水泥安定性研究与检测

2024-06-09

水泥安定性研究与检测（共4篇）

水泥安定性研究与检测篇1

摘要：分析水泥安定性不合格的三大原因 (游离氧化钙、晶体氧化镁、石膏) 的作用机理, 阐述影响水泥安定性合格期的主要因素, 提出降低立窑水泥熟料游离氧化钙的技术措施, 介绍水泥安定性检测技术及实践经验。

关键词：安定性,体积变化,膨胀,游离氧化钙 (fCaO) ,晶体氧化镁

水泥安定性是指硬化水泥浆体的体积变化。安全性不合格的水泥, 在凝结硬化过程中, 特别是在水泥浆体有一定强度之后, 硬化体内某些成分缓慢水化, 产生膨胀, 从而导致硬化浆体的开裂。安定性不合格的水泥若用于修建建筑物, 在经过几个月或者几年以后就有损坏的危险。因此安定性不合格的水泥不得随便使用。

(一) 水泥安定性不合格的原因

1. 水泥安定性不合格即体积不安定的原因有三个:

(1) 水泥中游离氧化钙 (fCaO) 含量高 (>3%) , 这是立窑水泥安定性不合格的主要原因; (2) 水泥中的晶体氧化镁含量过高 (>5%) ; (3) 水泥中石膏过多 (SO3>3.5%) 。

2. 水泥体积不安定必须同时具备下面三个条件:

(1) 水泥中含有水化极慢的物质, 如过烧氧化钙, 晶体氧化镁和过量的石膏; (2) 这些物质水化后的体积必须产生膨胀; (3) 这些反应须发生在水泥凝结之后的硬化过程。

(二) 影响水泥安定性的机理

1. 游离钙影响安定性机理。

水泥熟料在高温 (大于1200℃) 下煅烧, 其中的游离氧化钙 (fCaO) 是在Fe2O3、Al2O3、MgO和SiO2等成分存在的情况下形成的。高温时形成的液相进入新形成的CaO晶粒之间的间隙, 或CaO颗粒之间的空间, 使结构致密, 水化缓慢。或形成矿物包裹fCaO, 使fCaO的水化发生在包裹层水化之后。这样fCaO就在水泥石结构已形成之后才水化, 从而引起安全性不良。fCaO水化后生成Ca (OH) 2, 体积增大98%, 使硬化水泥浆体产生膨胀应力, 当膨胀应力大于硬化水泥浆体的胶结应力时, 试件产生裂缝, 甚至崩溃, 引起安定性不良。

2. 晶体氧化镁影响安定性机理。

熟料中的氧化镁有两种存在形态, 一种是玻璃体, 另一种是晶体。玻璃体氧化镁, 水化较快, 对水泥石的体积安定性没有影响, 因为它膨胀时水泥还未硬化, 反而使水泥石结实, 能增加强度。晶体氧化镁以方镁石晶体存在, 水化较慢, 尤其是粗结晶的方镁石, 在水泥加水后很多年才水化, 使体积膨胀148%, 引起水泥石崩裂, 破坏建筑结构。水泥熟料在快冷时易形成玻璃氧化镁, 慢时易形成晶体方镁石。冷却愈慢晶体愈粗, 对安定性的影响越大。

3. 石膏影响安定性机理。

水泥中掺入过量的石膏, 由于硅酸盐水泥水化时, 溶液中Ca (OH) 2呈饱和状态, SO3高, 就会使生成的钙矾石数量过多, 甚至硬化后期还有生成, 生成的钙矾石体积比反应物体积增加了1.5倍, 所生成的钙矾数量较多时, 以熟料核为中心, 随着浓度梯度向四周伸长, 单方向膨胀, 使硬化的水泥石毁坏, 起到破坏作用。

(三) 水泥硬化浆体胶结应力和膨胀应力匹配对安定性的影响

水泥中多数矿物及混合材水化时形成水化产物的同时也产生了胶结应力。但游离钙、方镁石、无水硫酸钙水化时却产生了膨胀应力。这两种应力的发生、发展速速及相应关系的变化, 直接影响着试体的承载能力。当胶结应力大于膨胀应力时, 试体安定性合格, 当胶结应力小于膨胀应力时, 试体安定性不良。

(四) 一次游离钙和二次游离钙对安定性的影响

1. 高温未化合的游离钙 (又称一次游离钙) , 一般存在于正常熟料中, 形成一次游离钙的原因是配料成分不当、KH值过高、熔剂矿物太少或生料太粗、均匀差等。由于这种游离钙已经受1200℃以上的高温煅烧 (故又俗称为“过烧石灰”) , 但未与酸性氧化物化合成硅酸盐矿物, 而是呈包裹状态, 遇水消解很慢, 在水泥凝结几天后才大量水化, 导致硬化水泥浆体破裂。一般立窑生产的正常熟料中含2%以下的这种游离钙, 对水泥安定性的影响不大, 但若超过2%, 则应该设法处理。

