水泥的高性能化

1 前 言
　生產(chǎn)水泥的目的是滿足各種混凝土建筑工程的需要。國標(biāo)中水泥按強(qiáng)度分等級，是為了滿足混凝土建筑工程的基本物理性能要求。從廣東過去幾十年混凝土材料的發(fā)展過程來看，上世紀(jì)80年代前，工程絕大部分使用低標(biāo)號混凝土（C30以下）。低標(biāo)號混凝土對配制技術(shù)或配制材料的要求均較低，外加劑（減水劑）甚少用到混凝土工程。在此情況下，無論是立窯水泥或濕法窯、干法窯燒制的轉(zhuǎn)窯水泥，在配制混凝土?xí)r抗壓強(qiáng)度差異不大。即使今天，按此條件配制混凝土來進(jìn)行對比，大部分的強(qiáng)度結(jié)果均有類似規(guī)律。

　　但從上世紀(jì)80年代到本世紀(jì)初，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，混凝土工程的大型化及混凝土材料的高性能化要求越來越多。以廣州近幾年混凝土材料的設(shè)計(jì)、施工要求來看，出現(xiàn)了垂直高度300多米的泵送混凝土，高拋?zhàn)粤髌剑?6m高度拋下、免振）等高工作性能的混凝土；C80高強(qiáng)混凝土，F(xiàn)5.0~6.0的高抗折、耐磨性好的道路混凝土；S20高抗?jié)B、耐酸耐堿混凝土；低收縮抗開裂混凝土，廣州新機(jī)場跑道的高強(qiáng)、抗沖擊、耐磨、低收縮率混凝土；低水化熱、高強(qiáng)度的大體積混凝土等等?；炷敛牧闲阅芤笤絹碓礁?，數(shù)量日益增多。為滿足城市化及混凝土材料性能提高的要求，廣東省商品混凝土攪拌站已有上百家，外加劑普遍使用，與外加劑相容性好的高標(biāo)號水泥被首選、配制混凝土的粗細(xì)骨料質(zhì)量要求及配制技術(shù)不斷提高。這些均是提高混凝土材料性能的措施及保證。從混凝土材料的發(fā)展及配制技術(shù)的提高，人們也越來越認(rèn)識到水泥高性能化的重要性。簡而言之，社會、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，要求混凝土材料的高性能化。這促進(jìn)了混凝土技術(shù)的發(fā)展，為配制高性能混凝土及降低生產(chǎn)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產(chǎn)混凝土的基礎(chǔ)。目前廣州市絕大部分重點(diǎn)工程、尤其是對混凝土性能要求較高的工程所用水泥均為省內(nèi)幾家大水泥廠提供，這主要是由水泥性能決定的。

　　立窯、濕法窯、新型干法窯廠家若能不斷改善生產(chǎn)工藝條件，優(yōu)化工藝參數(shù)，提高水泥性能，實(shí)現(xiàn)或部分實(shí)現(xiàn)水泥的高性能化，可在成本相差不大的條件下生產(chǎn)出性能更優(yōu)越的水泥，使其配制相同等級混凝土的成本更低、性能更好，水泥產(chǎn)品市場競爭力更強(qiáng)。

2 水泥高性能化的含義
　　目前水泥生產(chǎn)廠家對水泥的高性能化認(rèn)識不全面。在我國水泥與混凝土分屬于兩個(gè)行業(yè)，生產(chǎn)水泥的技術(shù)人員不了解混凝土技術(shù)及進(jìn)展，更不懂得如何使水泥的性能與配制混凝土技術(shù)相適應(yīng)，往往將高標(biāo)號、高比表面積的水泥認(rèn)為是優(yōu)質(zhì)水泥的唯一標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果出現(xiàn)了水泥與外加劑相容性差，配制大體積混凝土?xí)r溫度應(yīng)力大、收縮大及耐久性差等問題。

　　本文認(rèn)為：水泥性能的優(yōu)劣必須從水泥在混凝土中的使用性能及效果來衡量。水泥的高性能化應(yīng)包括以下三方面的含義：（1）是用現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)的可大幅度提高各項(xiàng)物理性能的水泥。（2）可滿足混凝土性能的不同要求，顯著改善混凝土的工作性能、力學(xué)性能、耐久性能，更有利于實(shí)現(xiàn)混凝土的高性能化。（3）在配制混凝土?xí)r，能夠用最少的水泥用量來達(dá)到高性能混凝土目標(biāo)。

