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P·O42.5水泥与聚羧酸减水剂的适应性研究

来源:http://www.cement365.com     发布日期:2024-09-10    编辑:见招标信息原文
核心提示:P·O42.5水泥与聚羧酸减水剂的适应性研究

P·O42.5水泥与聚羧酸减水剂的适应性研究

高乔(天山材料股份有限公司

来源:《水泥工程》

0引言

在当前经济形势下,市场对水泥的品质要求越来越高。企业在控制好水泥各项性能的同时,还需满足客户对水泥与减水剂适应性的要求。减水剂是混凝土最终制品——混凝土的第五组分,不但促进了许多工业副产品在水泥胶凝材料体系中的运用,同时有利于资源节约与环境保护,已成为改善混凝土性能不可缺少的重要组分。然而,在实际应用中经常会遇到水泥与减水剂不相适应的问题,如浆体流动度低、流动性损失快、泌水、离析等现象,严重影响混凝土的性能及工程质量。因此,寻找水泥与减水剂适应性的影响因素并采取针对性改善性措施,对指导水泥企业及时调整优化熟料和水泥的生产具有重要意义。

本文主要从熟料的矿物组成、水泥细度、碱含量、石膏种类、混合材种类及掺量等方面研究了P·O42.5水泥与聚羧酸减水剂适应性的影响因素。并基于此研究成果,联系生产实际,通过调整三率值、优化混合材配比、控制水泥比表面积和颗粒分布,使生产的P·O42.5水泥与聚羧酸减水剂适应性更好。

1实验过程及结果分析

1.1熟料矿物成分对水泥与减水剂适应性的影响选取5种不同矿物成分的熟料S1,S2,S3,S4,

S5,分别与石膏,脱水渣,钢渣,石灰石粉末按照75%,5%,8%,5%,7%的比例倒入球磨机(Φ500mm×500 mm)中粉磨至比表面积约340 m2/kg,制得的5种水泥代号分别为C1,C2,C3,C4,C5。净浆流动度测试参照《GB/T 8077—2000混凝土外加剂匀质性试验方法》;混凝土性能试验参照《JG/T 223—2007聚羧酸系高性能减水剂》;熟料小磨和物理性能检测参照《GB/T 21372—2008硅酸盐水泥熟料》;化学成分检测参照《GB/T 176—2008水泥化学分析方法》。熟料化学成分、率值、矿物组成统计结果如表1。

将聚羧酸减水剂按0.8%,0.9%,1.0%,1.1%,1.2%不同掺量与水泥C1~C5进行匀质性试验,各编号水泥的初始流动度结果见表2。

图1是不同掺量减水剂加入到5种水泥中后,水泥初始流动性变化。从表2和图1可以看到,C1~C5水泥的流动性依次变差,结合相应的水泥熟料矿物成分分析可知,C3A的含量对水泥聚羧酸减水剂的分散性影响较大。S1~S5水泥熟料中C3A含量逐渐增大,聚羧酸减水剂掺量相同时,C3A含量越大,减水剂分散性越差。对于熟料中C3A含量最高的C5而言,即使将减水剂掺量提高到1.2%,所获得的流动度也仅为212 mm。而对于C3A含量较少的C1、C2水泥而言,其减水剂掺量分别为0.8%、0.9%时流动度就已超过C5水泥减水剂掺量1.2%时的流动度。C1水泥减水剂掺量为1.0%时,其流动度为245 mm。

选取五组试样对聚羧酸减水剂在水泥中的分散保持性进行研究,结果见表3。从表3可以看出,随着水泥熟料中C3A含量的上升,减水剂在水泥中的分散保持性也逐渐下降。以减水剂掺量为1.2%的C5水泥为例,随着时间的延长,其流动度下降很快,2h时其流动度较初始时下降38.7%;而减水剂掺量为0.8%的C1水泥,2h时其流动度较初始时下降17.5%。可见矿物组成中C₃A含量对聚羧酸减水剂与水泥适应性影响较大,而C₄AF矿物相的含量影响较小,水泥流动性随其含量变化趋势不明显。由此可见,熟料中C₃A含量高的水泥,其流动度经时损失较大。

究其原因,主要与C₂A矿物的晶体缺陷及水化速度有关。水泥的组成矿物中C₃A水化速度最快,且晶体缺陷较多,水化初期的动电电位呈正值,在水化初期吸附聚羧酸减水剂的能力较强(聚羧酸减水剂为阴离子表面活性剂),从而使减水剂对其它粒子的分散作用减弱。而对减水剂分散及分散保持起关键作用的是吸附到水泥水化产物表面及游离在水泥浆体中的减水剂分子。随着C₃A含量的增高,水泥浆体形成骨架结构的速度加快,更多的减水剂分子被C₃A消耗掉,用于分散其它离子的减水剂分子逐渐减少,从而导致减水剂的分散性及分散保持性变差。此外,占熟料矿物成分比例较大的C₃S和C₂S在水化初期的动电电位呈负值,对减水剂的吸附量明显低于C₃A,C₃A含量的提高使聚羧酸减水剂在P·042.5硅酸盐水泥中的分散性下降。

