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影响预拌混凝土专用水泥性能的因素及改善途径

时间:2012/4/21 8:13:52 来源: 点击次数:7939

    2003年10月6日国家商务部、公安部、建设部、交通部联合发布了《关于限期禁止在城市城区现场搅拌混凝土的通知》,通知规定全国124个城市城区禁止现场搅拌混凝土,这为预拌混凝土企业的发展营造了一个更为有利的外部环境。但是随着混凝土工程的大型化、工程环境的超复杂化以及应用领域的不断扩大,人们对预拌混凝土配合比设计、大掺量粉煤灰混凝土、特种混凝土、高性能混凝土的配制生产提出了更高的要求。作为预拌混凝土第一组分材料——水泥的质量稳定性和高性能是预拌混凝土质量、高性能的关键性因素。笔者将用来制备预拌混凝土的水泥分类为专用水泥。可见专用水泥是与预拌混凝土互相匹配和适应的,从现阶段认识来看,专用水泥应具有以下特点:配制混凝土时需水量低,流动性好,与外加剂有较好的相容性,具有较高的胶砂强度;在配制混凝土时,能减少水泥用量,增大掺和料用量,实现混凝土的绿色化;水泥颗粒分布合理,水泥混合材匹配科学,水泥温度控制适当,使之有利于提高混凝土的工作性能与耐久性能。

1影响预拌混凝土专用水泥性能的因素

1.1水泥矿物组分与化学成分的影响

    在预拌混凝土中,外加剂已成为不可缺少的重要组分,水泥胶结料的矿物质组分和化学成分对外加剂吸附量的多少,对于流动性及强度增长有很大的影响。外加剂吸附量越少的水泥浆体的流动性越大。C3A、C4AF混水后,ζ电位量为正值,较多地吸附外加剂。C3S、C2S混水后毛电位量为负值,对外加剂吸附量较少。在水泥矿物中C3A需水量大,水化快,放热大,吸附外加剂量最大,适应性差,抗硫酸盐侵蚀能力较弱。尤其在低温条件下烧成的熟料析晶出来的C,A和]C4AF含量高,水泥标准稠度用水量大,与外加剂相容性差。有研究表明,水泥中C3A含量每增加1%,水泥标准稠度用水量也同步提高l%,而水泥标准稠度用水量每增加1%,混凝土用水量相应提高(6~8)kg/m3,另外,水泥净浆流动度随C3A+C4AF总量的减少而提高。如珠江水泥有限公司2000年前一直采用一中两高的配料方案,生产的P·Ⅱ水泥需水量大,水化热比较集中,使得大体积混凝土容易出现微裂纹。2001年后采用一高两低的配料方案,熟料率值和矿物组成见表l。
    改变配料方案后,生产出来的P·Ⅱ水泥配成的预拌混凝土,具有早期强度高、抗折性好、耐磨、耐腐蚀性强、水化热低、与外加剂相容性好等特性,产品被广泛地应用于国家重点建设工程和大型建设工程,如广州市新国际机场、大亚湾核电站扩建工程、广佛地铁等,使用商家一致给予好评。

1.2熟料碱及煅烧气氛的影响

     资料显示,由于熟料中存在的碱会使C3S、C,A等的水化速度加快,所以含碱的水泥早期强度高,但28 d及以后的强度则有所降低,熟料中可溶性碱的含量对熟料强度的影响,有时比熟料矿物组成的影响更大。例如,某干法窑生产的熟料,尽管其C3S含量较湿法窑生产的熟料低1l%,但由于可溶性碱含量‘高出约0.3%,预拌混凝土站使用该干法窑水泥时,减水剂饱和点使用量增加o.5%-o.6%。浙江某水泥有限公司有2条2 500t/d干法生产线,由于2条线所处地使用的原材料有差异,虽然甲、乙2台窑熟料的矿匿物组成基本相似,但甲窑熟料的可溶性碱含量仅高出乙窑o.34%,对比1.3 d强度,甲窑熟料比乙窑熟料高出3.0 MPa

