廉慧珍 著 高性能混凝土 北京 中国铁道出版社 1999年

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