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石膏形态对水泥性能影响的研究
2015-09-28 10:06:38   来源:   评论:0 点击:

摘要:本文通过小磨实验研究了二水石膏、硬石膏、半水石膏单掺、复掺水泥性能的影响,并近行了大磨生产实验。研究果表明水泥中石膏掺量在5%左右性能较佳,且适当加入一定量的硬石膏即采用结晶水在8%左右的混合石
摘要:本文通过小磨实验研究了二水石膏、硬石膏、半水石膏单掺、复掺水泥性能的影响,并近行了大磨生产实验。研究果表明水泥中石膏掺量在5%左右性能较佳,且适当加入一定量的硬石膏即采用结晶水在8%左右的混合石膏,在保证水泥凝、硬化性能的同时还能改善水泥与外加的相容性。
关键词:石膏;水泥;减水剂;相容性
Abstract:After lab and industrial test we concluded that the best performance of cement should be approached, if the gypsum content of cement were 5%. On the other hand if a mixed gypsum with 8% of crystal water content were added, the setting time and hardening time should be ensured and the compatibility of cement and additives could be improved.
 
引言:
为保证水泥的优质性,我公司在水泥生产中采用 品位较高的二水石膏作为水泥缓凝剂。 近几年来随着 水泥供求关系的变化,水泥用户对水泥性能要求也进一步提高,从只关注水泥理化性能提升到关注水泥与外加剂相容性,尤其在夏季客户对水泥与外加剂相容性方面的投诉较多。从优化水泥与外加剂相容性出发,本文研究了CaSO4·2H2O、CaSO4·0.5H2O、CaSO4三
种形态石膏对水泥性能影响,得出在我公司实际生产中可使用一定比例的硬石膏进行水泥生产,不仅能保证水泥的凝结、硬化性能,而且可控制水泥中因粉磨温度高而产生的CaSO4·0.5H2O含量,从而改善水泥与外加剂相容性。
1、试验原料及方法
1.1石膏
试验所用石膏为洪雅县一级石膏和龙池镇硬石膏两种天然石膏,采用Φ500mm×500mm统一小磨粉磨后将石膏粉中大于0.08mm样筛除,并用二水石膏 粉在 110℃烘箱中烘制 1h 制得半水石膏,对不同形态 石膏分别进行了化学成分和矿物组成分析。
 
表 1石膏化学成分见
 
                 
石膏形态 LOI SiO2   Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 结晶水
                     
二水石膏 22.23 0.98   0.41   0.07 31.80 1.74 42.64 19.19
                     
硬石膏 6.61 1.54   0.47   0.15 37.28 3.10 50.85 3.25
                     
半水石膏 12.75 1.12   0.23   0.14 37.45 0.85 47.40 9.20
                     
                     


表2石膏矿物组成
石膏形态 二水 半水 石英 斜微  
石膏 石膏 石膏 解石 长石 云石 镁矿  
     
                   
二水石膏 78.33 11.13 0.89 3.92 0.07 0.48 3.08 2.08  
                   
硬石膏 4.55 83.71 1.12 0.66 2.51 3.80 1.63 2.02  
                   
半水石膏 1.31 7.76 81.24 1.32 0.91 3.53 0.64 3.29  
                   
1.2熟料
 
实验所用熟料为我公司5000t/d新型干法线生产通用硅酸盐熟料,采用统一小磨将熟料粉磨,比表面积为(350±10)m2/kg,熟料的化学成分见表3,矿物组成见表4。熟料X射线衍射图谱如图1所示。
 
 
        表3 熟料化学成分     %
                       
  LOI SiO2 Al2O3   Fe2O3 CaO   MgO SO3 fCaO
                       
  0.25   21.92 5.14   3.16 66.78   1.48 0.45 1.05
                     
        表4 熟料矿物组成(XRD分析) %
                   
  C3S C2S C3A   C4AF fCaO   MgO K2SO4 KNaSO4
                       
  68.27   13.90 5.26   10.39 0.94   0.39 0.28 0.30
                       

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
图1    熟料X射线衍射图谱
 
1.3主要试验方法
将石膏粉、熟料粉按不同配比配制成试验水泥,按GB/T1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》、GB/T17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》进行物理性能试验。2、试验结果和讨论
2.1不同形态石膏对水泥物理性能的影响
2.1.1同一形态石膏单掺
同一形态石膏不同掺量对水泥性能影响试验结果见表5,从表5中的数据可知:
1)二水石膏、硬石膏的掺量变化对水泥标准稠度用水量几乎无影响,但掺半水石膏时水泥标准稠度用水量随其掺量增加而增加。
2)随着二水石膏、硬石膏掺量的提高水泥凝结时间总体呈上升趋势,但总体变化较小,而掺半水石膏其凝结时间随掺量的提高呈现下降趋势。
3)水泥强度随石膏掺量的增加而增加,二水石膏、硬石膏掺量为5%,半水石膏掺量为4.5%时,强度最高,石膏掺量进一步增加后强度反而下降;使用二水石膏其后期强度增长最好,使用硬石膏早期强度高,但后期强度增长变差,使用半水石膏3d和28d强度均最差。
 