4.3 MPa;但28 d强度相比,甲窑熟料匿却比乙窑熟料低2.5 MPa。甲窑熟料配制的水泥对萘l}系减水剂相容性较差,初凝时间缩短约30 min。}

    另外,熟料中含有适量的P2O5、Cr203(0.2%~o.3%)或者BaO、TiO2、Mn203(0.5%-2.o%)等氧化物,}并以固溶体的形式存在时,都能促进水泥的水化,提高早期强度。

    熟料的煅烧气氛也影响强度。还原气氛会使C3S 和C4AF的晶体严重变形甚至部分破坏,其活性比在氧化气氛中烧成的要低。2002年11月,南宁市某商品 预拌混凝土企业使用该市某水泥厂1 000 t/d新型干法 生产线提供的P·Ⅱ52.5水泥,并用大掺量矿粉和粉 煤灰配制泵送混凝土。因发生混凝土28 d强度保证值 不够,追溯留样水泥,发现其物理性能并没有明显 变化,只是颜色稍黄。后经预拌混凝土企业与水泥 企业双方工程师共同分析,确认该水泥企业在11月 里,约有一个星期的时间三次风阀损坏,没有得到 及时更换,致使窑内通风量减小,窑内还原气氛稍 重,出窑熟料中致密黄心料较多,导致该批水泥配 制的预拌混凝土28 d强度保证值不够。

1.3水泥调凝剂的影响

    水泥调凝剂石膏的形态、细度、用量、研磨温 度等对预拌混凝土都有影响。在自然界中石膏以多种形式存在,有二水石膏(CaSO4.2H20)、半水石霄 [CaS04.(1/2)H20]和硬石膏(GAS04)等,根据有关标 准,三种石膏都可作水泥调凝剂使用。二水石膏和 硬石膏的最大区别在于溶解度与溶解速率不同。盛 广宏等通过对旋窑生产的熟料中采用硬石膏完全代 替二水石膏的实验表明,使用硬石膏代替二水石膏, 对非预拌用硅酸盐水泥的强度性能影响较小,旋窑 熟料中C3A<11%时,使用硬石膏代替二水石膏对非 预拌用硅酸盐水泥凝结性能无不良影响;如果 C3A>13%,则引起快凝。但在预拌混凝土中,外加 剂成为不可缺少的重要组分,掺硬石膏的水泥与糖 钙、木钙等外加剂同用,会进一步降低硬石膏的溶 解度和溶解速率,使水泥因缺少调凝成分而产生速 凝等异常现象。在C,A偏高的水泥中,调凝剂仍按常 规用量(3%~5%),无论选用何种石膏,凝结时间都会提前,这主要是水泥c2A水化快,C3A含量高,少量石膏不能满足它生成胶状钙矾石,从而影响石膏的调凝效果,尽管水泥和外加剂都合格,但影响水泥与外加剂的适应性,使混凝土工作性变差,坍落度损失加大。石膏研磨细度不够,会影响石膏的溶解特性,即使运用二水石膏也会产生速凝现象。

1.4掺用混合材种类及细度的影响

    实验表明,加入、7昆合材后改善了水泥与高效减水剂之间的相容性,这可能是因为加入、?昆合材后降低了C3A的相对含量,即降低了水化早期C3A对高效减水剂的吸附量,使得相对较多的减水剂发挥分散作用,但不同的混合材所表现出来的改善效果不一样。

    单组分净浆的研究表明:在减水剂作用下,矿渣粉和钢渣粉自身的需水量均少于硅酸盐水泥,作水泥混合材均有减水作用,且钢渣的减水和保水性能优于矿渣。如2004年6月投产的尖峰登城水泥有限公司5 ooot/D生产线,其水泥混合材为:石灰石、煤矸石、石煤渣和水渣,该公司7月下旬水泥出厂,8月份就有预搅拌站用户反映水泥用水量偏大,减水剂饱和点掺量偏高约0.25%,再加上8月份后水渣供应紧张,无法保证生产的连续进行,甚至出现水渣库空库现象。为此该公司不得不寻找新的混合材,经多方努力决定使用钢渣。钢渣代替部分价格昂贵的水渣,大大地降低了水泥成本,同时水泥的标准稠度用水量降低O.8%~1.4%,使用钢渣前后水泥强度没有明显变化,满足了市场的需求。

