42.5強(qiáng)度等級(jí)高鎂低堿中熱水泥的研制與開(kāi)發(fā)

李向春

（甘肅祁連山水泥集團(tuán)股份有限公司，甘肅 蘭州 730030）

0 前 言

中熱硅酸鹽水泥是一種適用于大壩、橋梁、海港水工建筑、地下基礎(chǔ)等復(fù)雜環(huán)境下的大體積混凝土結(jié)構(gòu)工程，具有水化熱低、抗硫酸鹽性能強(qiáng)、干縮低、耐磨性能好的特點(diǎn)。上世紀(jì)八十年代以來(lái)，中熱水泥是我公司生產(chǎn)的主要特種水泥產(chǎn)品，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，主要供應(yīng)黃河上游各大水電工程。隨著技術(shù)和市場(chǎng)的不斷發(fā)展變化，水電工程對(duì)原材料的技術(shù)要求和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，尤其是三峽大壩、青海省拉西瓦水電工程等項(xiàng)目所用的水泥，技術(shù)指標(biāo)尤為苛刻，水泥不但要具備中熱水泥的特性，而且要求具有微膨脹性能且耐久性強(qiáng)的符合一定氧化鎂、堿含量特點(diǎn)的水硬性膠凝材料。由于拉西瓦水電工程處于高原寒冷地區(qū)，對(duì)電站大壩混凝土的性能指標(biāo)、材料標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量控制提出嚴(yán)格的要求，為了滿足工程需求，公司組織試驗(yàn)研究，開(kāi)發(fā)生產(chǎn)高鎂低堿中熱水泥。

1 技術(shù)要求

根據(jù)中熱硅酸鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)GB200-2003規(guī)定，42.5強(qiáng)度等級(jí)中熱水泥必須滿足以下技術(shù)要求，見(jiàn)表1。

根據(jù)市場(chǎng)工程需要，提出了在滿足GB200-2003標(biāo)準(zhǔn)要求的同時(shí)，還應(yīng)滿足以下要求：

· 水泥中的MgO含量必須控制在3.5%～5.0%；

· 水泥中的堿含量（Na2O+0.658K2O）≤0.6%；

· 水泥熟料中的C4AF宜≥16%；

· 水泥比表面積宜控制在250m2/kg～300m2/kg；

· 水泥28d抗折強(qiáng)度宜≥8.0MPa；

· 水泥水化熱應(yīng)能滿足GB200-2003的要求，且7d水化熱不大于280kJ/kg。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 生料配料方案

高鎂低堿中熱水泥熟料采用石灰石、廢石、粉煤灰、高鎂石和硫酸渣五組份配料。根據(jù)多年來(lái)水泥生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，確定出窯熟料的三項(xiàng)率值控制指標(biāo)為：

KH=0.880±0.02 SM=2.35±0.10 IM=0.90±0.10

配料方案中所用各原燃材料化學(xué)成份見(jiàn)表2。

入窯煤粉灰份23.52%，煤耗0.272kg/kg，煤灰沉降率100%。

根據(jù)所定熟料三項(xiàng)率值及原燃材料的化學(xué)成份，計(jì)算出原料配比，見(jiàn)表3。

表1 42.5強(qiáng)度等級(jí)中熱水泥技術(shù)要求

表2 原燃材料化學(xué)成份（%）

表3 原料配比（%）

設(shè)計(jì)生料及熟料成份見(jiàn)表4。

2.2 水泥粉磨

根據(jù)公司多年中熱水泥粉磨經(jīng)驗(yàn)，將初步技術(shù)指標(biāo)確定為：

細(xì)度：4.5%±1.0%；

比表面積：285m2/kg±15m2/kg；

SO3：1.80±0.30%。

3 生產(chǎn)控制

根據(jù)公司生產(chǎn)及儲(chǔ)庫(kù)情況，選擇一條產(chǎn)量較低的水泥窯和一臺(tái)性能較為穩(wěn)定的水泥磨進(jìn)行試驗(yàn)生產(chǎn)。在試生產(chǎn)過(guò)程中，由于高鎂石中的MgO含量波動(dòng)大，MgO含量整體偏低，與實(shí)際預(yù)測(cè)的相差太大，給配料帶來(lái)很大的困難。通過(guò)采取增加檢驗(yàn)、配比調(diào)整頻次，使生料中的MgO含量趨于穩(wěn)定；從理論計(jì)算要使熟料中的MgO達(dá)到4.30%左右，生料中的MgO必須達(dá)到3.00%以上；生料堿含量約為0.35% 熟料堿含量約為0.42%；熟料中各化學(xué)成分設(shè)計(jì)要求應(yīng)滿足C3S≤53.0%、C3A控制在3.5%～4.5%、C4AF控制在15.0%～16.5%、Al2O3含量控制在4.50%～4.70%，F(xiàn)e2O3含量控制在5.20%～5.40%。

生產(chǎn)控制過(guò)程中熟料煅燒是關(guān)鍵，所以選擇使用灰分＜23%，熱值＞22 990kJ/kg（5 500kcal/kg）的煙煤，由于生料中MgO含量較高，煅燒過(guò)程感到結(jié)粒增大，窯皮長(zhǎng)厚，窯況明顯惡化，熱工制度不穩(wěn)定，出窯熟料黃心料較多，游離鈣波動(dòng)較大。經(jīng)過(guò)多次長(zhǎng)時(shí)間摸索總結(jié)，適當(dāng)提高熟料飽和比的同時(shí)，降低水泥窯后系統(tǒng)溫度，關(guān)鍵要保證熟料的急冷效果，才能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和熟料質(zhì)量。

