抗硫酸盐水泥（共7篇）
抗硫酸盐水泥 篇1
高强抗硫酸盐水泥用于海工与国防建设, 该水泥性能既要符合抗硫酸盐水泥各项性能要求, 又要满足28d抗压强度达到60MPa以上。我公司采取适当措施, 在Φ4m×60m回转窑带五级预热器及TSD分解炉的2 000t/d生产线上生产出高强抗硫酸盐水泥。
1 生产中需注意的问题
由于高强抗硫酸盐水泥熟料采用的是低饱和比、中硅率及低铝氧率的配料方案, 因此在生产中容易出现以下问题:1) 分解炉炉温要低温控制, 否则, 物料会在分解炉内过早出现黏性形成颗粒直接落入窑内, 造成分解率极低, 烧成带有大量未分解的物料涌入, 窑头窜生料, 熟料产质量急剧下降。2) 入窑分解率较低, 所以窑头必须增加头煤用量以保证窑内热力强度, 这样易对窑衬造成伤害, 缩短耐火砖寿命;并且通风不良时, 还会造成还原气氛浓厚, 还原气氛下Fe O会使C3S不稳定。3) 加上IM偏低, 液相的表面张力较低物料结粒较差, 烧结范围窄, 窑内极易出现飞砂和黏散料, 既会冲刷窑皮, 又会在篦冷机内形成“红河”和“堆雪人”现象。4) 如果熟料冷却较慢, 容易发生晶型转变, 降低熟料质量。5) 由于熟料易磨性差, 粉磨时间延长, 易导致出磨水泥温度高, 致使水泥流动度下降。6) 水泥颗粒级配分布范围不能太窄, 尤其要控制3μm以下颗粒, 否则会造成水泥后期强度增进率低。
2 采取的主要技术措施
2.1 选择合适的配料率值及生产操作参数
针对水泥的质量要求, 经过不断摸索, 选取熟料三率值:KH=0.87±0.01, SM=2.45±0.1, IM=0.95±0.1, C3S:53%~55%, C3A:小于5.0%。高强抗硫酸盐水泥熟料与普通水泥熟料的率值及矿物组成对比见表1, 生产中主要操作参数对比见表2。
2.2 预防飞砂料采取的措施
1) 适当降低分解炉以及C5下料管温度;开大三次风闸阀, 使尾煤燃烧充分, 分解炉炉温稳定。
2) 燃烧器应比正常往外拉, 提高二、三次风温, 提高烧成带温度。
3) 篦冷机一段要实现厚料层操作, 二室压力要达到4 800~5 200Pa, 稳定而高的料层厚度有助于提高二次风温, 为燃烧创造条件, 提高火焰温度。
4) 保证窑内通风, 窑尾烟室CO浓度为0%, O2保持在0.5%~2%间, 尽量不产生还原气氛。
2.3 配料改变过渡阶段控制要求
在由生产普通水泥熟料向生产高强抗硫酸盐水泥熟料转变时, 由于生料配料要发生较大的改变, 如果控制不当, 窑皮会大范围垮落, 并出现“结蛋”现象。从化验室通知变料开始, 生料均化库要保留28m以上的库存, 从出磨生料三率值合格到熟料三率值合格过渡时间要保持24h左右, 防止生料大幅波动。选择Ca O含量48%以上, Mg O含量1.5%以下的优质碎石配料, 控制出磨煤粉Qnet, ad≥24MJ/kg, 煤粉细度≤6%, 生料细度≤14%, 尽可能用物料先稳定分解炉出口温度, 稳定拉风量, 保证熟料结构致密, 结粒细小均匀, 严格控制f Ca O含量小于1%。
2.4 防止篦冷机“堆雪人”和“红河”现象采取的措施
