提高水泥強度的研究探討

白銀濤

（鄧州中聯(lián)水泥有限公司，河南 鄧州 474150）

水泥強度的產(chǎn)生主要是由于水泥顆粒及水化物之間相互連生、搭接、水化從而產(chǎn)生可以抵抗外力的作用。水泥強度主要產(chǎn)生于水泥熟料強度，也受水泥顆粒狀態(tài)、混合材料及試驗條件等影響。

1 原燃材料分析

1.1 原材料的影響

（1）把好各工序原材料的質(zhì)量關(guān)，確保均勻性和穩(wěn)定性，使主要質(zhì)量指標(biāo)符合要求，否則會引起入窯生料質(zhì)量不穩(wěn)，熟料煅燒困難，熱工制度不穩(wěn)，熟料質(zhì)量下降。

（2）降低原材料堿含量。

原材料堿含量偏高，造成熟料中堿含量高，增加了液相粘度，使C3S難以形成，易加快C3S和C3A等水化，造成早強較高，后強較低。因此通過搭配開采降低石灰石中R2O含量，使用低堿原材料，降低總堿含量，可提高熟料后期強度見表1。

表1 主要常用原材料質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（%）

1.2 原煤質(zhì)量的影響

煤作為水泥熟料燒成所需的熱量，要減少劣質(zhì)原煤進廠，加強原煤均化，使各種成分在控制范圍內(nèi)。煤灰引入熟料主要成分為SiO2、Al2O3和其他微量元素，所含灰分絕大部分落入水泥熟料中影響其成分和性質(zhì)，灰分波動易造成熟料率值偏差；SiO2量過飽和會破壞C3A組成，使C3A晶體密度小，致熟料早強低且增進率低。為穩(wěn)定熱工制度，揮發(fā)分相鄰波動±0.1%，灰分相鄰波動±0.1%見表2。

表2 原煤質(zhì)量（%）

1.3 出磨質(zhì)量對熟料強度的影響

（1）合理的生料顆粒分布為生料的固相反應(yīng)提供了良好的條件，利于除C2S、C3S以外礦物的形成，即為三鈣的形成提供了條件，出磨生料指標(biāo)見表3。

表3 出磨生料各項指標(biāo)

表4 出磨煤粉指標(biāo)

（2）煤粉質(zhì)量。

煤粉必須有較高的發(fā)熱量，合格的細(xì)度和水分，配合羅茨風(fēng)機及燃燒器的使用，以保證窯內(nèi)較強的熱力強度，保證正常煅燒見表4。

2 水泥熟料質(zhì)量

水泥熟料質(zhì)量是水泥質(zhì)量的基礎(chǔ)，水泥熟料強度影響水泥的質(zhì)量。

2.1 對熟料化學(xué)成分的控制

（1）硅酸鹽水泥熟料由CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等多種氧化物組成，各氧化物在一定范圍內(nèi)會穩(wěn)定熟料強度。

（2）Fe2O3和Al2O3作為溶劑礦物，在水泥熟料煅燒過程中，起著降低燒成溫度、增加液相量的作用，特別是Fe2O3形成的液相粘度較小，更有利于熟料礦物的形成。適當(dāng)?shù)販p少C礦含量，就相對地增加了其它強度更高的礦物組成的含量，因而對熟料強度的發(fā)揮更為有效。熟料中Al2O3的含量在一定范圍時，熟料強度會隨Al2O3含量的提高而上升。研究表明，適當(dāng)降低熟料中鐵含量，各齡期的抗壓、抗折強度增加見表5。

2.2 水泥熟料率值是影響水泥強度的重要因素

（1）研究表明，KH決定了C3S/C2S的關(guān)系，SM決定了（C3S+C2S）/（C3A+C4AF）的關(guān)系，SM提高促進熟料強度，SM為影響熟料強度R28的主要因素，KH是次要因素；要提高熟料強度，就必須適當(dāng)提高熟料KH和SM，以此來提高熟料中硅酸鹽礦物總量及C3S的含量。

（2）IM決定于KH和SM，對后期強度有利，適當(dāng)?shù)腎M對熟料的煅燒是重要的，而煅燒質(zhì)量的好壞又直接影響到熟料強度的高低。在配料時必須嚴(yán)控熟料中鋁鐵含量和IM，不影響熟料強度和液相粘度時，熟料中Al2O3為4.7%~4.9%，F(xiàn)e2O3為3.0%左右，且≤3.1%，確保熟料IM在一定范圍內(nèi)見表6。