　　國標(biāo)GB175-1999中已對各等級的水泥物理性能作了要求及規(guī)定。但要使水泥在配制混凝土，尤其是配制高性能混凝土?xí)r體現(xiàn)出更優(yōu)良的性能，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度要低。這對減少配制混凝土?xí)r的需水量，提高混凝土性能有利。（2）水泥膠砂的抗折、抗壓強(qiáng)度高。這與所配制混凝土的力學(xué)性能及生產(chǎn)成本直接相關(guān)。（3）水泥與外加劑相容性好。水泥與外加劑相容性的好壞決定了配制混凝土?xí)r的需水量、塌落度經(jīng)時(shí)損失、外加劑摻量等，直接影響著混凝土拌合物的工作性能、混凝土的力學(xué)性能及生產(chǎn)成本。這是水泥高性能化中最重要的性能之一。（4）水泥配制砂漿和混凝土?xí)r泌水率小、水化熱低、化學(xué)收縮值較小。這對所配制混凝土的耐久性、體積穩(wěn)定性有直接關(guān)系。

　　從現(xiàn)階段認(rèn)識來看，水泥的高性能化應(yīng)具有以下的特點(diǎn)：配制混凝土?xí)r需水量低、流動(dòng)性好、與外加劑（高效減水劑）有較好的相容性；具有較高的膠砂強(qiáng)度，在配制混凝土?xí)r，能減少水泥用量，增大礦物摻合料用量，實(shí)現(xiàn)混凝土的綠色化；水泥的顆粒分布合理，使之更有利于提高混凝土的工作性能與耐久性能。

3 影響水泥高性能化的主要因素
　　針對水泥高性能化的要求，我們研究了熟料燒成工藝條件（熟料的礦物組成、煅燒溫度、燒成速度、冷卻制度）、水泥顆粒分布、混合材種類等因素的影響，分述如下：

3.1、熟料礦物組成的影響
　　C3S水化速度快，早后期強(qiáng)度高；C2S水化速度慢，水化熱低，對28天以后強(qiáng)度增長有利；C3S與C2S礦物總量越高，水泥的力學(xué)性能、耐久性能越好。C3A與C4AF為熔劑礦物，C3A需水量與水化熱最大，凝結(jié)硬化快，對早期強(qiáng)度較有利，但水化產(chǎn)物穩(wěn)定性較差，硬化漿體強(qiáng)度不高，對混凝土的工作性能與耐久性能不利。從與外加劑相容性的研究結(jié)果來看，C3A吸附減水劑能力最強(qiáng)，其次是C4AF，C3S與C2S對減水劑的吸附較少[1]。一般來說熟料硅酸率越高，越有利于提高水泥的力學(xué)性能及其與外加劑的相容性。但由于熟料礦物吸附減水劑的能力還受礦物的固溶量、結(jié)晶狀態(tài)等因素影響，故不可單從率值的大小來判斷水泥性能的優(yōu)劣。若熟料燒成率較高，硅酸鹽礦物含量較多，A礦晶體發(fā)育良好，大小適中，晶形較好，f-CaO含量低時(shí)，水泥的力學(xué)性能及與外加劑的相容性就較好。

3.2、熟料的燒成溫度及燒成速度的影響
　　高溫?zé)傻氖炝吓c低溫?zé)傻氖炝媳憩F(xiàn)出的性能不同。高溫快燒的熟料，硅酸鹽礦物固溶較多其他組分（如C3S固溶Al2O3、Fe2O3、MgO等形成A礦）。這增加了A礦的含量及內(nèi)能，提高了水化活性，并使C3A與C4AF含量減少。其固溶量隨溫度的升高及燒成速度的加快而增大。故高溫快燒的熟料，A礦發(fā)育良好，尺寸適中，邊棱清晰，水泥漿體強(qiáng)度較高，與外加劑相容性好。低溫?zé)傻氖炝?，硅酸鹽礦物活性較差，膠砂強(qiáng)度較低。并且由于C3S固溶Al2O3、Fe2O3減少，熟料礦物中析晶出來C3A、C4AF較多，水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量大，與外加劑相容性差。

3.3、冷卻制度的影響
　　熟料在較高溫度范圍（1450~1200℃）的快速冷卻，有利于A礦保持良好的晶形，減少C2S粉化，硅酸鹽礦物活性較高；溶劑礦物多以玻璃體存在，大量減少C3A和C4AF的析晶。因而快冷熟料，即使C3A、C4AF計(jì)算含量較高，由于大部分以玻璃體存在，所磨制的水泥仍與外加劑相容性好，凝結(jié)時(shí)間正常，水泥強(qiáng)度較高。慢速冷卻時(shí)，熟料中β-C2S轉(zhuǎn)變?yōu)棣?C2S，礦物活性降低，C3A、C4AF大量析晶，磨制的水泥與外加劑相容性差。