将篦冷机一段高温淬冷区前5排普通篦板全部更换成充气梁篦板, 将中温区4排活动梁篦板也全部更换成充气梁篦板。由于充气梁供风比较集中, 所以对因离析出现的炽热细颗粒料, 能够充分冷却, 使“堆雪人”和“红河”现象得到有效遏制。
2.5 熟料烧成阶段的操作要求
要求四个班的窑操作员保证窑电流平稳, 在坚持原有“薄料快转”的煅烧制度下, 适当降低窑速。操作参数四个班必须保持统一, 不能随意大幅度改变。利用四通道燃烧器, 火焰形状易于调节, 有较强燃烧强度、较快的升温速率, 熟料质量得到保障。调整燃烧器内外风阀门比例, 外风由100%关到60%, 内风阀门由50%开至100%, 并加大窑尾高温风机的拉风量, 保持窑内通风, 为加大头煤打下基础。岗位工加大清理预热器五级烟道、分解炉下缩口, 防止结皮的形成, 保证系统通风, 及时清理窑头燃烧器头部结渣, 不让其影响火焰形状。生产出来的高强抗硫酸盐水泥熟料要放在库内存放一段时间, 使温度下降到90℃以下。放料时, 要保持熟料库多孔下料, 使入水泥磨物料稳定。
2.6 水泥的粉磨
我公司水泥磨系统主机设备见表3。
为获得较高质量的高强抗硫酸盐水泥, 采取以下措施:
1) 将磨内隔仓板篦板篦缝由原设计9/18mm改为6/12mm, 出磨端篦板篦缝由原设计9/18mm改为4.5/9mm, 有效阻止较大颗粒进、出细磨仓。
2) 调整磨内钢球级配, 提高细磨仓钢球填充率, 增加Φ17mm小球的数量, 提高研磨能力。
3) 加大系统排风机阀门开度, 提高磨内风速, 使其携带更多细颗粒, 选粉机选粉效率保持50%以上, 循环负荷200%以下, 减少过粉磨现象, 也提高了磨机产量。
4) 磨内新增阻流环, 进一步增加磨内物料研磨时间, 对磨尾排风机进行变频改造以实现精确用风。
5) 采用天然二水石膏做调凝剂, 水泥中SO3含量控制在2.0%±0.2%。
6) 水泥比表面积控制在 (360±15) m2/kg, 3~32μm颗粒含量达到70%左右, 水泥颗粒分布通过激光粒度分析仪检测, 结果见表4。
%
3 效果
通过采取上述措施, 在2 000t/d生产线上成功生产出高质量的高强抗硫酸盐水泥。水泥性能检验结果见表5, 既达到了抗硫酸盐水泥的国标要求, 又实现了28d抗压强度达到60MPa的目标。
4 结束语
高强抗硫酸盐水泥在实际生产过程中, 不管是原材料的选取、配料的设计, 还是熟料的煅烧以及水泥粉磨, 都要综合考虑可能影响其性能的各种因素, 并根据实际生产状况, 找出2 000t/d生产线生产高强抗硫酸盐水泥技术规律, 从各方面确保生产系统的均衡稳定, 实现水泥高强及抗硫酸盐的目标。
抗硫酸盐水泥 篇2
