正交實驗配制P·C42.5級水泥的有效途徑

吳守民，張海彬，王洪剛

（勝利油田營海實業集團有限公司，山東 東營 257000）

0 引言

我集團原是一家傳統水泥廠，經過十幾年的發展，目前已經形成了從礦山經水泥到商品混凝土的良好完整產業鏈。為了尋找商品混凝土生產的最佳水泥，我集團經過探索改進，在老工藝生產商品混凝土用 P·O42.5 級水泥的基礎上，采取了配制工藝，通過改善各物料顆粒級配，摸索出 P·C42.5級水泥合理的顆粒級配控制、搭配、調整方案，找到了最佳顆粒的實現途徑，不僅使 P·C42.5 級水泥更適應商品混凝土的生產，提升了商品混凝土品質，同時也降低了水泥的生產成本。

1 試驗用原材料

1.1 出磨水泥

采用我集團水泥磨日常配比生產的出磨水泥。其基本配比為：熟料 76%、石子 5%、脫硫石膏 6%、粉煤灰 13%，連續取樣 2 小時，進行過篩混勻縮分而成。后經實驗室500×500的標準試驗磨進一步粉磨，形成出磨水泥Ⅰ的，加磨 10min 水泥 Ⅱ，加磨 20min 水泥 Ⅲ，三種試驗水泥。具體檢驗數據見表 1。

表1 原材料性能指標

1.2 礦渣粉

采用巨能特鋼礦渣，我集團礦粉磨生產的礦粉。經實驗室 500×500 的標準試驗磨進一步粉磨，形成礦粉Ⅰ，加磨10min 礦粉 Ⅱ，加磨 20min 礦粉 Ⅲ，三種試驗礦粉。活性檢測按照標準規定，選用對比樣品作為基準樣，活性要求在95% 以上。具體檢驗數據見表 1。

1.3 超細粉煤灰

采用勝利發電廠 Ⅱ 級粉煤灰，燒失量 5.0%，經勝利水泥分公司粉煤灰磨粉磨形成超細灰，再經實驗室 500×500 的標準試驗磨進一步粉磨，形成超細灰Ⅰ，加磨 10min 超細灰Ⅱ，加磨 20min 超細灰 Ⅲ，一共三種試驗超細粉煤灰。活性檢測按照標準規定，選用對比樣品作為基準樣，活性要求符合國標 GB/T1596—2005 《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的規定。具體檢驗數據見表 1。

2 試驗過程

此次試驗采用生產線實際樣品，實驗配合比根據前期配制水泥研究的基礎數據確定：后摻礦粉 15%，后摻超細灰18%。

2.1 正交設計

采用正交配型原理，配制出三因素、三水平全面 27 種試驗方案樣品，其中 水平 A 代表出磨水泥，B 代表礦粉，C 代表超細灰，正交試驗方案見表 2；然后按照正交設計原理，如圖 1， 篩選出有代表性的 9 個水平組合實驗方案，見表 3。進行細度、比表面積、顆粒分析、強度的檢測。

表2 正交試驗方案

圖1 正交設計原理

表3 具有代表性的試驗方案

2.2 水泥試驗配合比方案

水泥試驗配合比方案，見表 4。

表4 水泥試驗配合比 %

2.3 試驗樣品檢驗數據匯總

試驗檢驗數據匯總，見表 5。

表5 試驗數據結果

3 試驗結果分析處理

（1）通過對使用同種出磨水泥，不斷變化礦粉、超細灰的配合比方案的對比分析中，可以看出礦粉和超細灰的顆粒變化對水泥 3～32μm 的水化有效顆粒影響不明顯。隨著出磨水泥顆粒粒徑逐漸變小，無論礦粉、超細灰的顆粒如何變化，配制膠材整體 3～32μm 顆粒含量都明顯上升，出磨水泥粉磨 10 分鐘后，3～32 μm 顆粒增長 5% 左右，出磨水泥粉磨20 分鐘后，3～32 μm 顆粒增長 17% 左右，規律是基本穩定的，這說明數據有明顯的規律性。