粉磨過(guò)程以控制比表面積為主，盡量偏低控制，這樣既可以降低早期水化熱并保證早期強(qiáng)度，又對(duì)混凝土溫度控制有好處；要關(guān)注出磨水泥溫度，控制在75℃以下，避免石膏脫水而影響水泥質(zhì)量。

4 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)連續(xù)性生產(chǎn)試驗(yàn)，選擇較為可靠的控制參數(shù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，熟料化學(xué)成分和物理性能見(jiàn)表5，出磨水泥質(zhì)量指標(biāo)和物檢性能見(jiàn)表6（1）、（2），水泥線膨脹率見(jiàn)表7。

水泥的顆粒級(jí)配分布見(jiàn)圖1。

根據(jù)樣品質(zhì)量情況，向國(guó)家水泥監(jiān)督檢驗(yàn)中心送樣檢驗(yàn)，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表8。

表4 生料及熟料成份

表5 熟料化學(xué)成分和物理性能

表6 （1）出磨水泥質(zhì)量指標(biāo)和物檢性能

表6 （2）出磨水泥質(zhì)量指標(biāo)和物檢性能

表7 42.5強(qiáng)度等級(jí)高鎂低堿中熱水泥線膨脹率

圖1 水泥的顆粒級(jí)配分布

通過(guò)對(duì)出磨水泥的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明各項(xiàng)指標(biāo)均處于穩(wěn)定、合理的分布區(qū)域，水泥質(zhì)量穩(wěn)定可靠。在拉西瓦水電工程使用過(guò)程中反映良好，混凝土外加劑適應(yīng)性能好，實(shí)物強(qiáng)度較高。

5 技術(shù)分析

（1）根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)際生產(chǎn)，要使水泥中MgO含量達(dá)到3.5%～4.5%，必須使生料中的MgO含量達(dá)到1.8%～2.4%，且根據(jù)生產(chǎn)情況統(tǒng)計(jì)分析，生料和熟料中的MgO呈非線性關(guān)系。（2）在熟料煅燒過(guò)程中，廢氣溫度偏低且下降幅度大又快，燒成帶煅燒范圍比較窄，物料起火快，窯皮反應(yīng)變化大，移動(dòng)火咀頻繁，從窯體外觀檢查對(duì)窯皮侵蝕較嚴(yán)重，刷窯皮，熟料結(jié)粒能控制，稍散、易亮，總體操作參數(shù)比普通料偏小控制。

（3）熟料外觀，根據(jù)熟料巖相分析，該批熟料煅燒狀況不是太理想，方鎂石結(jié)晶較粗大，且多以骨骼狀分布，也有部分與硅酸二鈣（2CaO·Si2）形成的固溶體。

（4）通過(guò)工業(yè)大磨生產(chǎn)與試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)高鎂水泥細(xì)度會(huì)直接影響水泥早期強(qiáng)度，在同樣的條件下細(xì)度越小，早期強(qiáng)度越高，細(xì)度越大，早期強(qiáng)度越低。這證明了《水泥物理檢驗(yàn)與巖相檢驗(yàn)》（山東建筑工業(yè)學(xué)院編） 中所闡述的“生產(chǎn)高鎂水泥時(shí)，采取將生料粉磨得細(xì)一些，水泥也粉磨得細(xì)一些，以減少M(fèi)gO對(duì)水泥石的破壞作用。”

表8 樣品質(zhì)量檢驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

（5）根據(jù)本次生產(chǎn)檢驗(yàn)情況，水泥的早期強(qiáng)度普遍偏低，但增進(jìn)率較高，其水化熱又較低，因此仍可適當(dāng)提高水泥的SO3或比表面積，在保證水泥水化熱的前提下，提高3d強(qiáng)度。

6 研制結(jié)論

根據(jù)本次組織生產(chǎn)、檢驗(yàn)和國(guó)家質(zhì)檢中心對(duì)比情況，我公司利用現(xiàn)有的原燃材料和生產(chǎn)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)了一次性成功研制開(kāi)發(fā)試生產(chǎn)高鎂低堿中熱水泥，同時(shí)滿足了GB200-2003標(biāo)準(zhǔn)要求和市場(chǎng)項(xiàng)目建設(shè)公司提出的特殊技術(shù)指標(biāo)，通過(guò)研制開(kāi)發(fā)生產(chǎn)總結(jié)，認(rèn)為組織生產(chǎn)高鎂低堿中熱水泥首先要提前儲(chǔ)備足量的MgO含量較高的鎂礦石（最好在20%以上），改進(jìn)高鎂礦石在生料粉磨之前的摻加計(jì)量方式，保證高鎂礦石的穩(wěn)定摻加；在生產(chǎn)過(guò)程中，將生料MgO和Fe2O3含量控制為2.80%～3.00%和3.00%左右，游離氧化鈣含量控制在0.8%左右；出磨水泥細(xì)度控制在3.0%以下，SO3控制為2.00±0.30%，比表面積控制為300m2/kg以下；重點(diǎn)要關(guān)注熟料的煅燒與冷卻，建議利用圈流粉磨系統(tǒng)生產(chǎn)，能有效控制出磨水泥溫度。

42.5 強(qiáng)度等級(jí)高鎂低堿中熱水泥的成功開(kāi)發(fā)生產(chǎn)，進(jìn)一步開(kāi)辟了水泥市場(chǎng)，增加了新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，先后為青海拉西瓦水電工程項(xiàng)目提供30余萬(wàn)噸的高鎂低堿中熱水泥，滿足了顧客需求，積累了大量生產(chǎn)特性水泥的技術(shù)參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)。