西北高寒干旱区(如新疆)混凝土受硫酸盐侵蚀问题较为严重。提高混凝土抗硫酸侵蚀性能通常有两种措施:一是使用抗硫酸盐水泥;二是内掺超细矿物掺合料配制高性能混凝土。然而,抗硫水泥抗侵蚀能力有限;大掺量掺合料虽可以显著提高混凝土的抗侵蚀能力,但混凝土早期强度普遍偏低[1]。而硫铝酸盐水泥具有快硬、早强、耐久性好等特点[2],在新疆有广阔的应用前景[3]。本文主要探究水灰比、养护龄期、侵蚀溶液浓度、侵蚀龄期等因素对硫铝酸盐水泥混凝土抗侵蚀性能的影响,并结合微观观测,分析和揭示其抗硫酸盐侵蚀特点与机理。同时,通过高抗硫水泥和普通水泥的对比侵蚀实验,用来评定硫铝酸盐水泥的抗硫酸盐侵蚀能力,以期为有快硬、早强和较高抗硫酸盐侵蚀性能要求的混凝土结构设计提供硫铝酸盐水泥应用的参考依据。
1 原材料与试验方法
1.1 原材料
水泥:唐山产42.5级快硬硫铝酸盐水泥;乌鲁木齐产P·O 42.5级水泥;乌鲁木齐产42.5级高抗硫酸盐水泥,水泥的各项物理性能指标见表1,化学性能指标见表2。
砂:ISO标准砂。
减水剂:标准型FDN高效减水剂。
缓凝剂:分析纯硼酸。
水:自来水。
1.2 试验方法
试验参考GB 2420—1981《水泥抗硫酸盐侵蚀快速试验方法》和GB/T 749—2008《水泥抗硫酸盐侵蚀试验方法》,制作了水灰比分别为0.3、0.4、0.5的硫铝酸盐水泥胶砂试件(简称SAC试件),其配合比见表3,尺寸均为10mm×10mm×60mm。试件8 h拆模后经3d标准养护,分别浸泡在淡水、硫酸根离子浓度分别为2500mg/L、8000mg/L、20250mg/L的硫酸钠溶液中,进行侵蚀试验;另为模拟一些实际工程的基础混凝土浇筑完成不久就遭受硫酸盐侵蚀的工况,选取8h拆模后不养护、水灰比为0.4的硫铝酸盐水泥胶砂试件,与拆模后经3d标准养护的水灰比为0.4的高抗硫水泥胶砂试件(简称HSR试件)和普通硅酸盐水泥胶砂试件(简称P·O试件)进行硫酸盐侵蚀试验对比(配比见表3);另对侵蚀不同龄期的SAC试件进行宏观观测和微观SEM、EDS观测分析。各水泥试件浸泡28d、60d、120d、180d后进行抗折强度试验,并计算抗蚀系数K蚀(当K蚀≤0.8时认为试件抗蚀不合格,即试件遭受侵蚀破坏):
注:“/”表示没有测量数据。
%
注:“/”表示没有测量数据。
注:(1)掺加一定量硼酸缓凝剂对SAC水泥调凝;(2)“/”表示没有添加相应的外加剂。
式中,K蚀—抗蚀系数;
R液—试件浸泡在侵蚀溶液中,一定龄期时的抗折强度,MPa;
R水—试件浸泡在淡水中,一定龄期时的抗折强度,MPa。
2 试验结果与分析
2.1 宏观观测与分析
2.1.1 标准养护3d的SAC试件抗侵蚀能力
将测得的A、B、C组试件在各浓度溶液中经不同浸泡时间后的抗折强度和抗蚀系数列于表4。
由表4可知,在淡水中,A1、B1、C1组试件的抗折强度随水灰比降低而增大;1d、3d强度发展快,后期强度发展缓慢。以3d强度为基准,水灰比为0.5、0.4、0.3的混凝土1d抗折强度达到89.9%、94.8%、84.8%;以28d强度为基准,水灰比为0.5、0.4、0.3的混凝土1d抗折强度达到73.0%、75.1%、67.2%,3d抗折强度达到81.2%、79.2%、79.3%,这体现了硫铝酸盐水泥具有早强、高强的特点。
