窯灰對立磨水泥與減水劑相容性影響的研究

王 敏 （合肥中亞建材裝備有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230051）

進(jìn)入21 世紀(jì)以來，國家進(jìn)入了如火如荼的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)程，隨著房屋建筑數(shù)量的增加，國家對房屋建筑質(zhì)量提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)。因此，提升土木工程材料成為土木行業(yè)從業(yè)者奮斗的目標(biāo)。水泥作為重要的建筑工程材料之一，由于生產(chǎn)工藝使得水泥顆粒的級配存在間斷性，導(dǎo)致水泥與減水劑的相容性較差，進(jìn)而影響水泥砂漿的工作性能及力學(xué)性能[1-3]。為了解決這一問題，研究者通常利用改變水泥的顆粒級配來處理。因此，分析窯灰摻量對立磨水泥與減水劑相容性影響的研究，對水泥性能的提升具有十分重要的意義。

窯灰是一種水泥熟料在煅燒過程中產(chǎn)生的物料，呈細(xì)粉末狀，其化學(xué)組成和物理性狀與窯型和煅燒時(shí)機(jī)密切相關(guān)。實(shí)際上，窯灰的粒度極其細(xì)小，比表面積較大；而水泥粒徑分布中的細(xì)顆粒含量偏低，將窯灰摻入其中必將起到優(yōu)化水泥顆粒粒徑分布的作用，進(jìn)而優(yōu)化水泥與減水劑的相容性，提高水泥的各項(xiàng)性能。然而，窯灰摻量過高，由于窯灰的比表面積過大導(dǎo)致水泥中吸水過高，反而使得水泥砂漿出現(xiàn)裂縫，影響其抗壓及抗裂等力學(xué)強(qiáng)度[4-6]。國家標(biāo)準(zhǔn)GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》[7]已經(jīng)明確規(guī)定水泥中窯灰的摻量不得超過水泥質(zhì)量的8%，具體的摻量視水泥的類型而定。鑒于此，本文開展了窯灰摻量（0、2%、4%、6%、8%）對立磨水泥與減水劑相容性影響的研究，并對比分析了摻入窯灰前后水泥與市場已有水泥的流動度，以期為高質(zhì)量水泥級配的優(yōu)化設(shè)計(jì)及性能提升提供一定參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 原材料

采用的原材料主要包括水泥、窯灰和自來水，水灰比為0.55。水泥的生產(chǎn)工藝中生料粉磨采用輥壓機(jī)終粉磨系統(tǒng)進(jìn)行，水泥粉磨采用立磨終粉末系統(tǒng)，輥壓機(jī)臺時(shí)產(chǎn)量為460t/h；生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的窯灰的處理方法為：首先通過提升機(jī)倒入窯灰倉，然后以10t/h的量入生料庫，避峰2h 后將會提升熟料中游離的氧化鈣。本文采用窯灰的密度為2.58g/cm3，比表面積為810m2/kg，窯灰的化學(xué)組分如表1 所示。從表中可以看出，窯灰中CaO 的比例最高，達(dá)到57.81%；其次為SiO2，比例達(dá)到23.52%。

表1 窯灰化學(xué)組分/%

采用粉末粒度分析儀獲取窯灰與立磨水泥的粒徑分布對比圖如圖1所示。從圖中可以看出，水泥和窯灰中粒徑在3μm～32μm 的比例均最高，而窯灰中小于3μm的粒徑比例（28.94%）高于水泥中該尺寸下的粒徑比例（10%）。因此，可以將窯灰摻入水泥中，填補(bǔ)粒徑小于3μm的顆粒，優(yōu)化水泥的顆粒分布，進(jìn)而提升水泥與減水劑的相容性。

圖1 窯灰與立磨水泥的粒徑分布對比圖

1.2 試驗(yàn)方法

為分析窯灰摻量（0、2%、4%、6%、8%）對立磨水泥與減水劑相容性影響的研究，本文中水泥的凈漿流動度、工作性能以及力學(xué)性能試驗(yàn)均嚴(yán)格按照規(guī)范GB/T 8077—2000《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》[8]中的規(guī)定步驟進(jìn)行。水泥膠漿的制備是首先將按一定比例稱量完畢的水泥與窯灰倒入涂抹潤滑劑的模具中，其次將水倒入混合均勻的干料中，最后抹平置于室溫中，成型后取出供后續(xù)的力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)。