    水淬高炉矿渣是一种玻璃材料,无空洞,不吸收水分。资料报道:超细粉磨矿渣(平均粒径至5.93 u m)可显著改善水泥与外加剂之间的相容性,而普通细度的矿渣(O.08 rain方孔筛筛余6%,平均粒径20 um左右)由于平均粒径与水泥平均粒径相当,无法填充水泥颗粒之间的空隙,虽然在掺量为10%时,对水泥浆体流动度有所改善,但掺量从10%增至50%时,水泥浆体流动度变化不大。如果适当掺入优质粉煤灰,可提高混凝土可泵送性和流动性。

    优质粉煤灰含有大量表面光滑的玻璃微珠,特别是当实心球多时可减少混凝土的需水量;另外粉煤灰具有一定的缓凝作用,可避免过早地形成骨架结构,有利于浆体流动性改善。如湖北某大型水泥公司,同期使用相同熟料生产的不同品种水泥,碱含量、C3A等熟料矿物组成含量、石膏的种类相同,IL表面积、石膏掺人量相近;区别在于水泥1为P·Ⅱ42.5硅酸盐水泥,水泥2为P·042.5普通硅酸盐水泥,水泥l掺入的混合材为5%水渣,水泥2掺入的混合材为5%水渣加5%粉煤灰,水泥2与外加剂的相容性能好于水泥1,并且两种水泥28 d抗压强度仅相差0.51Pa,。

    另外,孙庆合等研究报道,在没有激发剂的作用下,当混合材料掺量达50%,优质粉煤灰/矿渣在60/40~80/201t寸,复合水泥强度出现较大值。这表明:两种混合材料适当混磨,矿渣粗孔被粉煤灰微玻璃珠填充,充分发挥了微集料级配效应,提高了密实度,改善了微观结构,并且该复合水泥抗折强度提高显著,为提高混凝土抗裂性能有着极为重要的作用。

    用造气渣、黑色石灰石、煤矸石、玄武岩、沸石、石煤渣、磷渣等作水泥混合材时,尽管水泥的物理性能均能达到国家标准,但是在预拌混凝土中会出现一系列的问题。造气渣、石煤渣、煤矸石、玄武岩作混合材时,由于水泥标准稠度用水量过大(达30%~35%),胶砂成型水灰比增大,下料时间延长,与减水剂相容性差,而且初凝与终凝时间间隔太短,混凝土坍落度经时损失大,浇注的混凝工程表面干缩性增大,导致混凝土开裂。黑色石灰石作水泥主要混合材时,由于水泥终凝时间与初凝时间间隔太长,而且强度增进率低,使混凝土表面不凝结,或凝结后硬度不足,导致混凝土表面起砂。

1.5水泥细度的影响

     水泥标准中的细度指标对预拌混凝土配制用水泥并不具有重要意义。过高的细度对外加剂吸附量大,且在低水胶比条件下,易产生自收缩。以同种水泥、不同细度在一定水灰比和外加剂用量下,净浆流动度随水泥细度增大而下降。如我公司2 500T/D熟料规模的新型干法水泥生产线,于2004年9月28日点火投产,lO月份生产水泥,由于当时矿渣没有烘干,致使入磨物料综合水分达2.0%以上;物料在磨内停留时间长;出磨水泥比表面积达450~460 m2/kg,细颗粒含量多;水泥标准稠度用水量增大;水泥与外加剂相容性变差。后经采取控制入磨物料水分等办法,水泥标准稠度用水量下降,与外加剂相容性得到改善。

    此外,水泥颗粒中(4~30)u m的颗粒对强度贡献最大,大于60 um颗粒仅起填充作用,小于3 um的颗粒对减少泌水、早强有利;水泥颗粒分布窄,颗粒堆积的空隙率大,水泥标准用水量大,凝结时间 长,早期强度低,与外加剂相容性差。配制预拌混凝土的水泥应具有连续的颗粒分布级配,使水泥粉体达到最佳堆积密度,用水量最低,与外加剂匹配性强。