在侵蚀溶液中,试件的水灰比越小,抗折强度越高;侵蚀溶液浓度越高,抗折强度越高。只是大水灰比试件在较高浓度溶液中的强度增长率大,小水灰比试件在高浓度溶液中的强度增长率小。SAC试件的抗蚀系数K蚀均大于1.0,且同一配比试件的抗蚀系数K蚀随侵蚀溶液浓度的增大而增大。说明SO42-起到了激发剂的作用,促进了硫铝酸盐水泥混凝土强度的良好发展,表现了硫铝酸盐水泥优良的抗硫酸盐侵蚀能力。
2.1.2 不养护SAC试件的抗侵蚀能力
选取水灰比为0.4的SAC试件,8h拆模后不养护,即刻进行侵蚀试验。实测其8h拆模时抗折强度为1.86MPa,达到3d强度的20.3%,说明试件早期强度高,强度发展快。测得其在各浓度硫酸盐溶液中K蚀随时间的变化关系,见图1。由图1可知,浸泡在淡水和各浓度侵蚀溶液中的试件抗折强度随着浸泡龄期延长而持续增长,与表4中标准养护3d、水灰比为0.4的SAC试件在各溶液中的强度基本相同。将不养护SAC试件与标准养护3d的SAC试件在各浓度溶液中的抗蚀系数进行对比,结果见图2~图4。由图可知,不养护试件在各浓度溶液中的K蚀均大于1.0,说明硫铝酸盐水泥混凝土即使拆模后即刻遭遇硫酸盐侵蚀,仍具有较高的抗硫酸盐侵蚀能力;在硫酸盐溶液浓度8000 mg/L以下,不养护SAC试件的K蚀与3d标准养护的SAC试件基本持平,而在侵蚀浓度20250 mg/L中不养护SAC试件的K蚀均小于3d标准养护的SAC试件,说明养护龄期越长,硫铝酸盐水泥混凝土的抗硫酸盐侵蚀极限能力越高。
注:“/”表示没有测量数值。
2.1.3 SAC试件与P·O试件、HSR试件的抗侵蚀能力对比
短龄期养护条件下水灰比0.4的三种水泥胶砂试件在不同浓度硫酸盐溶液中的抗蚀系数K蚀随浸泡时间的变化关系见图5~图7。从图中K蚀变化趋势可知,在各浓度溶液中SAC试件的抗蚀系数始终高于HSR试件,HSR试件的抗蚀系数始终高于P·O试件。在浓度为2500mg/L、8000mg/L、20250mg/L的硫酸盐溶液中,P·O试件分别在6个月、4个月、3个月时K蚀<0.8,认为已遭受侵蚀破坏;HSR试件侵蚀时间6个月时,在浓度为8000mg/L、20250mg/L的硫酸盐溶液中,K蚀<0.8,即遭受侵蚀破坏,而在2500mg/L硫酸盐溶液中K蚀=0.85,且K蚀随时间呈明显下降的趋势,随着侵蚀时间的延长,仍面临侵蚀破坏的可能性;SAC试件在各浓度侵蚀溶液中K蚀均大于1.0。以上结果表明,普通水泥混凝土不宜用在具有硫酸盐侵蚀的环境中。高抗硫水泥混凝土抗硫酸盐侵蚀能力虽然高于普通水泥混凝土,但其在高浓度侵蚀溶液下的抗硫酸盐侵蚀能力仍然有限,使用时需采取一定措施提高其抗侵蚀能力,并通过试验论证其抗侵蚀可靠性。而硫铝酸盐水泥具有明显高于抗硫水泥的抗硫酸盐侵蚀能力,可以用来解决具有较高浓度硫酸盐侵蚀环境中的混凝土抗侵蚀问题。
2.2 微观观测与分析
2.2.1 扫描电镜(SEM)微观观测
试验观测到SAC试件表面完整,并无任何侵蚀破坏现象。通过扫描电镜(SEM)进一步观测SAC试件的微观特征,主要观测水泥石、孔隙、砂石界面、试件表层等部位,探求硫铝酸盐水泥显著抗硫酸盐侵蚀的内因,结果见图8~图13。