C1~C4熟料的标准稠度随C₃A含量的增加而增大,但整体较低,有利于提高聚羧酸减水剂与水泥的适应性。

根据以上分析,并结合市场反馈情况,使用相同配比的熟料和混合材生产水泥时,用熟料S1生产的水泥客户满意度更高,考虑到窑上煅烧使用高硅质生料对窑负荷更大,熟料率值控制指标定为KH=

0.91±0.02,SM=2.67~2.72,IM=1.50±0.10,w(C₃A)<

8.0%。用此指标控制煅烧得到的熟料配制水泥,当聚羧酸减水剂掺量为0.8%时,P·042.5水泥净浆初始流动度可达到220mm。

1.2水泥细度对水泥与减水剂适应性的影响

水泥细度对聚羧酸减水剂与水泥适应性有重要影响。将原料配比相同的P·042.5水泥磨至比表面积分别为320,340,360,380,400 m²/kg,记为编号C6,C7,C8,C9,C10,固定减水剂掺量为0.8%。表4是不同比表面积水泥的流动度。其中水泥细度检验方法依照《GB/T 1345—2005水泥细度检验方法·筛析法》的相关规定进行测试。

可知,随着水泥颗粒细度变小,比表面积增大,水泥净浆流动性逐渐变差,且随着水泥比表面积的增大,流动度下降的越来越快。究其原因,主要是因为水泥颗粒细度会影响水泥与溶剂的接触面积,从而影响水泥水化速度。水泥颗粒越细,水泥水化反应速率越快,C3A矿物在水化早期对聚羧酸减水剂的吸附量越大,从而减少了水化产物表面和浆体中减水剂的量,导致水泥流动性变差。此外,水泥颗粒越细,越容易因絮凝作用团聚在一起,要破坏这种絮凝结构,需要添加更多的减水剂。因此当减水剂掺量固定为1.0%时,水泥细度越细,水泥浆体流动度越小,聚羧酸减水剂在水泥中的分散性越差。综合考虑水泥性能和水泥磨台时电耗,宜将水泥比表面积控制为(340±10)m2/kg。

1.3石膏掺量对水泥与减水剂适应性的影响

石膏掺量是水泥质量的一项重要指标。作为水泥生产的调凝剂,石膏通过向溶液中释放SO42-离子,与C3A反应生成钙矾石和单硫铝酸钙,从而调节水泥的凝结时间及硬化速度,因此不同形态石膏对聚羧酸减水剂与水泥的适应性影响不同。目前,用于水泥生产的石膏主要有3种,即天然二水石膏、磷石膏以及脱硫石膏,三种石膏释放SO42-离子的速度不同,其中脱硫石膏速度最快,天然石膏次之,磷石膏因为含有可溶性磷会延长水泥凝结时间从而影响净浆流动度。

将脱硫石膏、天然二水石膏、磷石膏分别与熟料S1、脱水渣、钢渣、石灰石粉末按照5%、75%、8%、5%、7%的比例在球磨机中粉磨至比表面积约为360 m2/kg,所制得P·O42.5水泥成品的代号分别记为C1,C11,C12,各品种石膏的化学成分见表5。将三种水泥分别与1.0%和0.8%掺量的减水剂进行分散性试验,测试其流动性,结果见表6。

可以看到,采用脱硫石膏作调凝剂时,聚羧酸减水剂与水泥的适应性较好,特别是初始流动度较高;采用天然石膏作调凝剂时,水泥净浆流动度保持性良好,2 h后流动度超过脱硫石膏作调凝剂时的净浆流动度。磷石膏作调凝剂时聚羧酸减水剂与水泥适应性较差,流动度保持性也不理想。当聚羧酸减水剂掺量由1.0%降至0.8%,三种石膏作调凝剂对水泥净浆流动度的影响趋势不变,且C1水泥与聚羧酸减水剂适应性最好。

掺不同种类石膏的水泥流动性不同的主要原因是石膏向溶液中释放SO42-离子的速度不同。脱硫石膏释放SO42-离子速度最快,能够与高活性的C3A反应生成钙矾石和单硫型铝酸钙,从而抑制C3A在水泥水化初期的反应速度,避免出现闪凝现象。若石膏中SO42-离子释放速度慢,与C3A相比含量偏低,不能有效减缓C3A对聚羧酸减水剂的吸附作用,则会导致水泥浆体流动性变差。天然二水石膏和磷石膏SO42-离子释放速度较脱硫石膏慢,对抑制C3A吸附减水剂分子的作用较弱。SO42-离子释放速度过快浓度过高也不可取,过高时大量的成核作用会造成假凝现象。因此,合理选择石膏种类和石膏掺入比例,控制好SO42-离子的释放速度和浓度,对聚羧酸减水剂与P·O42.5水泥的适应性有重要影响。

磷石膏中的可溶性磷酸盐及少量有机杂质等有害成分导致P·O42.5水泥与聚羧酸减水剂适应性较差。利用磷石膏作水泥缓凝剂时,与采用脱硫石膏和天然二水石膏做缓凝剂相比,对水泥的凝结时间影响较大,胶结材的流动性也随之变差,水膏比大幅增加,即使高效聚羧酸减水剂产量提高到1.0%时,其流动性改善也很有限。故在实际生产中宜将天然二水石膏和脱硫石膏搭配使用,掺量为4%~5%。