2.3 水泥熟料結(jié)構(gòu)及礦物組成

（1）水泥熟料由四種礦物組成，熟料礦物組成和結(jié)構(gòu)決定熟料強度，熟料強度對水泥起主要作用，其性能見表7。

由表得出，提高熟料中C3S的含量，可加快水泥的水化反應(yīng)速度，提高早期強度；提高C2S的含量，可提高水泥后期強度；適當(dāng)提高C4AF，可提高抗折強度。要提高熟料強度，必須在提高熟料中C3S含量的同時提高熟料中硅酸鹽礦物的總量，堅持高KH、高SM配方，硅酸鹽礦物總量大于77%。

（2）加強燒成工藝操作與管理，穩(wěn)定熱工制度，可提高熟料強度。

①生料喂料系統(tǒng)和喂煤系統(tǒng)穩(wěn)定。

②風(fēng)、煤、料、窯速合理匹配，對系統(tǒng)進行技術(shù)改造和參數(shù)調(diào)整，穩(wěn)定熱工制度。

③高溫煅燒，火焰達到最佳溫度，使晶體結(jié)構(gòu)更合理，A礦數(shù)量多且尺寸小，B礦活性高，強度提高，高溫煅燒還可采用高KH、高SM配料。

④調(diào)整篦冷機合適的料層厚度和風(fēng)量，使熟料充分冷卻，避免了C3S的晶形轉(zhuǎn)變。

表5 熟料化學(xué)成分指標(biāo)（%）

表6 熟料指標(biāo)

表7 熟料礦物性能

3 水泥顆粒狀態(tài)對強度的影響

水泥是由微米到幾十微米的大小不同的顆粒組成，其細(xì)度直接影響水泥的凝結(jié)硬化速度、干縮性、需水性、析水率、水化熱及強度等物理性能。

3.1 水泥顆粒狀態(tài)

（1）水泥顆粒級配。

水泥顆粒級配的結(jié)構(gòu)對水泥的水化硬化速度、需水量、和易性、放熱速度，特別對強度有很大影響。水泥強度的增長起主要作用的是3~30μm顆粒級配大于65%，其中10~20μm顆粒對水泥性能尤為重要，含量愈高愈好，小于3μm的顆粒只對早期強度有利，大于60μm顆粒對強度不利。水泥顆粒的大小與水化速度和程度有著直接的聯(lián)系，不同粒徑的水泥的水化速度和程度差異很大。

（2）水泥顆粒形狀。

水泥的顆粒形狀影響水泥的比表面積，影響水泥成型需水量，需水量過大使水泥強度下降。水泥中長條形、圓柱形顆粒多，則水泥顆粒之間的相互連生、搭接有助于早期強度的提高，但顆粒之間的摩擦系數(shù)大，需水量大，使后期強度及后期強度增進率較低。球形度高的水泥顆粒的比表面積小，減少需水量，增大水泥膠砂流動度，可提高各齡期強度。

（3）細(xì)度和比表面積。

細(xì)度是影響水泥強度的重要因素。數(shù)據(jù)研究表明，提高水泥細(xì)度和比表面積，增加3~30μm的顆粒比例，可增加水化活性，提高強度；控制水泥細(xì)度，可達到控制合理的顆粒級配的目的，最佳細(xì)度控制范圍為350～400m2/kg見表8、表9。

表8 水泥強度隨細(xì)度變化

表9 水泥強度隨比表面積變化

3.2 改善水泥顆粒狀態(tài)的措施

（1）采用助磨劑。

助磨劑的作用機理是在新生表面的吸附促進裂紋擴展，阻止裂紋愈合，消除大于64μm的顆粒，減少大于32μm的顆粒，改善了顆粒的表面特性；消除了靜電效應(yīng)，減少小于3μm顆粒的聚集，改善粉體流動性，提高3~32μm顆粒含量，減少磨內(nèi)粘球和糊襯板的現(xiàn)象。采用助磨劑可以改善水泥熟料、混合材等物料的易磨性，提高磨機的粉磨效率，從而可提高水泥產(chǎn)品的比表面積和細(xì)度，提高水泥的強度。如三乙醇胺和粉五，摻入助磨劑可使3~30μm的顆粒含量顯著增長，且比表面積無顯著變化，增加水泥強度。

