低碱水泥的工业化生产实践

董书浩

摘要：水泥中的碱与集料中的活性成分反应对砼的耐久性危害很大。为了避免碱集料反应的发生，施工中应优选低活性集料或低碱水泥。碱集料反应的破坏范围大、损失重，发生后难以阻止其继续发展；随着工程的增加以及对工程质量的严格要求，问题得到人们重视。本文以实际生产为研究对象，通过控制原材料、调整配料方案和调整生产工艺等综合措施，探讨了以低碱水泥熟料的生产和工业废渣制备高性能复合低碱水泥。

关键词：低碱水泥；熟料；生产

1.引言

水泥混凝土是一种低能耗、低成本、高耐久性的建筑结构材料，然而由于冻融循环、碳化、碱—集料反应、化学腐蚀、淡水溶蚀等破坏因素的作用，使混凝土构筑物提早遭到破坏，所以耐久性应和标号一样成为混凝土性能的重要指标。许多重要建筑物被发现受到破坏就与此有关，要避免碱—集料反应，就要控制混凝土中的碱含量，最佳选择就是使用低碱水泥来配制混凝土。那么如何根据低碱水泥熟料的生产，利用工业废渣制备高性能复合低碱水泥本文进行了试验研究。

2.低碱水泥生产中原材料的选择

2.1主要原材料的基本特性

硅酸盐水泥生产的主要原料是石灰石质和粘土质原料，使用最普遍是石灰石。石灰石资源在我国储量很丰富，主要赋存于地质年代较古老的地层中，其中部分碱含量相对较高，有的甚至超过1%；在我国南方地区主要赋存于泥盆纪、石炭纪等地层中，其中石炭系石灰石分布较广泛且品位较高，碱含量低。粘土质原料中碱含量相对较高，因此其对低碱水泥的生产影响较大。

2.2配料对原材料的要求

国标中对普通水泥的碱含量做为协商性指标，即当用户提出要求时碱含量必须≦0.6%。所以低碱水泥对原材料的要求只是在生产普通水泥基础上对碱含量更严格一些，既然要求水泥碱含量≦0.6%，按掺10%±3%的混合材计，则熟料碱含量必须控制在0.54%-0.61%，生料烧失量按35.5%、窑中碱的挥发率按10%计算，则要求生料碱必须控制达到0.31%-0.36%范围。利用现有原材料生产低碱水泥是不可行的，石灰石中的碱每降低0.1%，生料、熟料、水泥中含量依次降低0.086%，0.127%，0.094%。根据石灰石矿的地质勘探报告资料数据纯块料石灰石碱含量平均为0.20%，所以选用优质纯块料石灰石是很有必要的；粘土碱含量居高不下是制约低碱水泥生产的关键，必须设法寻找新的硅质材料代替现用粘土，要保证普通水泥的性能，还要考虑SiO2/Al2O3控制在一定的范围内。

3.低碱水泥熟料制备

3.1碱骨料反应

碱一骨料反应普遍认为有以下三种类型：

①碱一硅反应（Alkali—SilicaReaction．简称AsR）是指混凝土中的碱与不定形二氧化硅的反应；

②碱一硅酸盐反应（Alkali—SilicateReaction，亦简称ASR）是指混凝土中的碱与某些硅酸盐矿物的反应。

③碱一碳酸盐反应（AIkali—CarbonateReae—tion，简称ACR）是指混凝土中的碱与某些碳酸盐矿物的反应。

一般将①、②归为一类，均称ASR，其中碱一硅酸盐反应最为常见，是研究的重点。除了以上反应使混凝土产生破坏外，由于混凝土裂纹的出现和结构的损坏，外界的水进一步渗入又会产生钢筋锈蚀及冻融等综合性破坏，所以碱一骨料反应是影响混凝土耐久性，降低建构筑物寿命的重要原因。

水泥中的碱主要是指Na2O和K20，它们主要来源于烧成水泥熟料的原料，水泥中总碱量（R2o）一般以钠当量计，公式为R2O％=Na2O％+0.658K2O％。国内外经验表明，总碱量在0.6％以上的水泥容易引起AAR，而使用总碱量在0.6％以下的水泥不会产生过大的膨胀，破坏事例就很少，碱活性骨料是安全的，所以现在就把碱含量低于0.6％的水泥称为低碱水泥，一般认为使用低碱水泥不会发生碱一骨料反应。