通过观测孔隙结构,发现SAC试件的孔隙极大孔径普遍小于150μm,且孔隙数量极少,如图8所示,水灰比0.4的淡水试件1个月龄期时,极大孔径仅54.57μm。水灰比0.5的试件,极大孔径为149.2μm;水灰比0.3的试件,极大孔径仅68.5μm,说明水泥石本体密实度较高。随着养护龄期的延长,水泥石的开口孔隙被越来越多的水化产物所填充,如图9所示,淡水养护到6个月、水灰比0.4的SAC试件孔隙中充填着大量针状AFt和片状Al2O3·3H2O凝胶交织水化产物;而在侵蚀溶液中,试件的孔隙也有大量充填物,如图11所示,试件左侧孔隙中充满了针状AFt和片状Al2O3·3H2O凝胶交织水化产物,属于正常的水化产物,右侧图片的孔隙充填了大量的团簇状AFt,属于侵蚀产物,但尚未充满孔隙。这都进一步提高了试件的密实度,宏观现象表现为试件的强度随水灰比降低、养护龄期延长、侵蚀溶液浓度增大而增高。此外,由于水泥的主要成分为CAS軈,遇水快速水化生成Al2O3·3H2O凝胶和AFt,两者相互交织构成早期水泥石的致密骨架,如图10所示,这种水化特点使得水泥石本体具有微膨胀性[4]。当膨胀受到砂石骨料限制时会将砂石界面挤压的非常密实,如图13所示,从而显著改善了砂石界面结构,进一步提高了硫铝酸盐水泥混凝土的密实度和强度,也使得侵蚀难以发生在砂石界面。普通水泥和高抗硫水泥遭受高浓度硫酸盐侵蚀时往往表现为由表及里的逐层侵蚀剥落的石膏型破坏[4],但由图12发现,SAC试件表层未发现侵蚀产物。总之,硫铝酸盐水泥石孔特征和砂石界面得到显著改善,从而降低了其受硫酸盐侵蚀的可能性。
2.2.2 能谱(EDS)观测
为了更好地揭示硫铝酸盐水泥的抗硫酸侵蚀特点,将电镜照片中难以从形貌形态识别的水化、侵蚀产物借助能谱(EDS)进一步分析,如图14~图17所示。由图14可知,淡水试件中孔隙中的AFt为针状,主要元素为Ca、S、Al,孔隙边缘和内部均生长大量的片状Al2O3·3H2O凝胶,其主要元素为Al、O,但两者交织在一起填充着孔隙。由图15可知,侵蚀溶液中的试件水泥石孔隙中存在大量的团簇状AFt,主要元素为Ca、S、Al,并未在孔隙中发现Al2O3·3H2O凝胶。说明硫酸盐与水化产物Al2O3·3H2O凝胶发生了化学反应,从而影响了AFt的形态和数量。图16为水泥石中本体中的针状AFt与Al2O3·3H2O凝胶和C-S-H凝胶能交织一起,形成了微膨胀的水泥石。而图17中,砂石界面处所测的水泥石本体主要元素为Ca、S、Al、Si,是以AFt为主的Al2O3·3H2O凝胶和C-S-H凝胶结合物,这也是导致砂石界面高密实度的原因。通过能谱分析,孔隙中团簇状的AFt属于侵蚀产物,这种AFt在侵蚀溶液中随侵蚀时间延长可能会持续生长。
3 硫铝酸盐水泥混凝土抗硫酸盐侵蚀机理