2. 高温分解得到的游离钙 (又称二次游离钙) , 一般存在于还原、慢冷的棕色熟料中, 当窑内物料遇到中度还原气氛时, Fe2O3变为FeO, 使物料过早出现液相而结成大块, 这种棕褐色大块物料冷却比较慢, 在冷却过程中Fe++进入阿利特晶格中使C3S分解为C2S和CaO (二次fCaO) , 二次fCaO用甘油酒精法测得的数据往往偏低 (见表1) 。二次fCaO水化极慢, 比一次fCaO慢得多, 其含达2%时对水泥安定性就会有较大影响。

注:显微镜法测得数据准确。

(五) 影响安定性合格期的因素

水泥安定性具有特殊性, 即安定性不合格的水泥存放一段时间 (几天至几个月) 后, 其中的fCaO逐渐消解水化 (空气中有水气) , 这时再检测水泥安定性就合格了。故水泥安定性不合格时可存放一段时至安定性合格时就可以使用, 这段时间称为水泥安定性的合格期, 影响安定性合格期长短的因素有以下几点:

1. 内在因素:熟料中的游离钙含量高低和存在形态。内在因素是影响水泥安定性合格期长短的根本因。经试验研究表明, 在相同的环境条件下, 每消解1%, 游离钙所需的时间和熟料中游离钙总量有关, 呈非线性关系, 随游离钙总量的增大而延长。表2为不同fCaO含量的水泥的安定性合格期:

2.外在因素:环境温度与湿度。 (1) 温度:在相同湿度的环境中, 处于不同温度条件下的同种熟料, 其安定性合格期随温度升高而明显缩短。这就如同一般化学反应一样, 游离钙的消解反应的速度, 随温度升高而加快。 (2) 湿度:水是游离钙消解的必备条件, 每消化1%的游离钙理论需水, 如果熟料中含游离钙5%按生产实践游离钙消解到所剩量为2.5%以下, 安定性即可合格, 消解2.5%的游离钙理论需水0.8% (2.5х0.32=0.8) , 实际上熟料中硅酸盐, 铝酸盐矿物也会水化, 也需消耗一定量的水, 试验中增湿量达1.5%以上, 安定性才能合格。因此, 同种熟料、同样的温度, 空气中湿度越大, 安定期越短。

3. 此外熟料的颗粒大小, 水泥的细度大小, 影响与空气中的水分接触机会, 因而影响游离钙的消化, 其安定性合格随颗粒表面积的增大而缩短。

4. 应力对比。胶结应力大于膨胀应力, 安定性良好, 反之, 安定性不良, 同样的膨胀应力时, 提高水泥的胶结应力也可改善水泥安定性, 提高水泥强度可提高水泥硬化浆体的胶结应力, 从而改善水泥的安定性。

(六) 降低立窑熟料f Ca O的技术措施

1. 选用合格的原、燃材料, 稳定供货单位和矿点, 保证原、燃材料质量稳定, 无烟煤发热量宜大于4500大卡/kg, 全硫含量<3%, 石灰石的CaO>50%, 粘土的SiO2>60%且含砂量<10%。

2. 选择合理的熟料率值。夏季宜采用:KH=0.95±0.02, N=1.8±0.1, P=1.4±0.1, 冬季宜采用:KH=0.93±0.02, N=1.8±0.1, P=1.4±0.1。

3. 控制生料细度<10%, 加强生料均化, 提高入窑生料CaO合格率≥80%。

4. 加强立窑煅烧岗位的技术培训, 实行严明的质量奖罚制度, 采用暗火、浅暗火、大风操作。

5. 适量掺加矿化剂 (如莹石、石膏等复含矿化剂) 和晶种, 改善熟料易烧性。

(七) 水泥安定性检测

1. 水泥安定性是水泥重要的质量指标, 使用安定性不含合格的水泥将会对水泥构件的后期强度造成危害。故安定性不合格的水泥被判为废品。因此, 国家制定了一套严密的标准来检测水泥安定性。在水泥产品标准GB175-1999中, 安定性指标规定为用沸煮法检验必须合格。这是针对由fCaO引起的体积变化而规定的。而针对由晶体氧化镁, 石膏引起的体积变化则通过规定MgO≤5%, SO3≤3.5%来控制。因为经科研机构多次验证, 只要水泥中MgO≤5%、SO3≤3.5%, 晶体氧化镁和石膏对水泥安定性无不良影响。国标GB/T 750-1992《水泥压蒸安定性试验方法》是专门检测MgO引起的水泥体积变化情况。即在216℃和20个大气压下压蒸3h, 试体膨胀率≤0.5%为合格。对于石膏引起的体积变化不宜用沸煮法, 因为在温度提高时, Ca (OH) 2、CaSO4的溶解度降低, 反而使膨胀作用缓解。而应采用冷饼试验, 即将试饼置于潮湿环境或侵入冷水中, 经28天或更长时间观察有无明显变形, 无明显变形则安定性合格。

