高性能水泥的生产及质量控制

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高性能水泥的生产及质量控制

高性能水泥的生产及质量控制国家水泥质量监督中心中国建筑材料科学研究总院水泥与新材料技术顾问全国水泥标准化委员会技术顾问王文义

教授级高级工程师2010年,我国水泥产量已经达到18.9亿吨,占世界水泥产量的60%,企业有5000多家,

其中粉磨站约有1500家,80%以上水泥为新型干法窑生产(1300多条线),形成以现代化水泥生产为主体的新局面。水泥产品质量达

到国际先进水平,大型装备实际国产化,水泥生产技术在国际上具有强大的竞争力。当前水泥企业的主要任务是节能减排,消纳工业和生活排

出的废弃物,促进全社会的绿色化、生态化发展进程。一、现代水泥的生产与管理现代水泥生产是以新型干法窑烧成熟料,

现代粉磨技术进行物料的粉磨,生产运行管理全部由中央控制室控制,全厂为无粉尘污染的清洁工厂。1、两磨一烧工艺2、以均化—均匀—稳

定为中心的生产模式均化——原燃材料的预均化及均化,解决进厂原烧材料的质量、成份波动。均匀——生产过程中的配料(如生料配料、水

泥配料)即由电子计量称进行动态管理。稳定——保证产品质量的稳定性。3、水泥企业质量管理规程的实施水泥生产

全过程贯彻实施“水泥企业质量管理规程”是水泥行业的传统经验。2011年1月1日实施的工信部发布的新规程,是以新型干法窑生产线为中心

的规程。出厂水泥强度目标值=等级值(42.5MPa)+1.2MPa+3S≈48MPa低于此值为未遂质量事故。原燃材料采购进

厂堆放、预均化、均化入磨(生料)物料的细度、水份、主要成份入窑生料率值控制熟料质量评

价入水泥磨物料计量、配比成品细度、so3等全过程都有严格规定。二、硅酸盐水泥的矿物组成与水化产物

1、硅酸盐水泥熟料的矿物组成成份一般波动性能C3S60%

45%—75%优异C2S15%5%—30%后期C3A7

%3%—13%早期C4AF10%4%—17%抗折MgO

2%0.5%—5.5%安定性fCaO<1.5%安定性R

2O0.6%0.3%—1.2%耐久性SO30.4%0.3%—1.2%耐久性

2、矿物组成与率值关系在熟料配

KHP料时严格控制三率值KH、C3SC2SC3AC4AFN、P即可。

n3、硅酸对水泥的水化

产物C—S—H:CaO-SiO2-H2OC/Si=0.8-1.51.5-2.0

Ⅰ型Ⅱ型CH:Ca(OH)2Aft:3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O

称钙矾石,成份是变动的。AFm:3CaO.Al2O3.CaSO4.12H2O称单硫型水化硫铝酸钙矿渣水泥的水化

产物——与硅酸盐相比Ca(OH)2含量减少,结合水量少石膏矿渣水泥水化产物(80%—85%矿渣+10%—15%石膏+5

%熟料)C-S-H和钙矾石4、硅酸盐水泥的凝结硬化过程1、起始期——水泥加水后,立即急剧反应,放热,石膏、可

溶碱、C3A、C3S水化,AFe形成,放热下降。这阶段很短(4-5min)。2、诱导期——进入缓慢水化阶段,一般40min-2h

,由硅酸盐矿物水化,胶体状产物逐渐形成网络结构,浆体失去部分流动性,产生初凝。3、加速期——反应速度加快,大量C-S-H、Ca(

OH)2形成,又大量放热(二个峰),AFe继续生成,浆体完全失去流动性,终凝产生。进而产生强度。扩散控制期——水化产物不断增加,

颗粒表面包裹的厚度与密度不断增加,这时水进入颗粒表面,必须穿过包裹层,进入控制期,水泥浆不断硬化。三、通用硅酸盐水泥的组成与特点 解放以来,我国通用硅酸盐水泥一直实施多品种多标号的发展路线,多品种是生产通用硅酸盐水泥时允许掺加混合材料,并依

