生产优质水泥的关键技术

1、生产优质水泥的关键技术樊 粤 明 吴 笑 梅1报告主要内容4 水泥品质现状及存在问题123 优质水泥的评价 生产优质水泥的关键技术 结语2（一）水泥的品质现状 1、为施工快速的需求，过分追求水泥早强； 2、为节约粉磨电耗，造成水泥颗粒分布集中，性能较差； 3、过分追求窑台产（仅看f-CaO，升重），造成水泥与外加剂相容性差； 4、只看水泥强度、成本，滥用混合材，造成水泥性能较差。（二）以上现状带来的一系列问题 1、生产依赖于优质石灰石资源； 2、熟料烧成难度增大，窑的热负荷大，窑炉的运转率较低； 3、水泥比表面积提高，粉磨能耗增加； 4、水泥与外加剂相容性差，混凝土抗疲劳、抗冲击性、耐磨性下降

2、， 干缩增大。 1. 水泥的品质现状及存在问题32. 优质水泥的评价良好的外加剂相容性；合理的强度性能：适当的早期强度、较高的后期及远龄期强度；水泥的矿物组成及颗粒组成合理，有利于提高混凝土的各项性能。4（1） 现代混凝土施工性能的要求： 在设定W/C及一定外加剂掺量条件下，达到最大的塌落度、扩展度、可泵性和较小的经时损失（和易性好）。影响这一性能的因素很多，如配制技术、砂、石、掺合料等材料，但水泥是重要的因素之一。（2）外加剂相容性的定义及评价方法 水泥与外加剂相容性的定义：绘制以外加剂掺量为横坐标，流动度为纵坐标的曲线，其中外加剂掺量低，流动度大，流动度经时损失小的水泥，外加剂相容性就好。

3、2.1 外加剂相容性5水泥与外加剂相容性的检测方法： a)净浆流动度法（屈服应力）b)Marsh筒法（屈服应力表观粘度）饱和点6 相容性对混凝土性能的影响： a)相容性好的水泥配制混凝土成本低，维持可施工时间长; b)相容性差的水泥配制混凝土成本高，难以配制高强及高工作性的混凝土。 （3）影响相容性的因素 从水泥的角度讲：熟料矿物组成、烧成制度、水泥颗粒分布、石膏品种与掺量、混合材品种与掺量，有害组分等。 因此，从混凝土性能要求出发，水泥具有良好与稳定的外加剂相容性是配制优质混凝土必需具备的条件，这是评价优质水泥的重要指标之一。72.2 水泥的胶砂强度 混凝土强度取决于结构的致密程度及水泥的胶

4、凝性。水泥的胶凝性主要依赖水泥的28天及远期胶砂强度；水泥早强高，对减少施工养护及加快模板周转有利，对混凝土的耐久性不利。（1）混凝土的抗压强度与水泥胶砂强度的关系 鲍罗米公式：RhA Rc（C/WB） 当C（CF）时 RcR(C+F) Rh试配强度（MPa）； Rc水泥28d胶砂强度（MPa） C/W灰水比；A、B与骨料性能、砂率等有关的常数由此可见：a) Rc与Rh （28天强度的关系） 胶凝性 b) C/W与 Rh的关系 混凝土的致密性 8 因此：强度高，有利于混凝土W/C降低（与外加剂相容性好，需水量低）的水泥，则有利于提高混凝土的强度。 水泥工程技术人员往往更重视从提高水泥胶砂强度来

5、提高水泥的质量，而忽视了或尚未认识到水泥对混凝土用水量的影响更为重要。从事配制混凝土材料的工程技术人员，往往是通过改变W/C来设计混凝土的强度。要在混凝土中实现较低的W/C，水泥必须具有良好的外加剂相容性。9（2）不同龄期水泥胶砂强度对混凝土耐久性的影响 a）水泥早强（3d）高，水化放热快且大，导致混凝土内部温升快且高，冷却后残余的温度应力较高，混凝土的抗裂性能下降 ，往往对混凝土的耐久性不利。 b ) 水泥后期（28d）及远龄期（90d或180d）强度高，对混凝土的强度补充与自愈合能力非常重要。这是因为作为多相复合材料，混凝土不可避免存在结构缺陷，且它通常处于日晒雨淋、干湿交替、冻融循环，甚