2. 在国标GB/T 1346-2001《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》中, 安定性检测方法有两种, 即雷氏法 (标准法) 和试饼法 (代用法) 。争议时以雷氏法为准。雷氏法是将浆体装入纵向分开的雷氏夹中, 在温度20℃±1℃, 湿度≥90%的条件下预养24h, 再入沸煮箱煮3.5h (100℃) , 然后测量雷氏夹两针尖的距离变化 (煮前和煮后) 。距离变化>5mm时, 水泥安定性不合格。试饼法是将浆体制成直径70mm~80mm, 中心厚约10mm, 边缘渐薄表面光滑的试饼, 在温度20℃±1℃, 湿度≥90%的条件下预养24h, 再入沸煮箱煮3.5h (100℃) , 然后观察试饼是否有弯曲、开裂、溃散等变形产生, 有则安定性不合格。

3. 水泥安定性会随着存放时间的变长而发生变化。安定性不合格的水泥存放一段时间 (含塑料袋扎口封存) , 再检测安定性会变合格。因此, 作为监督或仲裁检验水泥安定性时, 接样后要马上做安定性试验, 并在报告中注明安定性检测时间。国家标准GB 175-2007《通用硅酸盐水泥》明确规定, 水泥安定性仲裁检验时, 应在取样之日起10d以内完成。若安定性不合格还要注明安定性不能复检, 并及时把结果反馈客户, 防止安定性不合格的水泥投入使用。

参考文献

[1]沈威, 黄文熙, 闵盘荣.水泥工艺[M].武汉工业大学出版社, 1991.

[2]潘积信.水泥质量研究[M].武汉工业大学出版社, 1998.

[3]水泥企业质量管理规程[M].中国建材工业出版社, 2002.

[4]GB/T1346-2001, 水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法[S].中国标准出版社, 2001.

水泥安定性研究与检测篇2

1.1 科学取样

水泥这种建筑材料的检测是十分重要的。在针对水泥的检测过程中, 科学合理地采取样本是确保检测成功的重要环节。做药科学合理的采取样本需要做到以下两个方面:第一, 在对一批材料进行取样时, 需要注意取样的部位, 即取样部位要符合规定, 这里所指的规定是指要从材料的不同部位进行随机采取, 并且采取的手段方法要符合规定, 不能随意采取。因为不合理的采取部位以及方法容易导致检测结果的偏差, 使结果的误差变大, 甚至出现相反的结果。第二, 在对材料进行采样时, 需要采取一定数量的样本, 该数量的多少需要符合相关的规定, 采样数量一定要正确, 这是因为采样的数量与检测结果的准确性息息相关。较少的取样数量很容易导致检验结果产生误差, 影响对该批材料整体质量的判断, 很容易导致对质量问题的估计不足, 忽视了质量不合格的材料, 导致最终建筑工程的质量, 甚至影响了建筑物的安全性, 造成损失。

在现实的建筑施工中, 水泥检测并不规范, 取样不符合规定、不具代表性、采取样本的数量不充足、取样的方法不够准确等现象时有发生, 需要操作人员在日常施工中多加注意, 避免不必要的错误发生。

1.2 一定的外部环境条件

水泥的质量与性能受很多的因素影响, 其中最为常见的因素有所处环境的温度因素以及所在环境的湿度因素。国家相关的行业部门对建筑材料质量检测的环境因素有着确切的规定, 因此, 需要在日常水泥养护时控制周围的环境因素, 在检测时严格按照国家的规定, 将温度因素和湿度因素对水泥的影响控制在合理的范围内, 确保检测结果的可比性。

1.3 误差度

在检测试验中产生误差是不可避免的事情, 但是有些误差是因为人为的因素而产生的, 这种误差是不必要的。为了保证检验结果的准确性, 需要尽可能地减少这种不必要的误差。在检测过程中, 检测人员需要严格的依照国家的相关规定, 在检测材料时做到准确完成试验, 避免试验方法或步骤不到位而产生的错误, 一切以规定为基准, 减少人为误差。