据混合材料种类和掺量划分通用水泥品种。多标号就是按水泥强度高低,将水泥质量划分多个标号,我国水泥的发展模式是正确

的,目前国际上也逐渐采用了这个模式。我国通用硅酸盐水泥国家标准将通用硅酸盐水泥划分六大类P.Ⅰ、Ⅱ

P.FP.OP.PP.S(A、B)P.C强度划分为:

32.5;32.5R;42.5;42.5R;52.5;52.5R;62.5允许使用混合材料有:矿渣、粉煤灰

、火山灰质材料、石灰石、砂岩、窑灰等六种。使用其它混合材料的通用水泥还有:JC600-2002石灰石硅酸盐水泥;JC/T740-

2005磷渣硅酸盐水泥;GB13590-2006钢渣硅酸盐水泥;GB/T23933-2009镁渣硅酸盐水泥。2、欧洲通用硅酸

盐水泥—EN197-1:2000CEMⅡ矿渣水泥CEMⅡ/A-SCEMⅢ矿渣水泥CEMⅢ/A矿渣36

%—65%CEMⅢ矿渣水泥CEMⅢ/B矿渣66%—80%CEMⅢ矿渣水泥CEMⅢ/C

矿渣81%—95%CEMⅣ火山灰水泥CEMⅣ/A火山灰、粉煤灰11%—35%CEMⅣ火山灰水

泥CEMⅣ/B火山灰、粉煤灰36%—55%CEMⅤ复合水泥CEMⅤ/A混合材18%

—30%CEMⅤ复合水泥CEMⅤ/B混合材31%—50%3、通用硅酸盐水泥的特点随着矿渣掺量的增

加(0%—85%)抗腐蚀性:凝结时间:泌水率:

稍有增加稠度:变化不大砼R28:

水化热:随火山灰掺量的增加(0%—50%)抗腐蚀性:

干缩性:稠度:凝结时间:水化热:

砼R28四、水泥施工性能的控制1、现行标准对水泥质量的控制方法(1)胶凝性方面:细度(或比表面

积)、凝结时间、安定性、R3、R28。有明确的指标要求。混合材料的品种和掺加量等,由检验报告提供。(2)耐久性方面:

SO3、MgO、R2O、Cl-有明确规定。(3)对水泥使用性能(施工性):标准中无规定,如:需水性、泌

水性、出厂水泥温度、外加剂相容性等。2、目前建筑施工部门对水泥质量的主要意见(1)质量稳定性。如:颜色变化、凝结时间变化、强度

波动等。(2)水泥需水量大,泌水量大。(3)水泥与外加剂相容性。(4)混凝土早期裂缝多。3、水泥的需水性和保水性(1)

