预拌混凝土与水泥技术

预拌混凝土与水泥技术预拌混凝土促进了散装水泥的高速发展,同时也对水泥的质量和性能提出了新的要求。文章就预拌混凝土需水泥的性能要求,提出对水泥技术的调整、优化,生产出与预拌混凝土相匹配的水泥,推动水泥工业和预拌混凝土的发展。混凝土是水泥的最主要应用形式，也是当代最主要的建筑材料之一。自19世纪初发明水泥至今，应用水泥制备混凝土是将水泥、砂子、石子和水按一定配比，在施工现场拌和均匀、浇注成型、硬化成人造石材建造各种建筑物或构筑物。这种在极度分散的施工现场用袋装水泥制备混凝土的方法，不仅难以规范、控制工程质量，而且耗用大量资源、污染环境。预拌混凝土(也称商品混凝土)在专业混凝土搅拌站，用散装水泥集中配制、搅拌混凝土和砂浆，然后由配送中心配送至各施工现场使用，从而有效地促进散装水泥的高速发展，实现了节能减排、资源节约和综合利用、保护环境。商务部会同建设部等有关部门，从2004年开始启动了禁止在124个中心城市的施工现场搅拌混凝土的工作，截至2006年年底，全国“禁现”城市达300多个，建立规模化的现代混凝土集中搅拌生产，配送中心2891家。2007年7月，商务部等六部门又发布了《关于在部分城市限期禁止搅拌砂浆工作的通知》，将进一步促使散装水泥、预拌混凝土的发展。1预拌混凝土对水泥性能的要求预拌混凝土与传统的现场搅拌混凝土的工艺有所区别，使得混凝土、砂浆的施工性能要求方面有所不同。预拌混凝土搅拌站与建筑工地的运输距离增大，混凝土、砂浆的流动性、坍落度损失增大，施工时流动性差或凝结过快，致使无法施工，有时甚至在运输途中发生凝固。新型的预拌混凝土，采用计算机程序控制成分配比，形成了一套可追溯的质量保证体系，对水泥的性能、质量的均匀性和稳定性要求更高。为适应施工环境、改善施工性能、提高工程质量，加入适当的外加剂是预拌混凝土的又一特性。所以预拌混凝土用水泥的基本性能如下：（1）水泥的均质性与稳定性是第一位。水泥各项技术性能指标必须符合国家标准要求外，特别应保持产品的均质性与稳定性，化学成分、细度、各龄期强度、凝结时间、标准稠度用水量不能有较大波动。（2）配制混凝土时需水量小、流动性经时损失小，与外加剂有较好的适应性。（3）水泥混合材种类的匹配、掺入量要科学、合理；重视石膏品种的选择。（4）水泥粉磨时不仅要合理控制细度，而且要重视水泥的颗粒级配和颗粒形状的控制。（5）重视出厂水泥的温度控制。（6）在混凝土有特殊要求时，应提供专用水泥。2水泥生产技术与预拌混凝土的匹配水泥制造与在混凝土中的使用是紧密相连的，混凝土搅拌、使用的方法发生了变化，水泥制造技术也应作适当的调整，才能生产出与预拌混凝土相匹配的水泥，为预拌混凝土的发展作出贡献的同时，扩大自己的市场。2.1熟料配料技术的调整应用水泥制备混凝土，水泥的性能主导着混凝土的性能，而水泥的性能主要取决熟料的矿物组成及其特性。由熟料矿物水化速率、放热速率大小顺序（C3A>C3S>C4AF>C2S）、单矿物的化学减缩大小顺序（C3A>C4AF>C3S>C2S）可知，C3A水化速度、放热速率、化学减缩量最大，导致水泥的标准稠度用水量增大或流动性损失大、初凝时间缩短；由于C3A水化速度最快，对外加剂吸附量最大，影响其它矿物需要外加剂的数量。据资料显示：当C3A上升1%，其标准稠度用水量也增加1%，而混凝土用水量增加6～7kg/m3。不少学者对熟料矿物与外加剂的吸附性研究发现：C3A对外加剂吸附量远高于其它矿物；有的研究显示：熟料KH相同，C3A含量高的水泥对减水剂的吸附量大，KH=0.88的水泥吸附量小，KH=0.94的水泥吸附量大，所以C3A与C3S是影响水泥对减水剂吸附量最大的两种矿物。综上所述，满足预拌混凝土的水泥熟料矿物组成：C3A含量应少，C3S含量适中(不宜太高)，C2S和C4AF适当增加。熟料的配料方案调整、设定为高硅酸率、中饱和系数、低铝氧率，即KH=0.89～0.91、SM=2.5～2.8、IM=0.9～1.2。