6、至更加恶劣的环境条件下，漫长使用过程中强度损失或受到损害或破坏难以避免。 由此可见，水泥3d强度是施工的要求（缩短养护时间，加快模板周转），水泥28d强度是混凝土设计强度的需要，而远龄期强度指标则是混凝土耐久性（强度补充及自愈合）的需要。水泥合理或较低的早期强度，较高的后期及远龄期强度是优质水泥重要的性能指标之一。 102.3 满足混凝土其它耐久性能的要求 现代混凝土建筑由于投资大、规模大，对混凝土的耐久性要求越来越高，否则会造成巨大的浪费。除了对水泥强度要求之外，还对水泥的水化热、胶砂干缩率、抗疲劳、抗冲击性等方面的要求越来越高（如：大体积工程、道路、管桩等）。 为揭示熟料矿物组成对混凝土多

7、项性能的影响，使水泥生产技术人员能更好地认识所设计生产的产品对混凝土建筑工程及构件性能的影响，本实验选取了均由5000t/d新型干法窑生产的具有不同矿物组成的四种水泥熟料，加入适量二水石膏，在小磨 (500mm500mm) 制成相同比表面积（350-360m2/kg）的P42.5硅酸盐水泥。 11编号1d抗压1d抗折3d抗压3d抗折28d抗压28d抗折60d抗压60d抗折90d抗压90d抗折C118.24.135.06.960.59.264.39.667.89.9C213.03.428.26.053.98.963.89.86610.0C311.83.128.85.953.68.960.69.7

8、63.610.3C414.03.332.06.155.28.860.49.663.39.8编号C3SC2SC3AC4AFClinker157.3219.569.4110.21Clinker256.9317.635.0714.23Clinker356.4417.222.7916.66Clinker461.9210.884.4814.682.3.1熟料矿物组成及其胶砂强度122.3.2 不同龄期的水化热（kJ/kg）编号1d 3d7d28dC1215.0 272.5 327.3385.3C2171.1 265.2 307.2362.0C3183.3 272.6 325372.9C4170.7 29

9、1.6 339.5367.7C3A的影响较大C3S的影响较大水泥水化热，主要是关注1、3天水化热的差异。而熟料中C3A、C3S含量是影响1,3天水化热最主要的因素。由于混凝土材料散热慢，早期水化热，材料温升，结构应力，易开裂，耐久性。故水泥早期强度越高，水化热越大，工程开裂越多，混凝土的耐久性越差。132.3.3 胶砂干缩混凝土收缩率Sc与砂浆收缩率Sp的关系: Sc=Sp(1-a)n （Sc与Sp的W/C要相对应） a骨料的体积分数 n经验数值 1.21.7 由此可见混凝土的收缩率与水泥胶砂收缩率成正比收缩率C4C1C3C2，即高C3S含量水泥胶砂收缩量相对较大，而C3S、C2S含量接近时，

10、较高的C3A和较高的C4AF都会导致水泥胶砂收缩增加。 14（1）混凝土配合比及强度水灰比水水泥砂1-2石1-3石减水剂0.441543506834048093.082.3.4 混凝土实验结果编号28d抗压28d抗折90d抗压90d抗折C149.1 5.1 53.8 5.4 C241.4 4.7 50.9 5.3 C342.5 4.6 51.6 5.3 C444.9 4.6 52.4 5.2 从混凝土的28天强度对比结果，有C1C4C3C2；90天强度差异已不大了。（kg/m3）（MPa）1544%61%（1）从 混凝土C1、C2、C3的抗疲劳次数结果得出，当（C4AF+C3A）含量基本相同时