1.6水泥存放时间与温度的影响

     陈国忠等通过试验认为:新鲜水泥在生产后12 d内对外加剂吸附量较大,大部分15 d后趋于正常。由于新鲜水泥干燥度高,而且温度相当高(达80~90℃),早期水化快,水化时发热量大,所以需水量大,而且对外加剂吸附量也大。同等掺量时,流动度变小,必然会产生对混凝土需水量大,坍落度损失快,凝结时间短等许多怪现象。这完全是因为水泥存放时间不同,温度高,导致混凝土的性能技术指标出现较大差异所致。如能注意到这些问题,有了这方面的认识和经验,出现此类现象也就不足为怪了。如湖北葛州坝股份公司水泥厂是三峡工程水泥主供厂,2003年以前由于水泥温度高达74~78℃,影响产品及时出厂和混凝土的施工性能。该厂2003年3~8月份对3台φ3 m×9.0 m水泥磨选粉机进行改造,将原离心式选粉机更换为高效转子式选粉机,并利用其工艺特点和结构特点,在6个收集成品的旋风筒锥部加装了冷却水箱对水泥成品进行降温,入库成品温度控制在58℃以下。水泥的需水量、水化热等满足了三峡工程的要求,确保了三峡大坝的工程质量,提高了产品的市场竞争力。

   另外,熟料在较高温度范围(1 450~1 200℃)内快速冷却,有利于A矿保持良好的晶形,减,-c2s粉化,硅酸盐矿物活性较高;熔剂矿物多以玻璃体存在,大量减少C3A和IC4AF的析晶。熟料冷却效果差,熟料中β—C2S转变为Y—C2S,矿物活性降低,C,A、C。AF大量析晶,磨制的水泥与外加剂相容性差。如广东南华水泥有限公司¨引,2002年5月份该公司水泥在一搅拌站使用,出现混凝土经拌送至工地后(约1 h)不能泵送施工的情况。经查当时是新投产的湿磨干烧生产线(φ3.5 m×47 m)生产的水泥,原燃材料没有多大变化,熟料成分也正常。当时由于2台冷却风机有故障,导致出窑熟料温度达200~250℃,即使在熟料库存低的情况下人磨熟料还高达140℃,出磨水泥温度达150~160℃;当时熟料C,A含量为8.55%,并不很高,说明出窑熟料冷却差及出磨水泥温度高,也加剧了水泥与减水剂的适应性问题。后该公司通过采取改善熟料冷却效果,控制出窑熟料温度≤100℃,控制入磨熟料温度≤80℃,加强磨内通风等一系列措施后,从6月份起水泥与减水剂的适应性逐渐改善。8月份公司技术人员走访了使用该水泥的几家搅拌站,反映情况良好。

2改善预拌混凝土专用水泥性能的途径

2.1对水泥生产原材料超前控制

    目前,我国水泥工业用粘土质、石灰石质原料,其波动范围越来越大,尤其对于没有自己的矿山而外购原材料,没有预均化堆场的l 000T/D、2 500T/D新型干法水泥厂,由于生料质量主要依赖于外购原料的质量和均匀性,因此对所用原料在矿山开采时或进厂之前进行质量控制,从而达到进厂成分均齐,质量满足配方要求,实现成品原料进厂,即超前控制。具体来说,要进行以下三方面工作:

    (1)水泥中可溶性碱主要是粘土质材料带入,这些碱因溶在水泥熟料矿物中,提高了水泥熟料的碱含量,影响了水泥熟料矿物的结构组成和水泥水化的性质。因此对不同品位不同成岩时代的硅质矿山的各个开采面进行分层钻孔取样分析,取样次数为1次/h,对各个开采面进行质量控制,根据分析结果控制各开采区的搭配比例,对不同开采区进行合理搭配开采,以控制粘土质原料碱含量。R20≤4.O%。

    (2)石膏是水泥调凝剂,掺加量一般仅为水泥质量的3%~5%,它对预拌混凝土影响很大,应尽量使用天然二水石膏。另外,水泥石膏掺入量以水泥中SO,含量计算,对生产预拌混凝土也不容忽视,尤其是在生产大掺量矿渣(或粉煤灰)预拌混凝土时,由于水胶比低,往往在0.4甚至0.3以下,混凝土中水分少,SO2在水泥浆液中的溶出量少,水泥中SO,含量低,则水泥浆中s04离子浓度更低,混凝土坍落度损失加快。水泥熟料中含有少量由原燃料引入的硫,这部分固溶硫对于水泥流变性能的影响远低于外加的石膏。如果所用原燃料的硫含量发生变化,应根据水泥的流变性能变化来优化外加石膏量,避免单纯由S03,

