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　　1.概況

　　傳統(tǒng)水泥的生產(chǎn)工藝是“兩磨一燒”，需要耗費(fèi)大量的能源，并排放大量的溫室氣體，生產(chǎn)成本高。本技術(shù)不需要高溫煅燒，不排放二氧化碳，能耗低，可大幅度降低水泥生產(chǎn)成本，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。主要原料是：石灰石、礦渣、粉煤灰、煤渣、煤矸石、鋼渣、磷渣、石膏、磷石膏、脫硫石膏、少量熟料及微量助磨劑等，不加堿，不含氯離子，絕大多數(shù)原材料為工業(yè)廢渣。生產(chǎn)32.5等級(jí)水泥，熟料摻量?jī)H30%左右;生產(chǎn)42.5等級(jí)水泥，熟料摻量?jī)H45%左右;與傳統(tǒng)水泥生產(chǎn)方法相比，生產(chǎn)32.5等級(jí)的水泥，水泥成本可下降40～60元/噸;生產(chǎn)42.5等級(jí)的水泥，水泥成本可下降80～150元/噸。是一種新型的綠色生態(tài)低能耗水泥，所產(chǎn)水泥的所有技術(shù)指標(biāo)均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，已在水泥廠生產(chǎn)成功，適應(yīng)于一般工業(yè)與民用建筑、地下工程與防水工程、大體積混凝土工程、道路工程等。

　　2.基本原理

　　水泥加水后之所以能夠硬化，產(chǎn)生強(qiáng)度，主要是由于水泥中的礦物(硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣)可以與水進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生了一系列的水化產(chǎn)物，如C-S-H、鈣礬石、氫氧化鈣、水化鋁酸鈣等。這些水化產(chǎn)物相互搭接，并不斷占據(jù)水的空間，使水泥石不斷致密，從而產(chǎn)生了強(qiáng)度，如圖1所示。

　　因此，根據(jù)此原理，只要能夠與水反應(yīng)，產(chǎn)生穩(wěn)定的水化產(chǎn)物，同時(shí)能夠不斷占據(jù)原來水的空間，并使體系達(dá)到一定致密度的物質(zhì)，都可以用于制造水泥。

　　將石灰石、礦渣、粉煤灰、煤渣、煤矸石、鋼渣、磷渣、石膏、磷石膏、脫硫石膏、少量熟料及微量助磨劑等原料，按一定比例磨成細(xì)粉，加水后即可發(fā)生一系列反應(yīng)，生成一系列新的水化產(chǎn)物：水化碳鋁酸鈣、鈣礬石、水化硅酸鈣。這些水化產(chǎn)物也是穩(wěn)定的礦物，與現(xiàn)有水泥水化后產(chǎn)生的水化產(chǎn)物一樣，也能相互搭接，并不斷占據(jù)水的空間，使水泥石不斷致密，產(chǎn)生強(qiáng)度，見圖2所示。其反應(yīng)方程式如下：

　　CaO + Al2O3 + CaCO3 +H2O → C3A·3CaCO3·32H2O

　　CaO + Al2O3 + CaSO4 +H2O → C3A·3CaSO4·32H2O

　　CaO + SiO2 + H2O → C-S-H

　　3.水泥性能

　　(1) 高性能少熟料水泥的組成與物理性能

　　表1、高性能少熟料水泥的組成與物理性能

　　(1) 長(zhǎng)期強(qiáng)度

　　按標(biāo)準(zhǔn)方法成型后在標(biāo)準(zhǔn)條件下，水中養(yǎng)護(hù)至各齡期測(cè)定強(qiáng)度。

　　表2、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下水泥的長(zhǎng)期強(qiáng)度

　　按標(biāo)準(zhǔn)方法成型后在標(biāo)準(zhǔn)條件下，水中養(yǎng)護(hù)28天后，放在屋頂露天自然空氣中養(yǎng)護(hù)至一定齡期后測(cè)定強(qiáng)度。主要考察在空氣中養(yǎng)護(hù)的條件下，水泥的長(zhǎng)期強(qiáng)度，以及空氣中二氧化碳的影響。

　　表3、露天自然養(yǎng)護(hù)條件下水泥的長(zhǎng)期強(qiáng)度

　　注：養(yǎng)護(hù)90天是指標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天后，再養(yǎng)護(hù)62天，實(shí)際是水中養(yǎng)護(hù)28天，露天養(yǎng)護(hù)62天，其余類推。