（2）優(yōu)化粉磨工藝，提高粉磨效率，使3um以下和大于45um的顆粒逐漸減少，水泥顆粒分布集中。

表10 常用混合材料指標(biāo)

（3）采用橢球形研磨體。

橢圓球之間的弧線接觸，非圓球之間的點接觸，球與球之間接觸面的夾角均不同，在重量相同時，橢球有效面積比圓球增加20%~30%，使研磨體與物料的接觸面積增大，可獲得較大的表面積，其幾何特性可減少靜電作用，提高球的研磨能力，顆粒級配更趨合理，提高水泥強度。

4 混合材料及石膏的影響

（1）摻加不超過國家標(biāo)準(zhǔn)的混合材料。

可綜合利用工業(yè)廢渣，節(jié)約能源，增加水泥產(chǎn)量，降低成本，改善和調(diào)節(jié)水泥性能。

國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的活性混合材料有粉煤灰、?；郀t礦渣、火山灰等，非活性混合材料有石灰石和砂巖等。比如使用礦渣粉，一方面利用微粉的顆粒增強填充作用提高水泥的強度；另一方面改變水泥水化產(chǎn)物的組成和影響水泥水化的過程?；旌喜牧蠐搅繉λ鄰姸扔绊懽铒@著，其摻入量決定于水泥品種、強度等級、熟料質(zhì)量、混合材種類及活性以及水泥細(xì)度等，摻入較多時會使水泥強度降低，混合材料的合理摻加量，必須通過不同配比試驗來確定，才有助于改善和提高水泥質(zhì)量和產(chǎn)量。優(yōu)化組合可以使水泥的早期強度和后期強度得到均衡有效的提高?；旌喜牧现笜?biāo)在控制范圍內(nèi)可穩(wěn)定水泥質(zhì)量，常用的混合材見表10。

（2）石膏性能。

石膏是以Ca S O4·2H2O為主要成分的天然礦石，（CaSO4·2H2O+CaSO4）≥80%，SO3≥32.0%，K2O+Na2O≤0.60%，結(jié)晶水≥12.0%，石膏作為水泥緩凝劑，用來調(diào)節(jié)水泥凝結(jié)時間，增加水泥強度，通常根據(jù)SO3含量調(diào)節(jié)水泥中石膏的摻量，石膏粒度10~80mm，入磨石膏粒度≤30mm。

石膏的細(xì)度直接影響其溶解速度，石膏的摻量和細(xì)度對水泥強度的影響主要取決于石膏與水泥熟料水化后形成的產(chǎn)物——鈣礬石，其數(shù)量的多少和形成速度的快慢影響了水泥各齡期強度的高低。

表11 水泥性能指標(biāo)

表12 水泥性能指標(biāo)（%）

5 加強化驗室管理

水泥強度是水泥重要的物理性能之一，是硬化的水泥石能夠承受外力的能力。加強化驗室管理，提高檢驗的規(guī)范性和準(zhǔn)確性，做好試驗研究對提高水泥強度非常重要。

（1）試驗條件主要包括水泥試樣的保存條件，標(biāo)準(zhǔn)砂和試驗水的質(zhì)量以及試驗成型養(yǎng)護條件。保證試驗條件，保持實驗室足夠的濕度和適當(dāng)?shù)臏囟?，利于水泥的凝結(jié)和強度發(fā)展；保持水泥試樣、標(biāo)準(zhǔn)砂及試模等的溫度控制在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)，成型實驗室溫度20℃±2℃，相對濕度≥50%，破型實驗室溫度17℃~25℃，溫度越接近20℃越好，養(yǎng)護箱20℃±1℃，相對濕度≥90%，水池溫度20℃±1℃；低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定時，會導(dǎo)致水泥強度明顯下降。

（2）對化驗室設(shè)備儀器、計量器具標(biāo)準(zhǔn)化管理，膠砂攪拌機、振動臺、試模、抗折和抗壓夾具等必須符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求，經(jīng)常檢測維護，并按照國家標(biāo)準(zhǔn)進行自檢。

（3）加強檢驗的培訓(xùn)和過程質(zhì)量的管理，提高檢驗水平，減少試驗檢驗誤差，加強與質(zhì)檢機構(gòu)的對比分析，確保水泥強度檢驗和試驗的準(zhǔn)確性。

（4）做好試驗研究，確保水泥的性能指標(biāo)符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求見表11、表12。

6 結(jié)束語

影響水泥強度的因素有很多，把握好影響水泥強度的各種因素就能提高水泥強度。