1.4 数据处理

由于各种原因, 同一组试件中有时试验数据结果离散性较大。为使试验结果准确, 标准规定对一些材料的试验结果数据有取舍的要求。

2 水泥安定性检测方法解析

水泥的安定性即体积安定性, 是指水泥在凝结硬化过程中体积变化的均匀性。如果水泥硬化后产生不均匀的体积变化, 即为体积安定性不良, 安定性不良会使水泥制品或混凝土构件产生膨胀性裂缝, 降低建筑物质量, 甚至引起严重事故。 (1) 引起水泥安定性不良的原因有很多, 主要有以下三种:熟料中所含的游离氧化钙过多、熟料中所含的游离氧化镁过多或掺入的石膏过多。熟料中所含的游离氧化钙或氧化镁都是过烧的, 熟化很慢, 在水泥硬化后才进行熟化, 这是一个体积膨胀的化学反应, 会引起不均匀的体积变化, 使水泥石开裂。当石膏掺量过多时, 在水泥硬化后, 它还会继续与固态的水化铝酸钙反应生成高硫型水化硫铝酸钙, 体积约增大1.5倍, 也会引起水泥石开裂。 (2) 国家标准规定:水泥安定性经沸煮法检验必须合格;水泥中氧化镁含量不得超过5.0%, 如果水泥经压蒸安定性试验合格, 则水泥中氧化镁的含量允许放宽到6.0%;水泥中三氧化硫的含量不得超过3.5%。 (3) 安定性不合格的水泥应作废品处理, 不能用于工程中。检测方法有试饼法和雷氏法, 有争议时以雷氏法为准:用试饼法进行检验时, 将制备好的标准稠度的水泥净浆取出约150g, 放在涂油的玻璃板上, 使其摊开, 成饼状, 要求试饼制作必须规范, 直径过大、过小, 边缘钝厚都会影响试验结果。一般试饼, 直径以70~80mm、中心厚约10mm, 边缘渐薄、表面光滑为规范试饼。煮后安定性试饼用直尺检查不弯曲, 用肉眼观察无裂纹的前提下, 仅有少量脱皮现象, 应判为安定性合格。试饼煮沸前, 应检查并记录有无裂缝或弯曲现象。要检查试饼养护温度时间与湿度是否符合要求。如养护温度太高或湿度不够, 可能在沸煮前就使试饼发生收缩裂纹, 特别是在水泥比表面积比较大的情况下更容易发生收缩裂纹, 这时不能认为试样不安定;如养护温度过低, 沸煮后可能产生脱皮现象。当用雷氏法检验时, 要用到专门的仪器:雷氏夹。以测量沸煮后的雷氏夹试模的二指针尖端间的距离的增加值来判断安定性是否合格, 如果增加值不大于5.0毫米, 则称为水泥体积安定性合格。当用试饼法和雷氏夹法测定同一水泥样品出现争议时, 以雷氏夹法为准。

3 水泥质量控制的措施

3.1 严格检查水泥材料三证

水泥质量控制的措施有很多种, 而最为重要的就是严格控制水泥的来源, 从进货的源头控制水泥的质量, 杜绝不符合建筑工程施工要求的水泥进入到施工现场。这不仅可以保障水泥的质量, 还节省了水泥质量检测而造成的经济成本。从源头上控制水泥质量需要做到严格检查水泥生产厂家的资质, 查看厂家是否具有质量合格证、生产许可证以及安全认证等。从正规的生产厂家购买水泥, 保障水泥质量。

3.2 必要的强制性检测

为了建筑工程施工的顺利完成, 保障建筑工程的整体质量, 避免因建筑材料质量不合格而导致的安全隐患, 要杜绝伪劣假冒的水泥材料应用到建筑施工中。这就需要明确检验的重要性, 并将检验工作提升到强制性检验的高度, 根据规定严格进行水泥质量的检验工作。另外, 提高施工人员对水泥质量检验工作重要性的认识, 从思想上提高对该项工作的重视, 将思想上的觉悟发挥到实际的工作中去, 严格自觉地行使检验工作, 并科学合理地完成检验步骤, 保障检验的顺利实施。

4 结束语

在国家经济发展阶段, 大力发展建筑行业, 以提高建筑材料的质量入手, 以检测试验为方法, 全面提高建筑工程的质量对我国建筑行业起着重要的作用。水泥是建筑工程中建筑材料的重要组成部分, 水泥的质量影响着建筑工程的最终制定, 是建筑物安全性、可实用性的重要保障。水泥的检测是建筑施工的前提, 而对水泥检测报告的分析是建筑施工的重要工作之一。检测报告是否合理、是否准确可靠直接影响着该批水泥是否可以使用。因此, 加强对水泥的质量检测技术、合理规划检测流程、确保水泥的安定性, 是水泥检测工作的重要环节, 也是水泥质量控制的重要方式。

摘要：在建筑施工中需要很多的建筑材料, 为保证建筑的整体质量, 各种材料需要达到国家规定的标准。因此, 在材料进场时需要对材料进行检测, 检测方法需要符合国家有关部门的相关规定。水泥作为建筑施工中重要材料的一种, 在针对其进行检测时需要对其安定性、凝结的时间、水泥的强度以及细度进行科学准确的检测。这项工作是一项拥有很强技术性的工作, 文章着重描述了检测水泥的技术流程以及其安定性的检测方法, 并简要介绍了建筑材料的相关控制措施。

关键词：质量检测,水泥安定性,措施

参考文献

[1]赵军辉, 魏将松.浅析水泥的检测方法[J].河南建材, 2015 (1) .