　　(1) 抗碳化性能

　　將本技術(shù)32.5等級(jí)的水泥及華新P.C 32.5復(fù)合硅酸鹽水泥，成型脫模后于20℃水中養(yǎng)護(hù)26天，然后于60℃烘箱中烘干48小時(shí)。4×4×16試塊六面全部不用蠟封，放在碳化箱中進(jìn)行碳化實(shí)驗(yàn)，CO2濃度控制在20±3%，溫度20±5℃，相對(duì)濕度70±5%。測(cè)定抗折強(qiáng)度后順便測(cè)定碳化深度。測(cè)定完抗壓強(qiáng)度后，將半個(gè)試塊全部收集起來，粉碎均化后，取50g加70ml蒸餾水?dāng)嚢?小時(shí)，過濾后測(cè)定pH值。

　　表4、不同品種水泥不同齡期碳化深度及平均斷面pH值

　　表5、不同品種水泥碳化不同齡期后的強(qiáng)度

　　本技術(shù)生產(chǎn)的水泥抗碳化性能與華新32.5復(fù)合水泥相差不大，碳化后各齡期的強(qiáng)度均可不斷增加，而且，但兩者碳化深度也相差不大。

　　(4) 水泥風(fēng)化實(shí)驗(yàn)

　　將本技術(shù)生產(chǎn)的不同等級(jí)的水泥，按不同的存放條件存放規(guī)定的時(shí)間后，測(cè)定水泥的各齡期強(qiáng)度，結(jié)果見表6。

　　表6. 水泥風(fēng)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　高性能少熟料水泥具有較好的抗風(fēng)化性能，在三個(gè)月保質(zhì)期內(nèi)，水泥強(qiáng)度下降不多。

　　(5) 水泥水化熱

　　表7、水泥水化熱實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　高性能少熟料水泥的水化熱很低。

　　(6) 水泥壓蒸安定性

　　表8、水泥壓蒸安定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　(7) 水泥干縮性能

　　按JC/T 603-1995標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行水泥砂漿干縮實(shí)驗(yàn)。

　　表9、水泥干縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　高性能少熟料水泥在水中養(yǎng)護(hù)出現(xiàn)微膨脹，在空氣中養(yǎng)護(hù)出現(xiàn)微收縮，但收縮量低于華新32.5復(fù)合水泥，所以高性能少熟料水泥的干縮性能優(yōu)于同等級(jí)的復(fù)合水泥。

　　(8) 抗低溫性能

　　表10、水泥在低溫環(huán)境下的性能

　　高性能少熟料水泥的低溫性能與復(fù)合水泥相當(dāng)。

　　(9) 抗凍性能實(shí)驗(yàn)

　　成型一批4×4×16標(biāo)準(zhǔn)試體，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天后，分為兩組，一組繼續(xù)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，另一組進(jìn)行凍融實(shí)驗(yàn)。采用慢凍法，將養(yǎng)護(hù)了28天的試體從水中取出，用布擦去表面的水，稱重。然后放入冰箱冷凍室中，試塊之間要有間距，應(yīng)架空。冷凍室溫度控制在-15℃～-20℃，白天放入冰箱，傍晚取出放入20℃的溫水中解凍，每天凍融循環(huán)1次，共凍融25次后取出稱重并計(jì)算失重率，測(cè)定強(qiáng)度，對(duì)比試樣一直標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至相同齡期一起破型測(cè)定，進(jìn)行強(qiáng)度對(duì)比。

　　表11、水泥抗凍性對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　高性能少熟料水泥的抗凍性比復(fù)合水泥稍好。

　　(10) 水泥與減水劑相容性實(shí)驗(yàn)

　　按JC/T 1083-2008《水泥與減水劑相容性試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)。同時(shí)檢驗(yàn)減水劑對(duì)水泥泌水量的影響。

　　不同水泥在不同減水劑及建議摻量下的靜漿流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失率

　　注：基準(zhǔn)水泥配比為：熟料95%，石膏5%。SLH-997為改進(jìn)型聚羧酸減水劑;FDN-9000是以β-萘磺酸鹽甲醛縮合物為主要成分并復(fù)合了緩凝、保塑及其它多種表面活性組份的緩凝減水劑。

　　以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：

　　鋼渣水泥與SLH-997改進(jìn)型聚羧酸減水劑的相容性較好，同基準(zhǔn)水泥相差不大。

　　鋼渣水泥與奈系減水劑的相容性，好于基準(zhǔn)水泥。

　　鋼渣水泥與FDN-9000萘磺酸鹽甲醛縮合物緩凝減水劑的相容性不太好，不如基準(zhǔn)水泥。

　　鋼渣水泥與聯(lián)合聚羧酸減水劑的相容性不太好，不如基準(zhǔn)水泥。

　　(11) 耐高溫性能

　　將試樣養(yǎng)護(hù)至28天，然后在65℃下烘干1天并測(cè)定強(qiáng)度，在不同的溫度下，煅燒1小時(shí)測(cè)其強(qiáng)度。