硫铝酸盐水泥混凝土体现出很强的抗硫酸盐侵蚀能力,主要是其具有良好的内因条件,即物理方面的高密实度和化学侵蚀内因的减少。硫铝酸盐水泥混凝土的高密实度主要取决于水泥的水化、硬化特点。水泥的主要成分CAS軈遇水快速水化生成Al2O3·3H2O凝胶和AFt,两者相互交织生成,对水泥石结构发展起到凝胶和塑性衬垫作用,构成了硬化早期水泥石的致密结构。因水化早期生成大量的AFt,使水泥石本体具有微膨胀性。这种膨胀在水泥水化早期会压缩甚至消除水泥石中因水的消耗而残留的孔隙、空隙,并且随着养护龄期的延长,持续水化的Al2O3·3H2O凝胶和AFt交织在一起填充于孔隙中,从而显著改善了混凝土的孔结构,进一步提高了混凝土的密实度。砂石界面在膨胀力的作用下被挤压得非常密实,从而显著改善了砂石界面结构,也进一步提高了混凝土的密实度。总之较高的密实度易于截断SO42-渗透通道,使侵蚀不易发生,混凝土的抗蚀性能自然就提高。
然而,水泥石结构不是绝对密实的,SO42-仍能渗透到水泥石内部。水泥另一主要成分β-C2S水化速度慢,其水化生成的少量Ca(OH)2在水泥硬化后较可能在孔隙中析出,SO42-与Ca(OH)2、Al2O3·3H2O发生化学反应,见以下反应式:
反应生成3Ca O·Al2O3·3Ca SO4·32H2O(钙矾石,AFt),呈团簇状,进一步填充孔隙,对水泥石密实度和强度都有一定程度的提高,这就是浸泡在淡水中的试件孔隙中既有Al2O3·3H2O又有AFt,而侵蚀溶液中的试件孔隙只有大量团簇状AFt的原因。随着侵蚀龄期的延长,AFt会持续增长,但因为β-C2S水化生成的Ca(OH)2量较少,1份β-C2S水化生成1份Ca(OH)2,而反应式(1)反应却要消耗6份Ca(OH)2,因此侵蚀到一定时间后会趋于停止。如果那时AFt尚未充满孔隙,则不会破坏水泥石结构;如果AFt完全填充孔隙后,水泥石本体不足以抵抗AFt膨胀应力时,可能导致水泥石结构的内部破坏。正是由于Ca(OH)2量较少,硫铝酸盐水泥混凝土才难以产生类似普通水泥混凝土遭受硫酸盐侵蚀时发生的石膏型破坏。还有研究表明,当石膏Ca SO4·2H2O含量不足时,CAS軈可反应生成单硫型AFm[5]。AFm正常条件下较稳定,但遭遇硫酸盐侵蚀时,AFm会转化成AFt。相对其他水泥品种,硫铝酸盐水泥受硫酸盐侵蚀的化学内因要少很多,这就保证了其优越的抗硫酸盐侵蚀能力。
4 结语
相比高抗硫水泥和普通水泥,硫铝酸盐水泥具有优异的抗硫酸盐侵蚀能力,即使不养护的硫铝酸盐水泥胶砂试件也具有显著的抗硫酸盐侵蚀能力。因此,使用硫铝酸盐水泥配制混凝土可以很好地解决西北高寒干旱区既有快硬、早强要求,又有良好抗硫酸盐侵蚀性能要求的工程问题。同时,评价水泥的抗硫酸盐侵蚀能力,还须充分重视侵蚀时间效应的影响。因此,对硫铝酸盐水泥抗硫酸盐侵蚀性能的评定,尚需进行更长龄期的观测与研究。
参考文献
[1]衡培豫,孙兆雄,葛毅雄.Ⅱ级粉煤灰改善混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的研究[J].新疆农业大学学报,2005,28(4):44-49.
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[4]李方元,唐新军.掺Ⅱ级粉煤灰胶砂试件在高浓度硫酸盐侵蚀下的破坏特征与破坏机理分析[J].粉煤灰综合利用,2011(5):9-13.