3.2高硅低碱砂岩配料对熟料易烧性的影响

3.2.1配料方案

在水泥实际生产过程中，生料易烧性不仅与单项原料的性质有关，而且与原料之间的匹配、生料化学成分都有重要影响。因此，在原料特性研究的基础上，进一步对上述两种配料方案的生料易烧性进行试验研究。试验采用新型干法水泥生产常规配料方案，配料目标率值均采用：

KH=0.90+0.02SM=2.50+0.1IM=1.60+0.1；

熟料热耗采用确定为：4100kJ/kg

选用煤种的工业分析见表1，煤灰掺入量为3.5%。配料结果见表2。

表1煤的工业分析

3.2.2试验方法及步骤

石灰石、粘土、砂岩等块状物料预先破碎至5<mm，然后按表4配料方案配料，并在实验小磨中粉磨至细度为：0.08mm方孔筛筛余<10%，0.2mm方孔筛筛余<l.0%，制成生料试样。

试验按《水泥生料易烧性试验标准》规定进行。其具体方法是：将以上实验室制备的生料加入适量的煤灰混合均匀加20%的水，制成θ13mmx13mm的试体，将试体置于烘箱中烘干，然后置于加热至950℃的高温炉中预烧30分钟，再分别置于1350℃、1400℃、1450℃的高温炉中锻烧30分钟。试样取出后磨细至全部通过0.08mm方孔筛并分别测试f-Cao的含量，根据含量对水泥生料的缎烧难易程度进行评价。标准中没有对含量作出定量分级规定，参照有关资料对水泥生料易烧性评价的方法，特根据1400℃时的含量多少，将生料易烧性评价定为四个等级：

f-CaO<l%易烧性为“优”

f-CaO=1-1.5%易烧性为“良”

f-CaO=1.5-2.5%易烧性为“一般”

f-CaO>2.5%易烧性为“差”

3.2.3易烧性实验结果及分析

易烧性试验结果见表3

表3易烧性试样f-Cao（%）测定结果

两个方案试烧的熟料其主要矿物均为硅酸三钙（C3S）和β硅酸二钙（βC2S）、铁铝酸四钙（C4A3F）及铝酸三钙（C3A）。两试样的中间相，方案一熟料以C4F为主，方案二熟料以C3A为主，其他矿物基本相同。另从熟料岩相鉴定看，配料方案二A矿晶体发育比较均齐，边棱清晰，含量60%以上。而方案一A矿晶体大小较悬殊，边棱不够清晰。尽管两者的易烧性能差别不大，方案一的易烧性稍优，但其相对较高的碱含量却使熟料矿物的实际形成质量较差。因此按低碱水泥生产的要求，从控制熟料中碱含量的角度出发，方案二更为合理。

3.3低碱水泥熟料的生产试验

生产低碱水泥的前提是生产低碱熟料。新型干法生产线生产低碱熟料的途径有两种：旁路放风或采用低碱原料配料。其中前者是将窑、预热器系统中内循环的碱，在其没有凝聚前就通过旁路放风排出窑系统，同时避免电除尘、增湿塔系统收下的富含碱成分的飞灰入窑，以减少窑系统总的碱含量。但此方法另需设备投资，且熟料热耗高，收集下来的富含碱、氯、硫的物料难以处理。为此我们采用低碱原料配料这一途径。

在配料试验的基础上，我们制定了详细的生产试验方案，并成立相应的责任小组，从供料、配料、烧成、检验等各工序进行控制。（1）原料控制。由专人负责进厂原料质量控制，以保证所用原料品质在可控范围，且严禁混料。其中重点控制砂岩的碱含量，要求砂岩w（R2O）≤0.80％。（2）根据生料配料试验结果，按Ｃ方案进行了为期一周的低碱生料生产。生产中生料磨台时产量稍有下降（约降低４％，主要原因是生料难磨）。（3）熟料烧成。在低碱熟料烧成过程中，需加强物料的预热，控制物料结粒。其煅烧操作控制与生产普通熟料相比，各级预热器的出口温度约高15℃；熟料烧成热耗约高5%～8%；烧成熟料细小均齐，操作稳定，火焰易于控制；但烧结范围窄，需勤看火，勤调整。（4）碱量分析。试生产的低碱熟料中碱含量（0.48％）略高于按Ｃ方案推算出的熟料碱含量（0.46％）。为查找原因，我们对煤带入的w（R2O）值进行了分析。煤灰中碱含量：w（K2O）=1.14％，w（Na2O）＝0.54％，w（R2O）＝1.29％。根据烧成热耗推算，熟料实际煤耗为0.140KG/KG，煤的灰分20％，则煤粉带入熟料的碱含量为0.036％（1.29％×0.140×20％）。所以煅烧低碱熟料中的碱含量为：0.46％×0.972＋1.29％×0.028＝0.483％。