  表5 同一形态石膏不同掺量对水泥性能的影响  
                   
  石膏   水泥配比/% 标准稠 凝结时间/min 抗压强度/MPa
编号       度用水          
形态                
    石膏 熟料 量/% 初凝 终凝      
      3d   28d
                     
1-1     3 97 23.1 74 110 29.8   59.3
  二水                  
1-2   4 96 23.1 77 110 32.2   58.8
                   
  石膏                  
1-3   5 95 23.2 82 113 33.0   60.0
     
                     
1-4     6 94 23.2 85 132 31.2   57.9
                     
2-1     3 97 23.0 80 108 28.8   57.0
  硬石膏                
2-2 4 96 23.2 84 118 32.5   57.3
                 
2-3 5 95 23.0 84 122 33.7   58.8
     
                     
2-4     6 94 23.0 85 118 34.6   58.2
                     
3-1     2.5 97.5 23.2 87 121 28.3   56.9
  半水                  
3-2   3.5 96.5 23.3 78 109 30.6   56.9
                   
  石膏                  
3-3   4.5 95.5 23.4 87 114 31.8   58.8
     
                     
3-4     5.5 94.5 24.0 80 111 31.2   55.8
                     
 
2.1.2不同形态石膏复掺
不同形态石膏复掺对水泥性能影响试验结果见表6,从表6的数据可知:
1)水泥中半水石膏含量高时,水泥标准稠度用水量会略有提高。
2)三种形态石膏以不同比例配制硅酸盐水泥,其凝结时间表现出一定的差异,但变化幅度较小,总体对水泥性能无较大影响。
3)三种形态石膏按不同的比例复配后与等量(95%)的熟料配制成的水泥强度变化规律性不强。石膏复掺后提高水泥中硬石膏掺量对水泥强度影响不明显。
  表6 不同形态石膏复掺对水泥性能的影响  
                     
    水泥配比/%   标准 凝结时间 抗压强度
             
编号           稠度 /min /MPa
                 
          用水        
  二水   半水 硬石 熟料 初凝 终凝    
    量/%    
  石膏   石膏 3d 28d
               
                     
1 2   2 1 95 23.1 84 116 32.8 59.0
                     
2 1   2 2 95 22.9 86 116 33.8 58.0
                     
3 2   1 2 95 22.9 79 109 32.9 57.9
                     
4 3   1 1 95 22.9 90 121 31.8 56.2
                     
5 1   1 3 95 22.9 89 119 33.9 59.1
                     
6 1   3 1 95 23.1 84 115 32.3 58.2
                     
2.2不同形态石膏对水泥与外加剂相容性的影响
 
2.2.1同一形态石膏单掺
水泥与外加剂相容性采用净浆流动度试验进行评判,试验中采用聚羧酸型外加剂按相同掺量进行对比试验,试验结果见表7。从表7的试验数据可知:相同石膏掺量时,加入硬石膏的硅酸盐水泥其初始流动度最高,其次为二水石膏,最差的是半水石膏;二水石 膏掺量在 5%、 硬石膏掺量在 3%时初始和 1h 经时流 动度较好,半水石膏掺量在 3%时对流动度无影响,但随其掺量增加初始流动度大幅下降,掺量达6%时初始无流动。
表7 同一形态石膏单掺对水泥净浆流动度的影响
               
编号 石膏形态 水泥配比/% 净浆流动度/mm
         
      石膏 熟料 初始 1h 经时变化
               
1-1     3 97 191 194 +3
    二水          
1-2   4 96 181 201 +20
             
    石膏          
1-3   5 95 195 203 +8
   
               
1-4     6 94 175 193 +18
               
2-1     3 97 201 216 +15
    硬石膏          
2-2   4 96 191 208 +17
             
2-3   5 95 192 202 +10
   
               
2-4     6 94 182 187 +5
               
3-1     3 97 199 213 +14
    半水          
3-2   4 96 85 192 +107
             
    石膏          
3-3   5 95 72 176 +104
   
               
3-4     6 94 无流动性 181 +181
               
2.2.2不同形态石膏复掺
不同形态石膏复掺对水泥净浆流动度的影响试验结果见表8。由表8的数据可知,三种形态石膏复掺时,水泥中半水石膏掺量比例越高其初始流动度越低,二水石膏掺量比例越高其初始流动度越高,硬石膏在水泥中掺量占3%时其初始流动度处于中等水平,但1h后其流动度增长较好。
 