3.4、水泥的顆粒分布與形狀的影響
　　水泥中4~30um的顆粒對強(qiáng)度增長貢獻(xiàn)最大，大于60um的顆粒對強(qiáng)度基本不起作用，小于3um的顆粒對減少泌水、縮短凝結(jié)時(shí)間、提高1天強(qiáng)度有利。水泥顆粒分布集中，顆粒堆積的空隙率大，水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度大，凝結(jié)時(shí)間長，1天強(qiáng)度低，與外加劑的相容性也較差，反之亦然。故較佳的顆粒分布是水泥顆粒較分散，使之在漿體中能達(dá)到最緊密堆積，若顆粒分布都集中在4~30um，則水泥的力學(xué)性能得以更充分地發(fā)揮，與外加劑相容性也較好[7]。此外，水泥的比表面積大小要適當(dāng)，比表面積過大，細(xì)顆粒含量過多，易造成水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量增大，配制混凝土?xí)r需水量增大，水泥與外加劑相容性變差等問題。反之，水泥比表面積過小，凝結(jié)時(shí)間延長，早期強(qiáng)度低，易造成較嚴(yán)重的泌水現(xiàn)象。水泥顆粒的球形度對水泥的流變性能影響較大，球形度高的顆粒流動(dòng)性能好，對減少配制混凝土?xí)r的需水量、改善水泥與外加劑相容性均有利。但目前國內(nèi)生產(chǎn)設(shè)備尚難以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

3.5、混合材的影響
　　混合材種類及摻量對水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、水泥與外加劑的相容性及配制混凝土?xí)r的需水量影響較大。在水泥中摻入大量輕燒態(tài)的火山灰質(zhì)混合材，會嚴(yán)重破壞水泥各方面的使用性能，應(yīng)引起重視，并嚴(yán)加限制。經(jīng)研究表明礦渣、石灰石、較優(yōu)質(zhì)的粉煤灰等材料做混合材對水泥的使用性能、與外加劑的相容性、混凝土的工作性能、力學(xué)性能及耐久性能影響較少。

　　此外，水泥中石膏的品種及摻量、堿含量、含碳量等對水泥的高性能化也有影響。

4、實(shí)現(xiàn)水泥高性能化的主要途徑
4.1、優(yōu)化熟料的礦物組成、燒成溫度、速度及冷卻速度
　　熟料礦物組成要根據(jù)工業(yè)窯爐的預(yù)燒及燒成能力來設(shè)定。對大型預(yù)分解窯，可選用較高的硅酸率、鋁氧率和適中的飽和系數(shù)，這樣有利于提高熟料的燒成溫度。在新型干法窯系統(tǒng)中，由于物料預(yù)燒好，燒成溫度高，燒成速度快（提高窯的快轉(zhuǎn)率），冷卻速度快（窯內(nèi)冷卻帶短，選用新型冷卻機(jī)），可形成較多的硅酸鹽礦物和玻璃體，C3A、C4AF大部分固溶于A礦及形成玻璃體。這種熟料磨制的水泥性能優(yōu)良。受濕法窯的預(yù)燒能力及熱力強(qiáng)度的限制，配料的硅酸率難與預(yù)分解窯相比，但也應(yīng)盡量提高硅酸率（如n=2.3左右），一般來說濕法窯窯內(nèi)冷卻帶較長，燒成溫度、速度及冷卻速度均不及預(yù)分解窯，故鋁氧率不宜過高。立窯廠的配料應(yīng)盡量提高燒成溫度和硅酸率，但受客觀條件限制，難以與預(yù)分解窯、濕法窯相比，并且立窯煅燒的不均勻性及熟料冷卻速度較慢，故立窯水泥與外加劑的相容性一般較差。

4.2、優(yōu)化水泥的顆粒分布
　　對比實(shí)驗(yàn)證明，水泥顆粒的連續(xù)級配及緊密堆積；增加30um以下的顆粒含量；控制適宜的水泥比表面積；是優(yōu)化水泥顆粒分布的三個(gè)目標(biāo)值。這對于減小水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量，減少配制混凝土的需水量，改善與外加劑的相容性，提高水泥、混凝土的強(qiáng)度及混凝土耐久性均有利。初步的對比結(jié)果表明：開流粉磨系統(tǒng)磨制的水泥（比表面積在360~390m2/kg）更有利于性能的最優(yōu)化。若考慮系統(tǒng)的節(jié)能或水泥顆粒分布的可調(diào)性，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化等因素，應(yīng)選用哪種粉磨系統(tǒng)及設(shè)備磨制水泥尚需進(jìn)一步對比研究。水泥顆粒的球形化無疑對水泥性能有利，但國內(nèi)目前難以實(shí)現(xiàn)。

4.3、混合材的優(yōu)化
　　從水泥的高性能化考慮，水泥中應(yīng)少摻或不摻混合材?；旌喜牡募尤霑档退嗟哪z砂強(qiáng)度及與外加劑的相容性?；旌喜囊瞬捎脫胶狭闲问皆谂渲苹炷?xí)r，根據(jù)混凝土性能的需要酌情加入。高性能水泥若要摻加混合材，應(yīng)選擇礦渣、石灰石、優(yōu)質(zhì)粉煤灰等材料，摻量不宜過多。

4.4、熟料配方、水泥顆粒分布的設(shè)定還應(yīng)盡量考慮降低水泥水化熱、泌水率、收縮等性能。

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