　　表14、不同溫度下水泥的強(qiáng)度

　　高性能少熟料水泥的耐高溫性能與復(fù)合水泥相當(dāng)。

　　(12) 水泥砂漿表面起砂性能實(shí)驗(yàn)

　　將水泥與GB標(biāo)準(zhǔn)砂(老標(biāo)準(zhǔn)砂)按1：3的比例，水灰比0.5，在小攪拌機(jī)(做凝結(jié)時(shí)間用)中攪拌均勻，用做圓試模成型，表面用直尺水平略向上傾斜刮平，然后放在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中，在20℃，相對(duì)濕度900%的條件下，養(yǎng)護(hù)7天后，于60℃溫度下烘干2天，每個(gè)試樣成4個(gè)試模，分成兩組，每組2個(gè)，一組用于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的起砂性能檢測(cè)，另一組用于碳化條件下的起砂性能。

　　標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的起砂性能檢測(cè)：將兩個(gè)試塊稱重并記錄，用塑料刷手工在試塊表面刷100下(用力要均勻)，然后再稱重，計(jì)算重量損失，以此判斷起砂性能好壞。

　　碳化條件下的起砂性能檢測(cè)：將兩個(gè)試塊放置在碳化箱中，進(jìn)行碳化，CO2濃度控制在20±3%，溫度20±5℃，相對(duì)濕度70±5%。碳化7天后，試塊稱重并記錄，用塑料刷手工在試塊表面刷100下(用力要均勻)，然后再稱重，計(jì)算重量損失，以此判斷碳化后起砂性能好壞。

　　表15、水泥表面起砂性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　本技術(shù)32.5水泥的起砂性能不及硅酸鹽52.5水泥，但比復(fù)合32.5水泥好。

　　(13) 抗硫酸鹽性能實(shí)驗(yàn)

　　采用40mm×40mm×160mm標(biāo)準(zhǔn)試塊, 每個(gè)試樣分兩組，一組采用正常成型(水泥中不加Na2SO4)并在標(biāo)準(zhǔn)條件下(清水)養(yǎng)護(hù)。另一組水泥中外加1.5%Na2SO4成型，養(yǎng)護(hù)1天脫模后，直接放入質(zhì)量濃度為3%的Na2SO4 溶液中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期取出測(cè)定強(qiáng)度，兩個(gè)月更換一次浸泡溶液。

　　在實(shí)驗(yàn)齡期內(nèi)，高性能少熟料水泥和復(fù)合水泥在硫酸鹽環(huán)境中，強(qiáng)度基本上不下降，都具有較好的抗硫酸鹽性能。

　　(14) 混凝土試配

　　實(shí)驗(yàn)原料：

　　鋼渣粉：用寶鋼鋼渣破碎烘干后粉磨而得。

　　礦渣粉：直接使用上海寶鋼送來的立磨礦渣粉，比重2.90，測(cè)定比表面積439.1 m2/kg。

　　粉煤灰：直接使用武漢陽羅電廠取來的粉煤灰，比重 2.29，測(cè)定比表面積405.0 m2/kg。

　　石子：武漢市場(chǎng)上購買，石子粒徑5～25mm。

　　砂：武漢市場(chǎng)上購買，砂子細(xì)度模數(shù)2.0。

　　鋼渣42.5水泥：采用寶鋼原料實(shí)驗(yàn)室制備而得，其中熟料摻量45%左右。

　　普通42.5水泥：采用市購42.5普通水泥，其中熟料摻量80%。

　　鋼渣32.5水泥：采用寶鋼原料實(shí)驗(yàn)室制備而得，其中熟料摻量30%左右。

　　SLH-997：為一改進(jìn)型聚羧酸減水劑，采用寶鋼混凝土攪拌站送來的樣品，液體。

　　表12、混凝土配合比及強(qiáng)度

　　(15) 水泥水化產(chǎn)物

　　將本技術(shù)生產(chǎn)的32.5水泥加24%水?dāng)嚢璩蓛魸{，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)3天，用電子顯微鏡和XRD檢驗(yàn)其水化產(chǎn)物，見圖3和圖4所示。實(shí)驗(yàn)表明，在水泥的水化產(chǎn)物中，形成了大量針狀的鈣礬石、水化碳鋁酸鈣和無定型的水化硅酸鈣礦物。

　　圖3. 高性能少熟料水泥水化3天的SEM照片

　　圖4 高性能少熟料水泥水化3天的XRD分析