11、，（C4AF/C3A）比值增加，混凝土抗疲劳能力。（2）从混凝土C2与C4对比可知，熔剂矿物含量及组成相近时，C3S含量愈高，混凝土的抗疲劳性能愈差，28d高31%，90d高39%。C3抗疲劳性能最好，28d比C4高44%，90d高61%。但从水泥胶砂强度看C3是最差的，C1和C4是最好的。（3）砂浆抗疲劳性能和混凝土的结果基本一致。再次说明混凝土的性能要求与水泥的强度要求不一致。16（3） 抗冲击性能落锤冲击试验机冲击作用后试块落锤作用过程1728d龄期时，C1C4C290d龄期时，C1 C4C2随着龄期增加，低C3S高C2S含量水泥的混凝土在抗冲击性能上有更大的提高。 C1、C2、C3的抗

12、冲击次数随着熟料中C4AF/C3A比值的增加而增多；C1、C4样C3S含量最多，抗冲击性能最差抗冲击是低周疲劳损坏。其规律与混凝土抗高周疲劳结果一致。即C3S、C3A含量高的水泥，其混凝土抗冲击性能较差。18滚珠轴承式耐磨试验机实物图 滚珠轴承式耐磨试验机（4） 耐磨性能19耐磨度计算公式：式中 Ia 耐磨度，精确到0.01； R磨头转数，千转； P磨槽深度，mm有效地模拟粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损，与真实的车轮磨损路面的状况接近。20C2 C4C2高于C4约31%C2S的作用C1、C2、C3的耐磨度随着熟料中C4AF/C3A比值的增加而增多。水泥矿物组成对混凝土的抗耐磨影响的规律与抗疲劳规

13、律基本一致： （1）混凝土及砂浆C1、C2、C3的耐磨度随熟料中C4AF/C3A比值的增加而增多。 （2）养护龄期从28d延长至90d，C2S含量差异对耐磨性能的影响更为显著。 21上述结果表明：当熟料中熔剂矿物总量在19-20%时，随着熟料中C4AF/C3A比值提高，所配制混凝土的抗疲劳、抗冲击、耐磨性能都显著提高；当熟料中硅酸盐矿物总量相近时，低C3S高C2S含量水泥配制的混凝土的抗疲劳、抗冲击、耐磨性能优于高C3S低C2S含量水泥配制的混凝土。应在保证C3S含量满足强度要求的前提下，提高熟料中C2S、C4AF，减少C3A矿物的含量对提高配制混凝土的抗疲劳、抗冲击、耐磨性能有利。22 综上

14、所述，若从水泥配制混凝土的多项性能来考虑，优质水泥应该具有下列特点：（1）标准稠度用水量低 （25%） （2）良好的外加剂相容性（饱和点1.4%） （3）较高的胶凝性（28d及远龄期强度） （4）良好的矿物组成（C4AF14%，C3A6 C2S 20,f-CaO 1， C3S55% ） （5）低水化热 （3d270KJ/kg） （6）水泥颗粒组成均匀系数n1。 （这方面的混凝土试验结果此前已论述） 优质水泥的目标：能满足混凝土的不同用途要求，配制混凝土具有良好的工作性能、力学性能、耐久性能，体积稳定性及实现最低的混凝土生产成本。 混凝土致密性与高工作性能的保证混凝土较高力学性能的保证混凝土的耐

15、久性及体积稳定性233、生产优质水泥的关键技术及控制参数 3.1 熟料配方的设定与调整 设定：中饱和系数、低铝氧率、 硅酸率根据原材料易烧性及窑产量而定 常规配方：KH0.900.92；p1.61.8 ； n2.52.8 推荐配方：KH0.890.91； p0.91.2 ； n2.22.6 为避免结皮堵塞及提高烧成温度，还需减少熟料中K、Na、Cl等有害成分及不利的组分如SO3及MgO。 矿物组成实现较低C3A、较高的C2S、C4AF、适中的C3S； 目的：使生产的水泥具有低需水量、良好外加剂相容性、适中胶凝性、较低水化热、较高抗腐蚀性能、抗冲击性、抗疲劳性和良好的耐磨性。 调整：由于各地区原