4.低碱硅酸盐水泥制备

4.1原料质量要求

低碱水泥能够有效地预防碱集料反应，避免水泥混凝土体的开裂，崩塌。低碱水泥是指碱金属氧化物（Na2O和K2O）含量低的水泥。总碱含量以当量氧化钠（Na2O+0.658K2O）计算，低碱水泥要求总碱含量（当量氧化钠）低于0.6%。

生产低碱水泥，需要使用低碱熟料、低碱石膏和低碱矿物掺合料。低碱熟料又必须是用低碱石灰石和其它低碱原材料生产。

1、熟料

表4熟料的物理性能与其化学成分（%）

2、矿渣、石灰石、石膏

表5矿渣、石灰石、石膏主要质量技术指标、合格率

4.2生产工艺

矿粉生产线：物料—立磨烘干、研磨、选粉—细粉至布袋收尘（1218.20）—斜槽风机（1218.32）—空气斜槽（1218.22）—入库斗提（1297.01）—空气斜槽（1297.03.1）—入矿渣粉1﹟/2﹟库

熟料粉生产线：物料—皮带（1239.12）—提升机（1232.01）—胶带输送机（1232.02）—金属探测器（1232.03）—侧三通溜子（1232.04）—称重仓（1232.05）—气动闸门（1232.06）—辊压机（1232.07）—分料阀（1232.08）—皮带机（1232.09）—电子计量称（1232.10）—单机收尘器（1232.46）—球磨机（1232.13）—重锤阀（1232.14）—空气斜槽（1232.15）—离心风机（1232.16）—斗提机（1232.17）—选粉机（1232.23）—细粉—脉冲收尘器（1232.30）—重锤阀—空气斜槽—入熟料粉1﹟/2﹟库

搅拌生产线：熟料流量计（矿渣流量计）—搅拌机（1223.08）—拉链机（1223.09）—斗提（1233.01）—六联体水泥6﹟库

4.3关键工序控制要求

工序控制是水泥生产质量的基本重要职能，加强产品生产作业过程的工艺管理，采用国家规定的工艺标准与严控把关的原材料配比进行指导生产作业，是科学管理生产、保证产品质量、合理利用资源、提高工作效率的根本保障。

1、P•O42.5低碱硅酸盐水泥熟料配比见表6

表6P•O42.5低碱硅酸盐水泥熟料配比

2、由于P•O42.5低碱硅酸盐水泥要求3天强度较高，进厂熟料3天强度必须在30MPa以上且安定性合格，保证水泥强度合格。

3、过程质量控制项目及指标见表7

表7过程质量控制项目内容、合格率

上述试验结果表明：复合水泥试件各项试验数值系数基本显著低于一般的硅酸盐水泥，对碱骨料反应有明显的抑制作用，抗渗透性能优于硅酸盐水泥，因此复合低碱水泥的耐久性能具有明显的提高。

5.结束语

本文立足生产实际，根据具体的生产资源及技术的特点，进行两方面的研究：

（1）通过原料中碱的控制、燃料的选择、生料配方的设计及工艺生产实践等几个方面的研究，对低碱水泥熟料的生产技术进行探索；

（2）以普通硅酸盐熟料为基础，采用不同的工业废渣、有关的外加剂，通过合理的组配，获得高性能复合低碱水泥。通过以上低碱水泥熟料制备及利用工业废渣制备高性能复合低碱水泥这两方面的研究，以期获得相关的理论和技术参数，并为实际工业生产提供依据。

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