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技术丨影响水泥需水量的主要因素和控制方法(上)

来源:《水泥工程》 发布日期:2018/7/6 编辑:王嘉璐
核心提示:水泥工业的节能减排和绿色发展要求, 引起人们对水泥需水量问题的重视, 尤其是在商品混凝土发达地区, 供应商在选择水泥时, 都对水泥需水量有严格的要求, 以减少混凝土减水剂和水泥的用量, 达到降低成本、提高产品质量之目的。

前言

水泥标准稠度需水量(以下简称水泥需水量),是指能使水泥浆体达到一定的可塑性和流动性所需要的拌合水量。它是水泥建筑性能的重要指标,直接关系到混凝土的水灰比,而水灰比决定了混凝土强度和密实性,影响混凝土的耐久性。 水泥需水量小, 混凝土的单位需水量也小,水灰比小,混凝土致密,强度高,耐久性好。所以,水泥需水量决定着混凝土中水泥的用量, 也决定着混凝土的性能,是影响混凝土经济性的最重要因素。为此,混凝土生产商都希望选择需水量少的水泥,这就要求水泥生产企业在生产水泥时,尽量减少水泥需水量,以满足市场所需,提高产品竞争能力,也有利于水泥工业优质、低耗、环保的可持续发展。

1、水泥需水量对混凝土的影响

1.1 水泥需水量对混凝土用水量的影响

以水泥标准稠度需水量 25%作为标准值, 得出混凝土用水量随水泥标准稠度需水量增减而变化的经验公式:

Δw = C(N~0.25) × 0.8

式中 :

Δw ——1 m3 混凝土用水量变化值 ,kg/m3;

C ——1 m3混凝土水泥用量,kg/m3;

N ——水泥标准稠度用水量,%。

由以上讨论可知: 欲降低混凝土用水量,必须降低水泥标准稠度用水量。

1.2 水泥需水量对混凝土强度的影响

混凝土配制强度计算公式:


可见,混凝土强度与用水量成反比,因此,要提高混凝土强度就必须减少用水量。

2 、影响水泥需水量的主要因素

水泥需水量主要包括填满水泥颗粒间隙的填充水, 湿润水泥颗粒表面, 形成足够水膜的水泥颗粒表面吸附水和满足水泥初期水化的化学结合水。水泥颗粒间隙的填充用水与其颗粒级配和颗粒形状有关;水泥颗粒表面吸附水膜用水与其颗粒形状和大小即水泥比表面积有关, 水泥水化用水则主要与其矿物组成有关;可见影响水泥需水量的因素虽多, 但决定需水量的主要因素可归纳以下几个方面。

2.1 熟料矿物组成的影响

熟料矿物组成中需水量由大到小顺序为:C3A,C3S, C4AF, C2S。 浙江上峰水泥 2500 t/d 生产线熟料率值和矿物组成与熟料标准稠度用水量的统计见表1。其中,编号A熟料的硅酸盐矿物 C3S+C2S 含量最高,C3A 含量最低, 其标准稠度用水量也是最低的;编号 B 熟料和 A 熟料的 KH、SM和硅酸盐矿物 C3S+C2S含量基本一致,而且B的C2S比A略高,但B的IM比A高,尤其是 C3A 含量高达 9.54%,导致B 的标准稠度用水量比A 高1.9%;C,D 编号熟料的需水量较低,其硅酸盐矿物含量虽不及A,B,但因其C3A 含量较低,需水量虽比 A 高%,却比B 分别低了1.6%以上。

即水泥比表面积有关,水泥水化用水则主要与其矿物组成有关;可见影响水泥需水量的因素虽多,C3A 含量与水泥需水量成线性关系见图 1。可见熟料中每增加 1%C3A,水泥需水量就要增加 1%;有经验推测,由此1 m3的混凝土需水量相应增加 6~8 kg,以1m3混凝土中水泥用量 400kg计,混凝土水灰比增大0.015~0.02,相当于C30~C40 混凝土强度下降2MPa左右。所以,减少熟料中 C3A含量有利于降低水泥需水量。可见,混凝土强度与用水量成反比,因此,要提高混凝土强度就必须减少用水量。


表 2 为水泥熟料矿物的水化程度,从其水化速率看,C3A 水化速率最快,C2S 最慢。有研究发现, 水泥水化初始反应期约为5 min,此时水泥水化约1%,而在 10~15min 内已有0.4%~1.6%的 C3A 水化, 就需要消耗一部分水, 而 C2S 水化速度最慢的, 在这段时间几乎完全不水化。

表3 为水泥熟料四种单体矿物的质量密度,C3A质量密度最小,因此,其单位质量的体积最大,C3A颗粒表面形成水膜所需的水量最大。C4AF 质量密度最大,单位质量的体积最小,其表面形成同样厚度的水膜所需的水量最小。

2.2 水泥比表面积和水泥颗粒特性的影响

我们知道, 通用水泥的比表面积在 250~5000m2/kg 之间。 德国水泥研究所对一些不同强度等级和不同比表面积的水泥进行需水量试验的统计结果见图 2。可以明显看到,水泥需水量随比表面增大而上升。

表 4 为比表面积对水泥需水量的影响。可见,水泥比表面积每增加 100 m2/kg, 就会增加水泥需水量1.0%~1.2% 水泥颗粒级配和颗粒形状对水泥需水量影响较大,表5是水泥最佳性能的颗粒级配。我们知道,粒径3~32μm部分的颗粒对水泥强度的增进起主导作用,尤其是16~24μm 颗粒对水泥性能尤为重要, 其含量越多越好。而<3μm 的细颗粒容易结团,<1μm的颗粒在加水搅拌中很快水化,对混凝土强度作用很小, 也影响水泥与外加剂的适应性, 容易引起混凝土开裂, 影响其耐久性; 而>65 μm 的颗粒水化很慢, 对28 d强度贡献很小。

良好的水泥颗粒级配, 其颗粒间空隙减小, 填充空隙需要的水分减少, 需水量小。水泥颗粒分布越窄,堆积空隙率越大, 需水量越大。水泥颗粒均匀,堆积过程中就有较大间隙,需水量就大。

表6 为水泥颗粒圆形度对其需水量的影响。在比表面积一致的情况下,当水泥颗粒圆形度从47%提高到 73%时, 水泥需水量从 30.4%下降到 27.3%。

这是因为水泥颗粒形貌越好, 圆度系数越高, 与水接触表面积越小, 需水量就越小。而长条状颗粒越多,需水量越大, 这是因为长条状和片状颗粒的相互搭接容易形成较大的空隙,使填充空隙的需水量增加。


不同粉磨工艺磨制的水泥颗粒分布和颗粒形貌有所差别,与圈流磨水泥相比,开流磨水泥颗粒分布较宽,圆度系数大,粗颗粒堆积形成的空隙被细颗粒充填,颗粒充填空隙的水较少,需水量小,而采用辊压机、立磨粉磨工艺的,由于水泥颗粒均匀,分布范围窄,颗粒在堆积中产生较大的空隙, 使水泥需水量增大。

作者:夏晖 , 雷娜 , 俞岳灿

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