[2]邹国平.试锥法测定水泥标准稠度定值的探讨[J].广东建材, 2008 (8) .

[3]陈宁申.影响水泥安定性检测结果的因素分析[J].建材标准化与质量管理, 2003 (5) .

[4]吴伟.水工建筑中水泥安定性对混凝土质量的影响与检测研究[J].城市建设理论研究, 2014 (11) .

水泥安定性研究与检测篇3

粉煤灰是火力发电厂燃烧煤粉时, 经吸尘器在烟气中收集的细烟灰和在烟道或烟室中沉集的粗灰, 颜色呈灰黑色。它是一种铝硅质材料, 其化学成分主要为SiO2和Al2O3, 并含少量的Fe2O3、CaO、MgO和SO3、微量的K2O和Na2O等。粉煤灰的化学成分根据所使用煤的不同而不同, 同时也与煤粉的制备方式和燃烧方式有一定关系, 例如本研究所采用的是由褐煤、次烟煤燃烧而形成的粉煤灰, 含钙和硫比较多。又因为煤粉的粒径较小, 所以其内部的玻璃微珠含量比一般粉煤灰要多许多。

我国各个燃煤电厂产生的粉煤灰主要分为两种:一种是采用烟煤、无烟煤作为燃料而烧成的粉煤灰, 其中的氧化钙含量小于10%, 称为低钙粉煤灰 (FL) ;另外一种是采用褐煤、次烟煤作为燃料而烧成粉煤灰, 其中的氧化钙含量大于10%, 被称为高钙粉煤灰 (FH) 。与FL相比, FH用作水泥混合材料或者混凝土掺和料具有减水效果好、早期强度发展快、火山灰活性高等优点。高钙粉煤灰的活性远高于普通的低钙粉煤灰, 并具有一定的自硬性, 是一种优良的胶凝材料。但是, 在充分发挥这种FH各种优点的同时, 必须重视其本身所固有的缺陷, 其中有2～4%的氧化钙是以独立的氧化钙晶体, 即游离氧化钙 (f-CaO) 的形式存在。众所周知, 这部分游离氧化钙具有利于激发FH火山灰活性和不利于制品安定性的双重性。一旦水泥制品或者混凝土在使用过程中发生安定性不良的问题, 其后果非常严重。因此, 如何在确保其安定性合格的基础上, 发挥游离氧化钙的激发活性, 并提高其在水泥中的掺量成为高钙粉煤灰综合利用的重点与难点。

1实验材料与方法

1.1 实验原料

实验主要原料有高钙粉煤灰、水泥熟料、煤矸石和炉渣。其化学成分分别列于表1, 水泥熟料的矿物成分分析结果列于表2。

FH细度用筛余法测得, 结果为80μm方孔筛筛余量为10.8%, 45μm方孔筛筛余量为20.0%。FH松装密度为1 030 g/L, 振实密度为1 720 g/L, 接近水泥熟料粉的密度。

1.2 试验方法

1.2.1 物理改性试验研究

为了确定不同粉磨方式对粉煤灰改性的影响, 选择两种不同的粉磨方式做对比试验。混合粉磨为FH同水泥熟料、炉渣按比例先混合之后再一起粉磨;分别粉磨为FH同水泥熟料、炉渣分开磨好之后按比例混合。FH掺量由18%开始, 每五个百分点为一个试验点, 分别于试模成型后, 测量其三天和二十八天的抗压和抗折强度值。FH原料配比见表3。

注:熟料为93%, 纯熟料中混合3%的石膏及4%的煤矸石。

为了确定磨细粉煤灰的最佳掺入量, FH掺量由18%开始, 每五个百分点为一个试验点, 分别于试模成型后, 检测其安定性和三天、二十八天的抗压和抗折强度值, 直至该配比下试样安定性不合格为止。此时采用分别粉磨方式。

1.2.2 陈化改性试验研究

解决掺FH水泥安定性不合格的另外一种方法便是陈化改性。所谓陈化改性是指在FH中加入适量的水, 使它同FH中的游离氧化钙发生反应生成CH, 以达到对游离氧化钙的提前消解。

有研究表明在合适的调湿环境温度 (10～60 ℃) 以及合适的用水量 (4～25%) , 陈化时间大于两天的条件下, 可以使安定性不合格的FH安定性雷氏夹值小于5 mm, 即安定性合格。由于电厂排出的干灰是在经过喷水8%处理后才运入储灰场的, 所以此试验根据生产实际确定陈化改性用水量为8%、陈化时间为五天, 在常温下进行陈化试验。FH经上述过程处理之后, 不再烘干和研磨, 其掺量从30%开始到70%每五个百分点作为一个试验点, 分别于试模成型后, 检测其安定性和三天、二十八天的抗压和抗折强度值。试验原料配比按表4进行。