表  8不同形态石膏复掺对水泥净浆流动度的影响
 
编号   水泥配比/%   水泥净浆流动度/mm
           
  二水石膏 半水石膏 硬石膏 熟料 初始 1h
             
1 2 2 1 95 184 220
             
2 1 2 2 95 165 203
             
3 2 1 2 95 188 204
             
4 3 1 1 95 194 213
             
5 1 1 3 95 180 218
             
6 1 3 1 95 143 205
             
2.3石膏脱水性能
在水泥生产中,天然石膏以CaSO4·2H2O、CaSO4 两种形态存在,但在水泥粉磨过程中受磨内温度影响二水石膏往往会脱水形成半水石膏,为进一步了解二水石膏脱水情况,采用烘箱对其加热,根据其质量损失评判其失水情况,试验结果见表9。从表9的数据可知:60℃时二水石膏结晶水开始缓慢失去;当温度达到100℃,烘制时间达40min后,二水石膏结晶水失去5.91%,占总结晶水的30.8%;当温度达到110℃,烘制时间达40min后,二水石膏结晶水失去9.58%,占总结晶水的49.92%;当温度上升到120℃,烘制时间10min,二水石膏结晶水失去12.97%,占总结晶水的67.59%,说明温度达120℃后石膏结晶水迅速失去。在水泥生产中,水泥在磨内停留时间约20min,为此要控制二水石膏大量脱水,应将粉磨温度控制在110℃较佳。
 
表9 二水石膏在不同温度和时间条件下失去的结晶水量%
             
  烘样时间          
温度 10min 20min 30min 40min 50min
         
             
  60℃ 0.04 0.05 0.08 0.11 0.11
             
  70℃ 0.02 0.05 0.05 0.04 0.05
             
  80℃ 0.02 0.02 0.02 0.05 0.10
             
  90℃ 0.12 0.18 0.28 0.50 1.22
             
  100℃ 0.07 0.46 2.99 5.91 7.46
             
  110℃ 0.29 3.67 6.42 9.58 12.39
             
  120℃ 12.97 15.31 16.05 18.08 18.09
             
  135℃ 13.80 17.00 17.79 18.29 18.39
             
3、生产试验
为证明不同结晶水含量的石膏对水泥性能的影响,我公司选用了结晶水含量分别为8.3%、4.9%、14.9%的三种石膏进行了大磨生产试验,试验结果见表10。从表10的数据可知:采用结晶水含量高的石膏,水泥中半水石膏含量高;三种石膏生产的水泥凝结时间均满足要求,且采用结晶水含量为8.3%的石膏生产的水泥3d和28d强度最佳。在水泥与外加剂相容性方面,采用同一聚羧酸型外加剂相同配合比下,混凝土工作性能差异较小。采用结晶水含量5%~8%的石膏生产的水泥,各项性能满足要求;而采用CaSO4·2H2O含量高的石膏进行水泥生产,水泥粉磨温度过高时,易造成大量石膏脱水形成半水石膏,影响水泥与外加剂相容性,为此在生产中我公司降低石膏使用品位,将石膏结晶水采购指标从以前要求大于11.5%调整为5%~8%,石膏采购价格也随之降低。
 
        表 10 采用不同结晶水含量的石膏大磨生产试验样品检测数据        
                               
样品 石膏结 岀磨 水泥中 XRD 实测含量/%   比表 标准稠 凝结时间/min 抗压强度/MPa 混凝土坍落度/mm
晶水 温度           面积 度用水              
编号                        
二水石膏 硬石膏   半水石膏 SO3/% 初凝 终凝     初始    
          量/%        
  /% /℃     /(m2/kg) 3d 28d 1h 2h
                                 
1 8.3 126 0.12 1.52   1.05 2.76 354 25.5 150 187 29.1 52.7 190 180 210
                                 
2 4.9 123 0.13 2.19   0.90 2.80 354 25.7 155 206 27.6 51.6 200 190 215
                                 
3 14.9 116 1.32 0.34   1.59 2.70 345 25.6 151 196 27.9 51.4 190 210 210
                                 
4  结论
1) 从生产成本以及水泥与外加剂相容性角度出发,水泥生产可使用硬石膏部分代替二水石膏作水泥缓凝材料,考虑水泥流变性能、后期强度,半水石膏含量应不超过总石膏的 20%,且水泥中二水石膏与硬石膏比例在 2∶3 较佳, 即采用结晶水在 8%左右的混合石膏较佳。
2)在水泥生产中,应控制水泥磨粉磨温度以控制二水石膏脱水比例, 水泥粉磨温度控制在 110℃以下较佳。
3)结合石膏物理性能,石膏掺量控制在 5%较佳。

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