与预分解窑的常规配料方案：“两高一中”，KH=0.90～0.92、SM=2.5～2.8、IM=1.6～1.9相比，KH略有降低，但IM降低幅度较大，使液相黏度较低、烧结范围变窄，给煅烧带来一定困难，会出现结粒大小不一、飞砂、“堆雪人”、冷却效果差，因此，煅烧制度的调整和优化是关键。配料方案的选择与调整，应根据工厂生料易烧性、烧成带热力强度、操作水平对推荐配料方案适当调整，逐步过渡。2.2熟料煅烧技术的优化煅烧技术是烧制“高硅、低铝”方案的关键。矿物的实际含量和结构与煅烧温度、煅烧气氛、冷却速度密切相关。因此，煅烧该配料方案的熟料，应加强控制、优化热工参数：a）煤粉控制。烟煤细度5%～8%，无烟煤细度1%以下，水分<1.5%；加快煤粉燃烧速度，确保热力集中及煤灰沉降均匀。b）减少一次风，提高二、三次风温，烧成带长度控制在15～20m左右(避免低温长烧)。c)选择合适的燃烧器。加强风煤配合，调整火焰形状，提高窑头热力强度和煅烧质量。d)采用薄料快烧。窑速控制在额定转速的90%左右，保证均匀及较快传热效果，有利于稳定煅烧温度。e)加快冷却速度。尽量消除窑内冷却带，增大冷却机前端风量，保证冷却效果。热工制度的优化，为熟料矿物组成和结构的形成提供了保障。随着煅烧温度提高，硅酸盐矿物固溶Al2O3、Fe2O3的含量增多，A矿的几何轴比增大、边棱清晰，不仅硅酸盐矿物活性提高，而且减少了C3A的含量。加快冷却速度，也使C3A、C4AF析晶减少，有利于水泥对外加剂的适应性。风煤配合，燃烧充分，薄料快烧，克服了窑内还原气氛，避免了FeO使窑内物料结皮及结粒不均、降低烧成温度，形成黄心料(C3A明显增多)。所以，合理而有针对性的煅烧技术，为烧制出适合预拌混凝土的水泥熟料提供了技术支持。2.3水泥制成技术2.3.1石膏品种与掺量合适的石膏品种及掺量，不仅能有效地调节水泥的凝结时间，同时还能提高早期强度、降低收缩、改善耐久性。近年来大量研究表明，石膏的品种与掺量对混凝土外加剂的使用有着显著影响。韩越、何廷树等人研究了“水泥中不同品种石膏及掺量对高效减水剂———5种缓凝剂的辅助塑化效应”得出：掺二水石膏水泥浆流动度最大、流动度经时损失最小；硬石膏对减水剂相容性最差。有混凝土搅拌站发现：某水泥厂仍用二水石膏，而混凝土还未到达目的地就发生凝固，原因是二水石膏结晶水只有4%，实际上该石膏是硬石膏与二水石膏的混生物。因此，生产预拌混凝土的水泥，选择石膏及掺量时应注意：①选择结晶水含量较高(13%以上)的二水石膏，其溶解速度较快，抑制C3A急凝效率高，对改善水泥的外加剂相容性有利。②粉磨水泥时控制好磨内温度，防止二水石膏脱水，发生急凝或假凝现象，减弱对外加剂的适应性。③在满足凝结时间与强度性能的要求下，适当提高水泥中SO3含量，有利于改善水泥与外加剂相容性，减少流动性能的经时损失，降低水泥浆的收缩率。④工业副产石膏的选择注意杂质对水泥性能与外加剂相容性影响。有研究表明，陶瓷工业废弃的石膏模作缓凝剂对水泥外加剂相容性及强度有利。2.3.2混合材种类及掺量的优化混合材种类不同，其性能各异。吸水性小的混合材，标准稠度用水量少，对改善水泥的外加剂有利。烧黏土、烧页岩、烧煤矸石等，吸水性强，会增加水泥标准稠度用水量，不利于水泥的外加剂相容性。活性高的矿渣、球形玻璃体含量高，吸水性小，对改善水泥的外加剂相容性有利(掺量太多易泌水)。石灰石自身需水小、且易磨性好，与熟料共同粉磨，有利于改善水泥的颗粒分布，降低标准稠度用水量，改善水泥外加剂的相容性。粉煤灰含细小密实的玻璃体越多，烧失量越小，则活性高，吸水性小、塑化效果好；含不规则的多孔玻璃体越多，烧失量越大的粉煤灰，其需水量增加、塑化效果差。按节能减排、资源节约和综合利用的原则，应提倡将不同性能的混合材，取长补短、优势互补地配合使用。石灰石与矿渣配合，其易磨性差异，可改善水泥的颗粒分布和颗粒组成，既有利于水泥的流动性和与外加剂的相容性，又能使各阶段强度均衡发展。矿渣与煤矸石配合，由于吸水差异，可改善水泥的泌水性，需水量减少，水泥的和易性及强度提高，也有利于与外加剂的适应性。矿渣与粉煤灰、钢渣与粉煤灰可防止泌水、离析，提高混凝土和易性、与外加剂适应性。所以，不同特性的混合材有机配合，对改善水泥或混凝土的施工性能更有利。