注:熟料为93%, 纯熟料中混合3%的石膏及4%的煤矸石。

1.3 检测方法

所有检测方法均按照最新的国家标准和行业标准进行。胶砂强度实验按照GB/T17671-1999 (ISO679:1989) 《水泥胶砂强度检验方法 (ISO法) 》的规程执行。根据国标要求, 要对水泥进行标准稠度需水量、凝结时间、安定性检验, 检测方法采用GB1346-89《水泥标准稠度需水量、凝结时间、安定性检验方法》, 其中安定性检验采用试饼法, 有争议时以雷氏夹法为准。用两种方式来表示物料的细度:一是用比表面积来表示, 其测定方法采用GB8074-87《水泥比表面积测定方法 (勃氏法) 》;二是用80 μm方孔筛筛余表示, 其测定方法采用GB1345-91《水泥细度检验方法 (80 μm筛筛析法) 》。

2结果与讨论

2.1 FH磨细后的性质变化

随着粉磨的进行, FH的性质发生一系列的变化 (见表5) 。由于颗粒尺寸的减小FH的容重随粉磨的进行而降低。游离氧化钙的含量略有上升, 这说明FH大颗粒中, 特别是子母珠中夹杂的游离氧化钙因粉磨而被释放出来。另外, 比表面积的增大和细度的减小, 都对加快游离氧化钙的水化反应有积极作用。

无论FH是作为混合材料生产水泥还是代替黏土作为生产水泥原料, 因为FH掺入而引起的制品安定性不良问题, 归根到底是其中游离氧化钙水化反应延时, 产生体积膨胀造成的。原材料中氧化钙含量的多少并不是决定其安定性是否合格的主要因素, 问题的关键在于氧化钙在水化反应过程中转化为氢氧化钙的速度。若混凝土或者水泥制品凝固成型后, 氧化钙的水化反应还在进行, 而此反应的体积效应非常明显, 通常会使体积膨胀两倍以上, 从而导致混凝土或者水泥制品变形、开裂, 即表现为安定性不合格。因此, 提高氧化钙水化反应速度是解决因FH掺入而引起的安定性不合格问题的主要方法。其中一个非常有效的措施便是对FH进行物理改性。即对FH进行细磨, 增大其比表面积, 这样做一方面可以将粉煤灰大颗粒内部的游离氧化钙释放出来, 另一方面, 可以降低FH中游离氧化钙的粒度, 加快其水化反应速率。

2.2 粉磨方式对粉煤灰改性的影响

由熟料粉磨方式安定性实验结果可以看出 (见表6) , 粉煤灰和水泥熟料、石膏、煤矸石混合粉磨时, 掺至48%安定性为不合格, 而当粉煤灰和水泥熟料、石膏、煤矸石分开粉磨时, 掺至48%安定性仍然为合格。这一结果说明粉磨方式对粉磨效果是有影响的, 由于原料的易磨系数的不同导致物料混合粉磨的效果比分别粉磨的效果差, 故而应当采用分别粉磨工艺。

另外, 可以看出在安定性不合格时的强度下降比相同掺量条件下安定性合格时的强度下降要明显的多。这一现象除了同安定性不合格导致的试样内部裂纹增多有关之外, 还同粉磨方式有一定的关系, 原因同两者的粉磨效果有关, 也就是同FH细度有关。

2.3 粉磨粉煤灰最佳掺量确定

由试验结果可以看出 (见图1) , FH在粉磨10 min时, 其掺量边界值可以达到将近50%, 较未磨的边界值提高很多。此时的安定性是合格的, 强度值达到325的标准。随着FH掺量的增大, 胶砂强度值有所下降。由上可见, 对FH粉磨可以有效地改善其安定性, 提高FH替代熟料的比例, 并对氧化钙激活粉煤灰的火山灰活性有所帮助。

2.4 陈化改性试验研究结果与讨论

加水陈化实验结果见图2。可以看出, 加水陈化五天之后, FH在不经过烘干、粉磨的条件下掺量仍然能够达到70%而保持安定性合格。虽然强度的发展很不理想, 但是仍然可以说明, 通过加水陈化可以大大改善FH的体积安定性, 大量消解游离氧化钙。这主要是因为游离氧化钙经过加水陈化之后, 部分氧化钙晶体与水发生水化反应提前生成氢氧化钙。

由SEM照片 (见图3) 也可以看出, 原状的FH为玻璃珠形貌, 表面光滑, 陈化后的玻璃珠表面有大量反应产物出现。

另外, 对掺水8%的FH密封陈化改性30天后, 对其含水量进行测定。结果表明:经过30天加水8%在常温下的密封陈化, FH中自由水含量降低为3.4%, 结合水量 (包括FH中的挥发分) 上升为2.7%, 总含水量为6.1%。也就是说, 通过30天的密封陈化, 有将近2.7%的水分同游离氧化钙发生了水化反应, 起到了消解游离氧化钙的作用。除此之外的1.9%的水分, 扣除试验误差, 则可能和这种特有FH中易水化的C3S、C2S等水泥熟料矿物成分反应, 因此, 陈化时间太长则可能影响FH强度的发挥。这一结论有待试验的进一步验证。