16、材料易烧性、窑的热力强度、企业工艺技术水平存在差异，水泥市场的接受程度有差异，可考虑对推荐配方进行调节。 24a)原材料易烧性较差的地区及窑烧成热力不足或追求台时产量较高的企业，可适当降低n值；b)工艺技术水平、操作水平尚适应不了这种烧成范围较窄的配方，可适当提高p值，逐渐过度；c)当地区要求水泥早期强度较高（如PO42.5水泥，3d强度要求30MPa以上），可适当提高KH和p值，降低n值；若要求熟料后期强度较高时，宜提高n值。 但上述调整（除提高n值）都对水泥品质优化不利。253.2 烧成制度的优化要求：合理的烧成温度（较高温），快烧，急冷，及氧化气氛下烧成 （不能仅以f-CaO含量、升重为

17、标准）以饱和点、标准稠度（熟料标准稠度24%，饱和点1.4）作为熟料烧成质量的判断参数。目的：在一定的矿物组成条件下，使矿物晶体发育良好，具有较高的固 溶量及活性；获得低需水量、良好外加剂相容性、高胶凝性的水泥。煅 烧温 度低高随着煅烧温度的提高，A矿晶轴比减小，大小适中。13801420145026结果表明：随着熟料煅烧温度提高，A矿固溶Al2O3、Fe2O3的量显著提高，活性提高：对强度及外加剂相容性有利。 A的化学成分 样 品 化 学 成 分SiO2Fe2O3Al2O3CaOMgO熟料4A（1380）25.080.981.4866.842.8897.26熟料1A（1420）24.421.

18、051.9767.862.3597.65熟料9A（1450）24.341.132.0167.052.5897.11即：为提高水泥胶砂强度，应尽可能不通过增加熟料中C3S、C3A含量来达到，这必然会损害混凝土的性能；而应通过较高的煅烧温度（增加A矿固溶量）及快速冷却来实现。 27冷 却 速 度快慢 冷却速度越慢，A矿晶体增大，自形性差，活性下降；中间体析晶增多，即C3A、C4AF析晶。对水泥强度、外加剂相容性很不利。 28还 原 气 氛正 常 气 氛还 原 气 氛正常 气 氛B矿A矿暗色中间体29正常气氛还原气氛 窑内还原气氛，会出现CO，使窑内结皮加剧，熟料升重增大，并降低熟料的烧成温度，A、

19、B矿发育不良，形成黄心料（铁钙橄榄石），C3A含量明显增多，而且暗色中间体析晶严重（原因：温度、粘度及FeO等），导致水泥强度下降，需水量增大，外加剂相容性变差。30 综上所述，为生产优质熟料的烧成工艺要求来看，应控制好如下窑炉烧成的工艺参数：（1）实行薄料快烧，正常条件下窑速达到额定转速的90左右；（2）采用调整火焰形状方便，具有较强煤风混合能力，热力强度充足的燃烧器；（3）煤粉细度宜控制细些（烟煤58,无烟煤1），水分1400PPm，O2含量在12，CO含量为零，头煤比例宜占总煤量的40左右；（5）窑内不存在冷却带，加强冷却机头端的风量，强化高温熟料的急冷；（6）熟料升重控制指标宜根据矿物

20、发育状况及其性能指标来设定，它与配方、气氛、物料易烧性及破碎状况有关。f-CaO含量只反映烧成反应进行的程度，并不代表矿物生长状况。优质熟料要求矿物组成合理、矿物发育良好、标准稠度低和饱和点低。31颗粒分布堆积空隙率标准稠度水化热凝结时间胶砂强度 3.3 水泥粉磨工艺的优化 3.3.1水泥颗粒分布的优化 （1）颗粒分布对性能的影响外加剂相容性胶砂干燥收缩粉磨电耗32堆积密度与n值的关系斜率较大颗粒分布与均匀性系数、堆积密度、水泥标准稠度的关系33颗粒分布对水泥与外加剂相容性的影响1. 对相容性的影响a）对饱和点的影响影响成本b）对流出时间的影响c）对经时损失的影响比表面积样品n值饱和点流出时间