水泥需水量的构成:需水量颗粒表面润湿水多孔性材料内部吸水(如火山灰材料)初期水化水(很少)颗粒间

的空隙水(很大,约占60%)水泥比面积愈大润湿水、水化水愈多火山灰混合材愈

多内部吸水愈多水泥胶凝材料颗粒级配不合理空隙

多,水量愈大(2)水泥砼泌水现象有砼砂石骨料级配和施工方法原因;有水泥胶凝材料原因:细度粗、多孔材料少4、水

泥及胶凝材料的颗粒级配控制水泥及混合材料和掺和料组成水泥胶凝材料,这种胶凝材料的颗粒级配主要由水泥厂调控,施工单

位现场掺和料也应调控,调控机理有三条:(1)强度机理——为了充分利用熟料活性,国内外公认颗粒分布:粒度(μm)<3

3-32>65组成(%)<10>650(2)密实机理——使水泥

颗粒密实堆积,提高水泥石的密实性。按Fuller方程要求的粒度分布:粒度(μm)<3<32<

65组成(%)20-3070-8080-95它是一个以3-32μm为中心的窄分布曲线

,优点是充分利用熟料活性,缺点是水泥需水量大,使用性能差。(3)三峰合一机理——充分发挥熟料活性和混合材及掺合料的作用,发挥各自

的优点,组成水泥胶凝材料的理想粒度分布它是一个0-80μm(0-65μm)范围内的宽粒度分布。它的优点是水泥

颗粒密实堆积,减少需水量。缺点是熟料有点过细粉磨现象,有过粗颗粒,浪费能源4、水泥及胶凝材料的颗粒级配细颗粒——以混合材(掺和

料)为主;中等颗粒——以熟料为主;粗颗粒——以混合材料为主。5、水泥与外加剂相容性(1)、外加剂品种与掺量(2)、熟料

影响矿物组成:C3A>C4Af>C3S>C2S矿物晶形:C3A与C4AF结晶形态碱含量:R2O≈0.6%左右为好硫碱比:S

D=0.774SO3/(Na2O+0.658K2O)≈100%fCa:适当小需水量:愈小愈好,如22%—24%稠度(3)

石膏形态与掺量石膏种类溶解度(g/L)溶解速率二水石膏2.08

中α-半水石膏6.20快β-半水石膏8.15快

可溶硬石膏6.30慢天然硬石膏2.70慢德

国试验铝酸盐活性与溶液中硫酸盐匹配铝活性低、溶液中SO3低:形成AFt,凝结正常铝活性高、溶液中SO3高:形成AF

t,凝结正常铝活性低、溶液中SO3高:形成AFt和二水石膏,1“假凝”铝活性高、溶液

中SO3低:形成AFt、AFm、1C4AH13,“急凝”,“欠1

硫型”(4)混合材料的种类掺加大量混合材和掺和料都有助改善相容性,但火山

灰掺量过多后,需水量增加。(5)水泥细度状态熟料为细粒(<3μm)超多:比表面积增大,

1到相容性差密实堆积的粒度分布:需水量少,相容性好P.O42.5水泥:

比表面积≥450m2/kg,相容性差;中位粒径≤14μm,相`

容性变差水泥圆度系数:愈圆,相容性愈好(6)水泥存放时间与温度:长好,温度‘

低好(7)水泥需水量:P小好(8)水泥凝结时间:适当长好,如2-3h6、砼的收缩与裂缝(1)水

泥收缩造成的砼裂缝:化学收缩:7%-9%。C3A大,细度细水化`快,但AFt高好塑性收缩:沉降、失水

、化学反应造成的。塑性阶段夏天砼表面大量失水温度收缩:水化热造

成砼内外温差。大体积砼。夏天温度高,水化`快。干燥收缩:水泥石毛

细孔水蒸发造成的。`夏天砼表面水蒸发快。碳化收缩:砼表面Ca(OH)2与CO2反应生`

成CaCO3造成。自收缩:在恒温、恒湿下,水泥化学反应造成。(2)预防收缩的措施:减少水泥收缩熟料

矿物组成:高C3S+C2S,低C3A或高`SO3细度状态:最佳颗粒级配、堆积密实、

球形化、比表面积不宜过高。混合材料:粉煤灰有益。减少砼收缩配合比:石、砂密实堆积水灰比:适当小养护:

加强初期水养护大体积砼:采用低水化热水泥掺和料:粉煤灰有益五、高性能水泥与高性能砼应用1、高性能砼三个条件:高施工性

高耐久性高强度或符合结构要`

求的强度2、高性能水泥:高施工性高耐久性

符合标准的强度等级3、高性能水泥的开发(1)高性能海工水泥:采用分别粉磨工艺,选择最佳颗粒

级配,提高抗Cl-渗透性能。(2)高性能PⅠ52.5水泥:由熟料与石膏组成,严格控制水泥颗粒级配水泥性能:砼性能

六、提高水泥性能检验水平水泥取样必须有代表性影响检验准确性的因素(1)温度与湿度,必须达到标准要求(室温、养护箱、水池)

(2)检验仪器设备符合标准要求(应进行科学的计量检定)(3)人员操作必须符合标准要求(应进行专门培训)(4)ISO标准砂、水泥

、样品、水必须与试验室同条件主要性能检验中突出影响因素(1)强度检验—抗压夹具与摆放位置;(2)比表面积—比表面积仪必须采用

标准粉`进行标定;(3)稠度—滑动杆质量300g±1g检查,滑`

动状态检查;(4)凝结时间—确定初、终凝时间必须在试`体中间环部位;(5)细度—采用标准粉进