3结论

(1) 由于提高了FH的比表面积, 加快了水化反应速率, 因此, 通过粉磨对FH进行物理改性是解决安定性不良问题的有效途径。粉磨10 min的FH其在水泥中的掺入量可以提高至约50%。

(2) 不同的粉磨方式 (混合粉磨和分开粉磨) 对掺FH水泥安定性有影响, 掺量高时影响较高。通常分开粉磨比混合粉磨要更利于安定性的改善。

(3) 随着FH掺量的提高, 其强度值逐渐下降。随FH细度的下降, 强度值下降趋势减弱。对FH细磨对强度的发挥有一定贡献, 主要是因为其对氧化钙激活FH火山灰活性有帮助。

水泥安定性研究与检测篇4

林宗寿等经过多年研究, 开发出一种磷石膏基免煅烧水泥, 后经“多元固废复合制备高性能水泥及混凝土技术”“863”课题组研究, 更名为“过硫磷石膏矿渣水泥”。过硫磷石膏矿渣水泥是一种采用40%~50%的磷石膏、40%~50%的矿渣、2%的钢渣和约4%的硅酸盐水泥熟料经混合、粉磨制成的新型水硬性胶凝材料[1]。后续的研究人员对该品种水泥及其混凝土的组成和性能做了深入的研究[2,3,4,5,6,7,8,9]。

众所周知, 水泥最关键的性能是安定性, 关系到混凝土结构的安全。造成水泥安定性不良的原因有三个, 一是f-CaO水化膨胀引起;二是方镁石水化膨胀引起;三是后期形成大量钙矾石膨胀引起。在过硫磷石膏矿渣水泥中, f-CaO和方镁石的含量极少, 不可能对过硫磷石膏矿渣水泥混凝土的安定性带来影响。但是, 过硫磷石膏矿渣水泥混凝土中存在大量的磷石膏, 水化后期还有可能继续形成大量的钙矾石, 造成膨胀, 使混凝土安定性不合格或者造成过硫磷石膏矿渣水泥混凝土后期强度大幅度下降。资料[2]也指出了过硫磷石膏矿渣水泥在高碱度下会由于钙矾石膨胀导致结构破坏, 并使最终强度降低。因此, 传统的沸煮法和压蒸法不能检验过硫磷石膏矿渣水泥的安定性, 该文旨在研究一种切实可行的方法, 以控制过硫磷石膏矿渣水泥及其混凝土的安定性。

1 实验

1.1 原材料

矿渣粉:取自武汉武新新型材料有限公司生产的S95级矿渣粉, 密度为2.87g/cm3, 比表面积为440m2/kg。

PO 42.5水泥:取自武汉钢华水泥股份有限公司生产的PO 42.5普通硅酸盐水泥, 密度为3.09g/cm3, 比表面积为385m2/kg。

改性磷石膏浆:取自湖北省大悟县全兴实业有限责任公司生产的改性磷石膏浆, 其组成如表1所示。含固量为59.23%, 0.08mm筛筛余为2.0%, pH值为12.62。

减水剂:采用聚羧酸减水剂母液, 固含量为40%。

1.2 方法

水泥胶砂强度按GB/T17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》进行, 并要求调整加水量, 使胶砂流动度在180~190mm之间。

混凝土强度按GB/T50081—2011《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行, 并按下式计算7d强度增进率。

水泥安定性实验方法:

雷氏法安定性检验, 按GB/T1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性》标准进行成型, 在20℃, 相对湿度90%的养护箱中养护48h后, 测定雷氏夹指针间距离d0, 然后在规定温度的水中再养护不同时间, 测定雷氏夹指针之间的距离d, 雷氏夹膨胀值按照d-d0计算得出, 单位为mm。

试饼法安定性检验, 按照GB/T1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性》标准进行试饼成型, 在20℃, 相对湿度90%的养护箱中养护48h后, 然后在规定温度的水中再养护不同时间。从养护水中取出试饼, 目测试饼无裂缝, 用直尺检查没有弯曲, 则试饼安定性合格, 否则为不合格。

2 结果与分析

对于过硫磷石膏矿渣水泥混凝土而言, 过硫磷石膏矿渣水泥浆中碱性物质的含量大小不仅影响混凝土的强度, 还影响混凝土的安定性。前期的研究已经显示[2], 提高过硫磷石膏矿渣水泥中硅酸盐水泥熟料 (或普通硅酸盐水泥) 的掺量, 虽然可提高过硫磷石膏矿渣水泥的3d强度, 但后期强度会大幅度下降, 严重时还会引起安定性不良。为了研究PO42.5普通硅酸盐水泥掺量对过硫磷石膏矿渣水泥混凝土强度的影响, 按表2的配合比配制成过硫磷石膏矿渣水泥混凝土试块, 进行混凝土强度试验, 试验结果如表2所示。