2 窯灰摻量對立磨水泥與減水劑相容性影響研究

2.1 窯灰摻量對立磨水泥工作性能的影響

根據(jù)規(guī)范中的方法測試不同窯灰摻量下立磨水泥初凝時(shí)間及終凝時(shí)間，結(jié)果如圖2 所示。從圖中可知，立磨水泥的初凝和終凝時(shí)間與窯灰摻量均呈現(xiàn)先增加后穩(wěn)定的相關(guān)關(guān)系。當(dāng)窯灰摻量達(dá)到4%時(shí)，立磨水泥的初凝和終凝時(shí)間均為最佳。這是由于窯灰的細(xì)顆粒剛好可以彌補(bǔ)水泥中較少的細(xì)粒徑，優(yōu)化水泥的級配，使得水泥與減水劑的相容性更佳，提高水泥的流動性；但是當(dāng)窯灰摻量過高，由于窯灰比表面積過大的特性使得吸水量過高，反而造成內(nèi)部流動性變差，使水泥的凝結(jié)時(shí)間開始趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象。當(dāng)窯灰摻量為4%時(shí)，與未摻入窯灰相比，水泥膠漿的初凝時(shí)間從143min 增加至165min，增加幅度達(dá)到15.4%；水泥膠漿的初凝時(shí)間從201min增加至231min，增加幅度達(dá)到14.9%。

圖2 窯灰摻量對立磨水泥工作性能的影響研究

2.2 窯灰摻量對立磨水泥力學(xué)強(qiáng)度的影響

根據(jù)規(guī)范中的方法測試了不同窯灰摻量下立磨水泥不同齡期下的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如圖3 所示。從圖3（a）中可知，對于所有摻量下，水泥抗折強(qiáng)度與齡期呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，這是由于隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，水泥與水之間的水化反應(yīng)越來越強(qiáng)烈，產(chǎn)生更多的水化產(chǎn)物，提高水泥的強(qiáng)度。所有齡期下，水泥的抗折強(qiáng)度與窯灰摻量先呈現(xiàn)正相關(guān)后開始下降的關(guān)系，當(dāng)窯灰摻量為4%時(shí)，水泥的抗折強(qiáng)度達(dá)到最高。這是由于窯灰中含有較多的細(xì)顆粒，低摻量下可以優(yōu)化調(diào)整水泥內(nèi)部的顆粒級配，促進(jìn)水泥與減水劑的相容性，提升水泥內(nèi)部的水化反應(yīng)，進(jìn)而增加水泥的強(qiáng)度；但是當(dāng)窯灰摻量過高，由于窯灰具有較大的比表面積，導(dǎo)致吸水量過高反而使水泥內(nèi)部出現(xiàn)微裂縫，降低了水泥的抗折強(qiáng)度。此外，這種水泥的抗折強(qiáng)度與窯灰摻量先呈現(xiàn)正相關(guān)后開始下降的關(guān)系現(xiàn)象在養(yǎng)護(hù)后期表現(xiàn)得更為明顯，這是因?yàn)殡S著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，水泥內(nèi)部的水化反應(yīng)徹底，所有的性能均達(dá)到了最佳狀態(tài)。當(dāng)窯灰摻量為4%時(shí)，與未摻入窯灰相比，水泥膠漿的1d抗折強(qiáng)度從3.5MPa 增加至3.6MPa，增加幅度達(dá)到2.8%；3d 抗折強(qiáng)度從5.1MPa 增加至5.2MPa，增加幅度達(dá)到1.9%；7d 抗折強(qiáng)度從7.1MPa 增加至7.4MPa，增加幅度達(dá)到4.2%；28d抗折強(qiáng)度從9.1MPa增加至9.7MPa，增加幅度達(dá)到6.6%。綜合上述分析可知，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，水泥膠漿的抗折強(qiáng)度增加幅度越來越高。

圖3 窯灰摻量對立磨水泥力學(xué)性能的影響研究

從圖3（b）中可知，對于所有摻量下，水泥膠漿抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期同樣呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系；所有養(yǎng)護(hù)齡期下，水泥膠漿的抗壓強(qiáng)度與窯灰摻量同樣先呈現(xiàn)正相關(guān)后開始下降的關(guān)系，當(dāng)窯灰摻量為4%時(shí)，水泥膠漿的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高，這與水泥抗折強(qiáng)度的演變規(guī)律表現(xiàn)一致。當(dāng)窯灰摻量為4%時(shí)，與未摻入窯灰相比，水泥膠漿的28d 抗壓強(qiáng)度從58.4MPa 增加至61.3MPa，提升幅度達(dá)到4.9%。綜合上述水泥膠漿工作性能、抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度與窯灰摻量的演變規(guī)律，當(dāng)窯灰摻量為4%，水泥膠漿的所有性能達(dá)到最優(yōu)。