1.4碱含量对水泥与减水剂适应性的影响

水泥中碱含量按R2O=NaO2+0.658K2O计算的质量百分率来表示,对聚羧酸减水剂与水泥适应性也有较大影响。由于较难控制水泥中碱含量不同而其它成分含量相近,故从试验中获取相关结论有一定难度。在大量生产数据的基础上,结合查阅相关资料,发现可溶性碱含量过高时,过量的碱会和集料中的活性SiO2反应,生成膨胀性碱硅硫酸盐胶凝,一方面导致混凝土开裂,另一方面降低了聚羧酸减水剂对水泥浆体的塑化作用,使水泥浆体流动性损失加快,凝结时间急剧缩短。可溶性碱的含量过低时,若减水剂含量不足便会引起混凝土坍落度损失过快的现象。大量试验数据表明,水泥中碱含量应控制在0.4%~0.8%范围内,才能保证聚羧酸减水剂与水泥有良好的适应性。考虑到国标中要求低碱水泥的碱含量不大于0.6%,因此宜将水泥中碱含量控制在0.4%~0.6%范围内。

1.5混合材对水泥与减水剂适应性的影响

P·O42.5水泥中通常会掺加一定量的混合材,如粉煤灰、煤矸石、矿渣、钢渣、石灰石碎屑等。由于混合材种类、性质和掺量不同,使得聚羧酸减水剂对水泥的分散、塑化效果也不尽相同。按照通用硅酸盐水泥标准,P·O42.5级水泥中混合材的最大掺量为20%,但由于目前高效水泥助磨剂的广泛应用,P·O42.5级水泥中实际混合材的掺量可大于20%,实际掺量根据混合材种类的不同而不同。选取荆门公司常见的几种混合材进行化学成分分析,结果见表7。

选取脱水渣、钢渣、石灰石粉末三种常用的混合材搭配使用,找出配制与聚羧酸减水剂适应性良好的P·O42.5水泥的最佳配比。将熟料、天然石膏、脱水渣的掺量固定为75%,5%,8%,改变钢渣与石灰石粉末的比例分别为钢渣∶石灰石=1∶1.2,1∶1.4,1∶1.6,1∶1.8,配制出四组样品进行小磨试验,保持比表面积在340m2/kg左右,并对成品水泥进行外加剂匀质性试验和物理性能测试,聚羧酸减水剂掺量固定为0.8%。水泥配比和物理性能测试数据见表8。

从表8中数据可以看到,改变钢渣与石灰石粉末配比对水泥净浆流动度影响不大,凝结时间变化也不大;减少钢渣掺量标准稠度有降低的趋势,但变化不明显,聚羧酸减水剂与P·O42.5水泥适应性良好。随着钢渣掺量的增加,水泥早期抗压强度逐渐增大;当钢渣与石灰石粉末掺量>1∶1.4时,水泥后期强度也随钢渣掺量的增加而增大,当钢渣∶石灰石粉末=1∶1.2时,水泥28 d强度反而降低,有可能与SO3含量较高有关,SO3含量高,水泥强度不能及时发挥出来。钢渣中CaO、Fe2O3含量较高,矿物活性大,有助于水化反应发生。但钢渣在高温下生成,矿物晶体发育完全颗粒较大,结晶致密,故掺量过多时反而不利于后期强度的增长。而石灰石粉末一方面颗粒较细,可以降低水泥石孔隙率,另一方面在水化反应中起到晶核作用,加速了早期水化反应的进行,是一种能促进聚羧酸减水剂与P·O42.5水泥适应性的混合材。综合考虑水泥的多项物理性能,将钢渣与石灰石粉末的配比定为1∶1.4对实际生产较为有利。

2结论

(1)水泥的矿物组成,特别是C3A的含量对P·O42.5水泥与聚羧酸减水剂的适应性有重要影响。C3A含量过高会使P·O42.5水泥与聚羧酸减水剂的适应性变差。在实际生产中宜将熟料率值控制指标定为KH=0.91±0.02;SM=2.67~2.72,IM=1.50±0.10,w(C3A)<8.0%。

(2)水泥细度越细,P·O42.5水泥浆体流动度越小,与聚羧酸减水剂的适应性越差。生产中水泥比表面积应控制为(340±10)m2/kg。

(3)使用不同种类石膏做调凝剂时,P·O42.5水泥与聚羧酸减水剂的适应性不同。脱硫石膏释放SO42-离子速度最快,水泥浆体流动性最好,在实际生产中宜将天然二水石膏和脱硫石膏搭配使用,掺量为4%~5%。

(4)P·O42.5水泥中碱含量应控制在0.4%~0.63%范围内时,聚羧酸减水剂与水泥的适应性较好。

(5)钢渣与石灰石粉末作混合材时聚羧酸减水剂与P·O42.5水泥的适应性较好,生产中宜将钢渣与石灰石粉末的配比定为1∶1.4。

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