由表2可见, 随着过硫磷石膏矿渣水泥混凝土中PO42.5水泥掺量的增加, 过硫磷石膏矿渣水泥混凝土的3d强度显著增加;7d强度先是增加, 但很快就出现下降;而28天强度, 则随着PO42.5水泥掺量的增加, 出现大幅度降低的趋势。而从7d强度增进率来看, 随着过硫磷石膏矿渣水泥混凝土中PO42.5水泥掺量的增加, 也出现大幅度下降的趋势。

混凝土的安定性, 主要决定于混凝土中胶凝材料的安定性。为了研究表2中K1~K7混凝土试样相对应的过硫磷石膏矿渣水泥的安定性, 按K1~K7过硫磷石膏矿渣水泥混凝土试样中胶凝材料的实际配合比配制了一组对应的过硫磷石膏矿渣水泥浆的试样, 如表3所示, 各试样中的水含量 (包括改性磷石膏浆中的水) 均固定为29.43%。由于过硫磷石膏矿渣水泥混凝土中膨胀源是钙矾石, 所以必须用水浸法进行安定性试验, 试验结果如表4~表8所示。

由表4~表8可见, 在水温20℃和30℃条件下, 所进行的安定性试验, 所有试样的雷氏夹膨胀值均为0。提高养护水的温度至40℃时, 才有PO42.5水泥掺量较高的K16和K17两个试样发生0.5mm的微膨胀。再提高养护水的温度, K16试样的膨胀值不变, K17试样的膨胀值继续提高。养护水温度提高到60℃时, K17试样的7d膨胀值达到了4.0mm, 但也在合格范围 (≤5mm) 之内。此外, 由表4~表8的试验结果可见, 用试饼法所做的安定性试验, 所有试样均为合格。说明过硫磷石膏矿渣水泥浆, 无论是用雷氏法还是用试饼法, 都不能反映出过硫磷石膏矿渣水泥混凝土后期强度的变化情况, 只有当过硫磷石膏矿渣水泥混凝土后期强度下降非常巨大, 混凝土结构接近崩溃状态时才会有所反映, 如K7试样28d强度为22.6 MPa。因此, 作者认为用水浸法作为检验过硫磷石膏矿渣水泥混凝土安定性的方法, 是不够灵敏的, 无法避免混凝土由于钙矾石膨胀所引起的后期强度的降低。

相反, 由表2可见, 过硫磷石膏矿渣水泥混凝土的7d强度增进率, 却非常灵敏地反映出了混凝土后期强度的变化。因此, 将7d强度增进率作为控制指标, 可有效避免混凝土由于钙矾石膨胀所引起的后期强度的大幅度下降, 确保过硫磷石膏矿渣水泥混凝土的设计强度等级, 避免过硫磷石膏矿渣水泥混凝土出现安定性不良的现象。

根据以上试验数据, 为确保过硫磷石膏矿渣水泥混凝土后期强度的增长率和根据过硫磷石膏矿渣水泥混凝土制品的实际生产经验, 确定过硫磷石膏矿渣水泥混凝土3d到7d的强度增进率应≥20%。

3 结论

a.随着过硫磷石膏矿渣水泥混凝土中PO42.5水泥掺量的提高, 过硫磷石膏矿渣水泥混凝土3d强度提高, 但28d强度下降。如果PO42.5水泥掺量过高, 则过硫磷石膏矿渣水泥混凝土28d强度将大幅度降低。

b.用水浸法不能在短期内检验出过硫磷石膏矿渣水泥混凝土的安定性是否合格。

c.过硫磷石膏矿渣水泥混凝土的7d强度增进率, 可灵敏地反映出过硫磷石膏矿渣水泥混凝土后期强度的变化, 可作为过硫磷石膏矿渣水泥混凝土安定性的控制指标。

d.控制过硫磷石膏矿渣水泥混凝土3~7d的强度增进率≥20%, 可避免过硫磷石膏矿渣水泥混凝土出现安定性不良的现象。

参考文献

[1]林宗寿, 黄赟.磷石膏基免煅烧水泥的开发研究[J].武汉理工大学学报, 2009, 31 (4) :53-55.

[2]林宗寿, 黄赟.碱度对磷石膏基免煅烧水泥性能的影响[J].武汉理工大学学报, 2009, 31 (4) :132-135.

[3]黄赟.磷石膏基水泥的开发研究[D].武汉:武汉理工大学, 2010.

[4]殷晓川, 黄赟, 林宗寿.提高磷石膏基水泥早期性能的研究[J].水泥, 2010 (9) :1-4.

[5]殷小川.磷石膏基水泥组成与性能的研究[D].武汉:武汉理工大学, 2011.