為了分析不同窯灰摻量下水泥漿抗壓強(qiáng)度隨齡期增長速率與齡期的關(guān)系，引入齡期影響因子的概念，如式（1）所示。

式中α—齡期影響因子；fc2u8—28d 抗壓強(qiáng)度，MPa；fcnu—nd抗壓強(qiáng)度，MPa。

圖4 為不同養(yǎng)護(hù)齡期下不同窯灰摻量下水泥漿的齡期影響因子，從圖中可以看出，養(yǎng)護(hù)初期，水泥漿的齡期影響因子隨窯灰摻量的增加變化并不顯著；養(yǎng)護(hù)后期，水泥漿的齡期影響因子隨窯灰摻量的增加呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系。這是由于后期養(yǎng)護(hù)條件下，水泥砂漿內(nèi)部的水泥、窯灰與水之間的水化反應(yīng)達(dá)到最佳狀態(tài)。此外，齡期影響因子隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而降低。

圖4 窯灰摻量對立磨水泥齡期影響因子的影響研究

3 最佳窯灰摻量下立磨水泥與市場水泥性能對比及經(jīng)濟(jì)效益研究

為了驗(yàn)證窯灰對水泥與減水劑相容性的改善效果，對比了摻入窯灰前水泥膠漿、摻入4%摻量窯灰后水泥膠漿及市場水泥膠漿的初始流動度及1h流動度，結(jié)果如圖5所示。從圖中可知，摻入窯灰后，水泥膠漿的初始流動度從185mm增加到243mm，增幅達(dá)到31.3%；水泥膠漿的1h流動度從159mm增加到231mm，增幅達(dá)到45.3%。通過窯灰改善后的水泥膠漿流動度不斷接近市場上已有的水泥產(chǎn)品流動度，證實(shí)了該摻量下窯灰對水泥與減水劑的相容性具有顯著的提升作用。

圖5 不同類型水泥膠漿流動度對比研究

此外，將窯灰摻入水泥中可帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益，水泥生產(chǎn)過程中，將窯灰摻入立磨系統(tǒng)中，增加水泥臺的同時(shí)消耗了輥壓機(jī)避峰期間產(chǎn)生的窯灰。以窯灰摻量4%為例，全年立磨水泥生產(chǎn)過程中消耗窯灰大概8000t，以水泥價(jià)格370 元/t 計(jì)算，可以增加銷售額為8000×370=296 萬元，窯灰的倒運(yùn)及電費(fèi)等成本綜合為50 元/t，共計(jì)8000×50=40 萬元，故每年仍然新增利潤256萬元。

4 結(jié)語

綜上所述，立磨水泥的初凝和終凝時(shí)間與窯灰摻量均呈現(xiàn)先增加后穩(wěn)定的相關(guān)關(guān)系。當(dāng)窯灰摻量達(dá)到4%時(shí)，立磨水泥的初凝和終凝時(shí)間均為最佳。當(dāng)窯灰摻量為4%時(shí)，與未摻入窯灰相比，水泥膠漿的初凝時(shí)間從143min增加至165min，增加幅度達(dá)到15.4%；水泥膠漿的初凝時(shí)間從201min 增加至231min，增加幅度達(dá)到14.9%。對于所有摻量下，水泥抗折強(qiáng)度與齡期呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系；所有齡期下，水泥的抗折強(qiáng)度與窯灰摻量先呈現(xiàn)正相關(guān)后開始下降的關(guān)系，當(dāng)窯灰摻量為4%時(shí)，水泥的抗折強(qiáng)度達(dá)到最高；隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，水泥膠漿的抗折強(qiáng)度增加幅度越來越高。對于所有摻量下，水泥膠漿抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期同樣呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系；所有養(yǎng)護(hù)齡期下，水泥膠漿的抗壓強(qiáng)度與窯灰摻量同樣先呈現(xiàn)正相關(guān)后開始下降的關(guān)系，當(dāng)窯灰摻量為4%時(shí)，水泥膠漿的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高。養(yǎng)護(hù)初期，水泥漿的齡期影響因子隨窯灰摻量的增加變化并不顯著；養(yǎng)護(hù)后期，水泥漿的齡期影響因子隨窯灰摻量的增加呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系；齡期影響因子隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而降低。當(dāng)窯灰摻量為4%，水泥膠漿所有的性能達(dá)到最優(yōu)。摻入4%摻量的窯灰后，水泥膠漿的初始流動度從185mm 增加到243mm，增幅達(dá)到31.3%；水泥膠漿的1h 流動度從159mm 增加到231mm，增幅達(dá)到45.3%；且不斷接近市場上已有水泥流動度，證實(shí)了窯灰對水泥與減水劑的相容性具有顯著的提升作用。此外，摻入窯灰后，新增的經(jīng)濟(jì)利潤達(dá)到256萬元。綜上，窯灰對水泥性能提升及經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)化具有顯著的增強(qiáng)效果。