42.5強度等級高鎂低堿中熱水泥的研制與開發

李向春

（甘肅祁連山水泥集團股份有限公司，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、地下基礎等復雜環境下的大體積混凝土結構工程，具有水化熱低、抗硫酸鹽性能強、干縮低、耐磨性能好的特點。上世紀八十年代以來，中熱水泥是我公司生產的主要特種水泥產品，質量穩定可靠，主要供應黃河上游各大水電工程。隨著技術和市場的不斷發展變化，水電工程對原材料的技術要求和質量標準不斷提高，尤其是三峽大壩、青海省拉西瓦水電工程等項目所用的水泥，技術指標尤為苛刻，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的符合一定氧化鎂、堿含量特點的水硬性膠凝材料。由于拉西瓦水電工程處于高原寒冷地區，對電站大壩混凝土的性能指標、材料標準、質量控制提出嚴格的要求，為了滿足工程需求，公司組織試驗研究，開發生產高鎂低堿中熱水泥。

1 技術要求

根據中熱硅酸鹽水泥標準GB200-2003規定，42.5強度等級中熱水泥必須滿足以下技術要求，見表1。

根據市場工程需要，提出了在滿足GB200-2003標準要求的同時，還應滿足以下要求：

· 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抗折強度宜≥8.0MPa；

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

2 方案設計

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。根據多年來水泥生產技術經驗，確定出窯熟料的三項率值控制指標為：

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成份見表2。

入窯煤粉灰份23.52%，煤耗0.272kg/kg，煤灰沉降率100%。

根據所定熟料三項率值及原燃材料的化學成份，計算出原料配比，見表3。

表1 42.5強度等級中熱水泥技術要求

表2 原燃材料化學成份（%）

表3 原料配比（%）

設計生料及熟料成份見表4。

2.2 水泥粉磨

根據公司多年中熱水泥粉磨經驗，將初步技術指標確定為：

細度：4.5%±1.0%；

比表面積：285m2/kg±15m2/kg；

SO3：1.80±0.30%。

3 生產控制

根據公司生產及儲庫情況，選擇一條產量較低的水泥窯和一臺性能較為穩定的水泥磨進行試驗生產。在試生產過程中，由于高鎂石中的MgO含量波動大，MgO含量整體偏低，與實際預測的相差太大，給配料帶來很大的困難。通過采取增加檢驗、配比調整頻次，使生料中的MgO含量趨于穩定；從理論計算要使熟料中的MgO達到4.30%左右，生料中的MgO必須達到3.00%以上；生料堿含量約為0.35% 熟料堿含量約為0.42%；熟料中各化學成分設計要求應滿足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%，Fe2O3含量控制在5.20%～5.40%。

生產控制過程中熟料煅燒是關鍵，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，煅燒過程感到結粒增大，窯皮長厚，窯況明顯惡化，熱工制度不穩定，出窯熟料黃心料較多，游離鈣波動較大。經過多次長時間摸索總結，適當提高熟料飽和比的同時，降低水泥窯后系統溫度，關鍵要保證熟料的急冷效果，才能保證系統的穩定性和熟料質量。

粉磨過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度，又對混凝土溫度控制有好處；要關注出磨水泥溫度，控制在75℃以下，避免石膏脫水而影響水泥質量。

4 試驗結果

通過連續性生產試驗，選擇較為可靠的控制參數和生產數據，進行統計分析，熟料化學成分和物理性能見表5，出磨水泥質量指標和物檢性能見表6（1）、（2），水泥線膨脹率見表7。

水泥的顆粒級配分布見圖1。

根據樣品質量情況，向國家水泥監督檢驗中心送樣檢驗，對比結果見表8。

表4 生料及熟料成份

表5 熟料化學成分和物理性能

表6 （1）出磨水泥質量指標和物檢性能

表6 （2）出磨水泥質量指標和物檢性能

表7 42.5強度等級高鎂低堿中熱水泥線膨脹率

圖1 水泥的顆粒級配分布

通過對出磨水泥的各項技術指標進行檢測，結果表明各項指標均處于穩定、合理的分布區域，水泥質量穩定可靠。在拉西瓦水電工程使用過程中反映良好，混凝土外加劑適應性能好，實物強度較高。

5 技術分析

（1）根據理論計算和實際生產，要使水泥中MgO含量達到3.5%～4.5%，必須使生料中的MgO含量達到1.8%～2.4%，且根據生產情況統計分析，生料和熟料中的MgO呈非線性關系。（2）在熟料煅燒過程中，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，窯皮反應變化大，移動火咀頻繁，從窯體外觀檢查對窯皮侵蝕較嚴重，刷窯皮，熟料結粒能控制，稍散、易亮，總體操作參數比普通料偏小控制。

（3）熟料外觀，根據熟料巖相分析，該批熟料煅燒狀況不是太理想，方鎂石結晶較粗大，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）通過工業大磨生產與試驗，發現高鎂水泥細度會直接影響水泥早期強度，在同樣的條件下細度越小，早期強度越高，細度越大，早期強度越低。這證明了《水泥物理檢驗與巖相檢驗》（山東建筑工業學院編） 中所闡述的“生產高鎂水泥時，采取將生料粉磨得細一些，水泥也粉磨得細一些，以減少MgO對水泥石的破壞作用。”

表8 樣品質量檢驗對比結果

（5）根據本次生產檢驗情況，水泥的早期強度普遍偏低，但增進率較高，其水化熱又較低，因此仍可適當提高水泥的SO3或比表面積，在保證水泥水化熱的前提下，提高3d強度。

6 研制結論

根據本次組織生產、檢驗和國家質檢中心對比情況，我公司利用現有的原燃材料和生產設施，實現了一次性成功研制開發試生產高鎂低堿中熱水泥，同時滿足了GB200-2003標準要求和市場項目建設公司提出的特殊技術指標，通過研制開發生產總結，認為組織生產高鎂低堿中熱水泥首先要提前儲備足量的MgO含量較高的鎂礦石（最好在20%以上），改進高鎂礦石在生料粉磨之前的摻加計量方式，保證高鎂礦石的穩定摻加；在生產過程中，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；重點要關注熟料的煅燒與冷卻，建議利用圈流粉磨系統生產，能有效控制出磨水泥溫度。

42.5 強度等級高鎂低堿中熱水泥的成功開發生產，進一步開辟了水泥市場，增加了新的經濟增長點，先后為青海拉西瓦水電工程項目提供30余萬噸的高鎂低堿中熱水泥，滿足了顧客需求，積累了大量生產特性水泥的技術參數和經驗。