2.3.3水泥粉磨技术与水泥细度的优化水泥的细度是水泥质量的主要技术指标之一，也是影响混凝土制备的主要因素之一。因此，水泥细度就成为混凝土界与水泥界分歧最大的问题之一。基于水泥质量的胶砂强度发展，水泥厂为最大限度发挥熟料的潜能，将水泥磨得较细。而混凝土界认为，越细的水泥，需水量越大，与外加剂相容性差，初期水化热越大，混凝土开裂敏感性越大。产生矛盾的原因，还与水泥胶砂强度检测程序与混凝土制备和使用程序的时间差有关。应用水泥制备预拌混凝土，3～5!m以下的水泥颗粒的水化，在搅拌和运输过程中从开始到完成浇注、振捣成型后，对强度贡献很小(但对水泥胶砂强度有一定贡献)。所以，要适应预拌混凝土的需要，水泥的细度应调整优化。考虑节能和水泥的社会效益，粉磨水泥时，不仅要控制合理的水泥细度，同时应尽量优化颗粒级配分布，对水泥胶砂强度和混凝土制备都有利。研究表明，相同比表面积的同品种水泥，颗粒级配分布越窄，其堆积空隙率越大，标准稠度用水量越大，凝结时间越长，1d胶砂强度越低，对外加剂适应性越差；随比表面积增加，1d胶砂强度增幅不大。而颗粒级配分布较宽时，堆积密度越大，水泥流动性好，对外加剂相容性较好。水泥颗粒分布的优化，依靠粉磨技术的调整、优化。各种水泥粉磨技术的颗粒分布特征如下：①传统的开路球磨，虽颗粒分布较宽，但过粉磨严重，3～5"m以下的颗粒多。②辊压磨—挤压联合粉磨开路系统，入球磨机的物料<3mm，明显缩短了粉磨时间，3～5#m以下的颗粒减少，保持了颗粒分布宽，改善了辊压终粉磨的颗粒形状复杂的弊端。③高细粉磨系统，由于磨内特殊装置，优化了粉磨状态，实现了磨内物料筛分，消除了粗磨仓过粉磨，提高了细磨仓粉磨效率，3～5$m以下的颗粒大幅减少，颗粒分布优化。④闭路粉磨系统，选粉机减少了过粉磨，也使颗粒分布变窄。但可优化选粉效率与循环负荷率的关系或利用物料易磨性差异，改善颗粒分布。⑤立式磨或辊压磨的终粉磨系统，磨制的水泥颗粒形状为多角形，使水泥的标准稠度用水量在增大。2.3.4水泥的冷却技术由于入磨物料温度较高、易磨性差、粉磨能量转换，使磨内物料温度过高(可能高于100℃)产生静电效应，引起水泥颗粒吸附能力强、出磨水泥温度高。混凝土界从经验得知：“新鲜水泥”会影响外加剂的塑化效果，希望使用陈放一段时间后的水泥。而水泥厂为了加快周转，希望水泥尽快出厂。出磨水泥陈放旨在降低温度、减弱静电吸附。但水泥在封闭的圆库内降温效果不佳(袋装水泥较好)，同时，较长时间的陈放会使水泥变质。所以，降温的措施不在于陈放，而是对出磨水泥采取强制冷却的方式：①水泥粉磨冷却。包括磨内雾状喷水、胴体淋水，防止磨内温度太高和石膏脱水、减弱静电吸附。②选粉兼冷却：选粉机通入冷风，水泥在分选的同时受到冷却。③输送兼冷却：空气输送斜槽具有一定的冷却功能。④专用流态化冷却器。其中选粉兼冷却和流态化冷却器效果较好，F.L史密斯水泥冷却器，可使110℃的水泥降至65℃。目前水泥厂对出磨水泥的冷却问题，并不完全是技术上的问题，而是对出磨水泥冷却与水泥使用性能的关系认识不足。2.3.5出磨水泥的均化技术水泥的均质性和稳定性是混凝土制备和工程质量的首要问题。预分解窑技术，生产高等级水泥不再是制备高等级混凝土的制约因素，而出厂水泥的均匀性、稳定性还有待进一步提高。有些水泥厂的同一品种、同一强度等级的不同批次(甚至同一批次)，其技术指标波动较大。究其原因，一方面是生产、设备、质量管理不稳定。另一方面是水泥均化措施的缺失。新型干法采用了原燃料预均化技术、生料搅拌技术、悬浮预热和预分解技术、高效节能的粉磨技术。唯独水泥均化技术不足，使出厂水泥存在均匀性的问题。前者可通过工厂与搅拌站沟通，是可防范的。后者是混凝土制备不可防范的，轻者影响混凝土制备，重者危及工程质量。水泥粉磨，当熟料质量不均匀、物料易磨性差别、物料比重差异与选粉分层，使水泥的均质性变差。所以，出磨水泥均化的必要性不容置疑。有必要设置专用的水泥均化设施，提高、完善水泥的均化：①机械倒库：适合已投产的改造。②水泥气力均化库：适合新建厂，但要注意水泥特性(掺混合材)与充气时间的关系，防止颗粒离析。③兼均化的散装