抗硫酸盐水泥 篇3
遭受环境的侵蚀是导致水泥基材料性能退化的直接原因之一, 硫酸盐侵蚀是水泥基材料受环境因素作用而发生损伤累积破坏的重要形式[1]。在实验研究方面, 早年Miller[2]开展了硫酸盐侵蚀下混凝土结构腐蚀试验, 试验跨度达50年。粉煤灰是具有密实填充和火山灰特性的工业废渣, 使之成为水泥基材料性能调节性材料具有显著的经济和环保价值。乔宏霞等[3]进行了复合掺料混凝土在硫酸钠溶液中干湿循环后力学性能及微观结构劣化试验。高礼雄[4]研究了不同粉煤灰掺量对混凝土在硫酸钠溶液中的侵蚀性能的影响, 结果表明, 粉煤灰能明显改善混凝土的抗硫酸钠侵蚀性能, 且随着粉煤灰掺量的增大, 改善的效果越显著。Silderis等[5]探索了矿物掺和料对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响, 发现掺质量分数30%的粉煤灰能提高混凝土抗硫酸盐侵蚀性能。李华[6]从微观层次研究了矿物掺合料对水泥基材料抗硫酸盐侵蚀破坏的影响, 结果表明低钙粉煤灰通过稀释浆体中C3A含量, 发生二次水化反应以及微集料效应这几方面的作用均提高水泥基材料的抗硫酸盐侵蚀性能。
聚乙烯醇 (PVA) 纤维增强水泥基复合材料 (PVA-FRCC) 是一种新型水泥基复合材料, 该材料在拉伸、弯曲、压缩等力学性能方面表现出良好的韧性和优异的裂缝控制能力[7,8,9], 这将在一定程度上改善普通混凝土易裂导致的外界有害物质的侵入, 进而影响钢筋混凝土的寿命。目前, 粉煤灰对PVA-FRCC的抗硫酸盐侵蚀性能的影响尚不清楚, 本实验采用不同粉煤灰掺量的PVA-FRCC, 研究其分别经长期浸泡和干湿循环作用后的质量、体积变化及抗压强度退化规律, 并分析了粉煤灰对PVA-FRCC的抗硫酸盐长期浸泡侵蚀性能的影响。
1 实验
1.1 原材料与配比
试验所采用的基本材料为:PVA纤维, 日本Kuraray公司生产的K-Ⅱ可乐纶, 具体参数如表1所示;水泥, 唐山冀东水泥厂生产P.O42.5级普通硅酸盐水泥;石英砂, 精选100~200目优质石英砂;减水剂, 大连西卡建筑材料有限公司生产的改性聚羧酸盐类高效减水剂 (Sika ViscoCrete3310E) ;粉煤灰, 内蒙古达拉特旗华宇环保建材有限公司生产的Ⅰ级粉煤灰;增稠剂, 湖州展望天明药业有限责任公司生产的羟丙基甲基纤维素。
PVA-FRCC配合比设计如表2所示, 共设计4种配合比。
Note:F-Polyvinyl alcohol fiber, A-Fly ash
1.2 试件制作及试验方法
本实验采用100mm×100mm×100mm立方体试件。试件全部在实验室制备, 采用强制式搅拌机搅拌, 振动台上完成振捣。试件成型24h后拆模, 在标准养护室 (温度为 (20±2) ℃, 相对湿度为95%以上) 中养护28天后进行试验。
参考文献[10]的试验方法, 侵蚀溶液选用质量分数为5%的硫酸钠溶液, 采用长期浸泡和干湿循环的方法进行硫酸盐侵蚀试验。长期浸泡的具体方法是:将试块置于硫酸钠溶液中浸泡, 并使溶液液面没过试块上表面不小于5cm, 以14天为一个周期。干湿循环的具体方法是:将试块置于硫酸钠溶液中浸泡, 并使溶液液面没过试块上表面不小于5cm, 在溶液中浸泡7天, 然后取出试件, 放置于自然环境中晾干7天, 为一个周期。每2个周期更换一次溶液, 在2、4、8、11、15、18、22、25周期结束后对试块进行外观拍照、质量测量、体积测量。在2、4、11、18、25次周期结束后, 参照GB/T50081-2002[11]进行抗压强度测试。对25周期结束后的试件取样, 进行扫描电镜 (SEM) 观测, 对硫酸盐损伤PVA-FRCC的微观形貌进行分析。