21、320m2/kg10.813 0.722.0920.830 0.728.9831.035 1.126.61380m2/kg40.934 1.222.6350.960 1.241.2361.111 1.447.67（1）分别对比13，46，随n值增大，饱和点掺量增大，饱和点Marsh时间延长；（2）对比1与4，比表面积增大，饱和点掺量增大（开路）。（3）对比3与6，比表面积增大，饱和点掺量增大，Marsh时间变化明显（闭路）。由此可见：水泥颗粒集中，n值增大，比表面积增大，对水泥与外加剂相容性的不利影响十分显著，这将直接影响水泥的使用价值及高标号混凝土的配制。34n值越大，干缩率越大比表面积增大

22、，干缩率增大。由此可见：n值对干缩性能的影响比比表面积的大 颗粒分布对混凝土干缩性能的影响比表面积样品n值320m2/kg10.813 31.035 380m2/kg40.934 61.111 a）对胶砂干缩的影响b）对混凝土保水性的影响 同等比表面积条件下，颗粒集中，n值大，保水性差，易造成混凝土表面的水灰比增大，沉降收缩与干燥收缩增大，开裂几率增多。35 颗粒分布对混凝土耐磨性的影响粉磨工艺 均匀性系数5.5 um5.510 um10 30 um30 um28d磨损量(Kg/m2)开路磨 n127.99 39.18 27.65 5.18 3.466.83 闭路磨 n116.66 40.71

23、 33.5 9.13 5.674.21 a）对胶砂耐磨性的影响注：颗粒分布数据为沉降天平法测得。36由此可见：水灰比越低，水泥颗粒继配对耐磨性的影响越大。原因：C-1小孔多，大孔少，20nm以上的孔影响较大；即使C-2的水化率较高也弥补不了孔隙率大的缺陷b）对混凝土耐磨性的影响混凝土中水泥砂浆的耐磨度37 实验结果表明： （1）同一比表面积的同品种水泥，颗粒分布越窄，其堆积空隙率越大，标准稠度越大，凝结时间越长，1d水化热越小。水泥颗粒分布越宽，1、3d胶砂强度越高。 （2）同一比表面积的同品种水泥，颗粒分布越窄，其Marsh曲线的饱和点越大，对应的Marsh时间越长；水泥颗粒分布较宽时，随比

24、表面积增大饱和点增大，对应的Marsh时间变化不大；水泥颗粒分布较窄时，随比表面积增大饱和点增大，对应的Marsh时间显著延长。 （3）颗粒分布对砂浆干缩率有显著影响，同一比表面积颗粒分布越窄，砂浆干缩率越大，随比表面积增大砂浆干缩率增大。 （4）水泥的颗粒分布较宽，砂浆及混凝土表面致密性越好，其耐磨性能越好。 总的来说，颗粒分布较宽，堆积密度较大时，水泥的综合性能较好。水泥颗粒的均匀性系数n1。38（2）颗粒分布与水泥粉磨系统及能耗的关系表1.不同大型粉磨系统磨制的PO42.5R水泥的检测结果，比表面积36010m2/kg注：颗粒分布数据为马尔文激光粒度检测仪所测得39（3）生产中实现水泥颗粒分布优化的技术措施： a）粉磨工艺流程的影响： 开流磨：追求的是35um以下的颗粒含量较小，颗粒分布较宽，堆积密度较大的颗粒组成。经多家企业生产实践证明，磨内筛分的高细磨（采用微球、微锻作为研磨仓的研磨体）效果较好。 闭路磨：颗粒分布较窄，堆积密度较小。在一般闭路磨系统上，可在一定程度上通过选粉效率与循环负荷的调整来调整颗粒分布；也可通过调整粉磨物料易磨性差异来调整颗粒分布，但所得效果远不如开流磨的效果。 b) 比表面积控制：42.5等级的水泥控制360380m2/kg c) 细度：0.08mm筛余12，0.045mm筛余1014。相同比表面积条件下， 0.045mm筛余过