    一、量来调整石膏掺量,因此在符合水泥国标要求的前提下,预拌混凝土专用水泥应尽量增加石膏掺入量。

(3)为满足预拌混凝土配制要求,一般来说,水泥混合材以选用矿渣、钢渣和优质粉煤灰复掺为主。

2.2优化熟料矿物组成、烧成温度、烧成速度及冷却速度

     国内新型干法窑实践优选出高硅率(SM=2.7±O.1)、高铝氧率(IM=1.6±O.1)、中饱和比(KH=0.88±0.2)的配料方案,主要是从保证窑的稳定性和提高熟料强度角度出发的,对预拌混凝土的工件性能与耐久性,以及与外加剂相容性角度考虑甚小。为提高预拌混凝土水泥的力学性能及其与外加剂的相容性,水泥熟料应有足够的硅酸盐矿物含量【(C3S+C2S)>75%】,它是硅酸盐水泥的基本组成,强度高,水化物稳定,结构致密、耐腐蚀。熟料中的A1203和Fe03是煅烧温度大于1 400℃时构成液相的主要组分,也是形成C,S的必要条件,所以,C3A、C4AF矿物是不可少的。一般按(C3A+C4AF)≈20%为宜。

    由于熟料矿物吸附减水剂的能力还受矿物的固溶量、结晶状态等因素的影响,故不可单从率值的大小来判断水泥性能优劣。若物料预烧好,窑内氧化气氛适度,烧成温度高,烧成速度快,冷却速度快,形成的硅酸盐矿物晶体发育良好,大小适中,晶形较好,fCaO含量低,C3A、C4AF大部分溶于A矿及形成玻璃体。这种熟料磨制的水泥性能优良,用于预拌混凝土则可获得高强度、结构密实和耐久性好的效果。

2.3优化水泥颗粒级配

    众所周知,为保证混凝土早期强度,水泥颗粒中O~3 u m颗粒应达10%左右,而保证混凝土后期强度,4~30 um的水泥颗粒需70%以上。在同样的水胶比条件下,级配良好的水泥具有较好的工作性;而在保证同样的工作性条件下,则可以达到更低的水胶比。因此预拌混凝土专用水泥细度控制不应忽略颗粒级配的重要作用,要有意识地调整水泥颗粒分布RRB曲线中特征粒径D和均匀性系数n值,以控制水泥颗粒组成。为有利于水泥的凝结性能,以及降低所配制的混凝土的需水量,改善与外加剂的相容性,提高其密实性,专用水泥的馆宜在1.O~1.2之间。水泥的特征粒径De值需要根据特定的工程而定,例如用于修建混凝土路面,D。值不能太小;对于一般用途的水泥,D。值控制得小一点为好,这有利于提高硅酸盐水泥熟料颗粒的水化程度。

2.4合理控制出厂水泥的强度值,确保水泥均匀性

     原材料品质稳定对于预拌混凝土的生产至关重要,水泥不仅要品质指标合理,更重要是质量一定要均匀。目前,我国水泥产品的质量波动大得惊人,即使是国家大型水泥厂,不同批次的水泥的离散性也很大,这给预拌混凝土生产带来很大的困难。尽管水泥行业标准对水泥出厂强度有最低限制要求,但该限值为企业内控指标,对水泥用户验收而言,仍适应于国家标准,即使水泥实测强度为42.5 MPa,仍为合格的42.5等级水泥。

     另外,出厂水泥的强度富余系数过大,是对宝贵的自然资源的浪费。欧洲标准ENV(9)一1对于32.5级和42.5级水泥都规定了28 d抗压强度的最高值。这对节约资源、保护环境,以及提高产品质量稳定性,提高不同厂家生产的同一品种水泥的一致性,都是很有好处的。因此对预拌混凝土专用水泥要增加水泥强度上限值控制。

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