（2）配制膠材顆粒級配的變化導致強度變化結果分析：① 在使用同一種出磨水泥的前提下，隨著礦粉、超細灰的摻加種類、方式變化，強度的變化不明顯，無規律可循。② 在其他物料摻加不變的情況下，隨著礦粉顆粒的變細，強度出現明顯上升趨勢，礦粉加磨 10 分鐘后，配制水泥強度提高了4% 以上，加磨 20 分鐘后，強度普遍提高了 10% 以上。③ 超細灰的粉磨細度達到一定水平后，對強度的變化影響很小，無明顯規律可循。④ 隨著出磨水泥有效顆粒含量的不斷增加，強度呈上升趨勢，加磨 20 分鐘 3d 抗壓強度提高了 20%以上，28d 強度上升也很明顯達到 15% 以上。

（3）試驗方案及結果對應表，見表 6。

表6 試驗方案及結果對應表

（4）試驗結果正交計算篩選表，見表 7。

表7 試驗結果正交計算篩選表

（5）根據上述表格計算分析可以得到影響因素確定表，見表 8。

表8 影響因素確定表

（6）按照表 8 制定生產驗證配比方案如下，見表 9。

表9 生產驗證配比方案

4 生產驗證

按照正交理論計算確定的最佳驗證方案，細灰磨、礦粉磨、水泥磨同時開始最佳顆粒級配的實驗生產。生產中不斷從調整磨機工況著手，改善控制措施，驗證原料及成品的性能調整前后的變化情況，見表 10。

表10 性能調整前后檢測

4.1 生產驗證小結

從生產實際驗證過程來看,起初主要存在的問題是臺時低、工況差、水泥需水量偏高，強度不明顯等。經過不斷調整找到了最佳生產應用方案，得出最合理的應用結論。以強度實現為目標，最佳顆粒的尋找不能靠一味的降低物料細度，而是在磨機自身條件的基礎上，充分挖掘磨機產能，同時通過磨機球配、配制物料配比的調整,實現產能和質量的雙豐收。

另外，在合理調整細度和比表面積指標的基礎上，通過設備工藝、控制工藝的改進，實現了 P·C42.5 級水泥的顆粒最佳級配；從而水泥的標準稠度需水量、強度，后摻物料的活性等性能都有較大的改善，混合材摻加量提高了 8.0% 以上，水泥磨機總臺時增加近 20%，礦粉、細灰磨臺時增加超過 10%，總體經濟效益非常明顯。商品混凝土使用試驗驗證也較為成功，見表 11，混凝土需水量可以降低約 8%，強度提高約 2%，說明顆粒調整后的效果是良好的。

4.2 混凝土試驗驗證

將組分為 1.7% 的外加劑配制而成的不同編號的 C30 混凝土進行混凝土試驗驗證，性能檢測結果見表 11。

表11 混凝土性能檢測

5 結論

通過大量的正交試驗和生產驗證最終找到了實現配制生產 P·C42.5 級水泥最佳顆粒級配的有效途徑，最佳的生產指標方案為表 12 所列。配制 P·C42.5 級水泥后摻搭配比例為：后摻礦粉 15%，后摻超細灰 18%，后摻原灰 5%。

表12 最佳顆粒級配

6 說明

（1）控制水泥磨機前摻混合材總量控制在 25% 左右，保證水泥配制效果。

（2）在確定 P·C42.5 級水泥最佳級配方案時，要注意結合混凝土性能試驗進行驗證確認。

（3）控制生產效果，要從原材料粉磨開始進行控制，可以適量使用助磨劑助磨，在生產中采取控制 45μm 細度為主，比表面積檢測為輔，顆粒分析驗證的方式控制生產，長期監測各原料及成品的顆粒分布情況。

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