1.3 抗侵蚀性能评价指标
本实验采用质量损失率、体积变化率和剩余抗压强度比率3个指标进行PVA-FRCC抗硫酸盐侵蚀性能评价, 质量损失率按式 (1) 计算:
式中:β为试件某一龄期质量损失率 (正值表示质量增加, 负值表示质量减少) , 取3个试件的平均值;M1为试件试验前基准质量, kg;M2为试件某一龄期质量, kg。体积变化率按式 (2) 计算:
式中:ε为试件某一龄期体积变化率 (正值表示体积增加, 负值表示体积减少) , 取3个试件的平均值;V1为试件试验前基准体积, mL;V2为试件某一龄期体积, mL。剩余抗压强度比率按式 (3) 计算:
式中:α为试件某一龄期剩余抗压强度比率;R1为标准养护龄期 (28天) 试件的抗压强度值, MPa;R2为试件在硫酸钠溶液中浸泡某一龄期的抗压强度, MPa。
2 结果分析
2.1 PVA-FRCC表观现象分析
未掺粉煤灰的F1.5和掺10%粉煤灰的FA1在硫酸钠溶液中长期浸泡侵蚀350天后侵蚀损伤程度相差不大。掺30%粉煤灰的FA3和掺50%粉煤灰的FA5与F1.5相比可以看出, 试件的侵蚀损伤程度明显减轻, 并且掺量越大改善效果越明显。不同粉煤灰掺量的PVA-FRCC在干湿循环作用下的表观形貌变化不同。未掺粉煤灰的F1.5和掺10%粉煤灰的FA1表观变化规律基本相同, 但FA1各阶段的损伤程度较F1.5轻, 可见掺10%粉煤灰明显改善了PVA-FRCC的抗硫酸盐侵蚀性能。掺30%粉煤灰的FA3和掺50%粉煤灰的FA5与F1.5相比, 具有相同的侵蚀规律, 但各侵蚀阶段的损伤程度明显减轻。以上现象的主要原因为粉煤灰的二次反应 (火山灰效应) 发挥作用, 反应生成水化硅酸钙, 水化产物填充原有孔隙, 使得PVA-FRCC趋于密实, 从而减缓侵蚀速率。
2.2 PVA-FRCC质量变化
在不同侵蚀环境下, 粉煤灰对PVA-FRCC的质量变化率的影响如图1和图2所示。
由图1可见, PVA-FRCC的质量变化率的总变化趋势为一直上升。在试件受侵蚀25个循环后, F1.5质量增加的幅度大, FA1次之, FA3和FA5质量增加的幅度小。试件质量增加是由于钙矾石的产生, 而粉煤灰的掺入, 使试件由于钙矾石的产生而引起的质量变化发生改变。掺量在30%之内时, 改变明显。
由图2可见, PVA-FRCC的质量变化率的总变化趋势也是一直上升, 在试件受侵蚀25个循环后, F1.5质量增加的幅度最大, FA1的增幅较F1.5小, FA3次之, FA5增加的幅度最小, 表现出的规律为随着粉煤灰掺量的增加, 质量增幅随之减小。与图1相比, 各试件变化幅度差距较大, 这是由于干湿循环作用明显加重了PVA-FRCC的损伤程度。
PVA-FRCC的上述变化规律主要原因是粉煤灰的二次水化作用, 使得PVA-FRCC内部结构更加密实, 进而有效地延缓侵蚀速度;另外粉煤灰的掺入减少了水泥用量, 进而减少了钙矾石的生成, 基于这两个因素的影响, 以质量变化率为评价指标, 长期浸泡作用下粉煤灰掺量30%之内的PVA-FRCC抗硫酸钠侵蚀性能随着粉煤灰掺量增加改善效果显著;干湿循环作用下粉煤灰掺量50%之内的PVA-FRCC抗硫酸钠侵蚀性能随着粉煤灰掺量增加改善效果越明显。
2.3 PVA-FRCC体积变化
在不同侵蚀环境下, 粉煤灰掺量对PVA-FRCC的体积变化率影响如图3和图4所示。
由图3可见, F1.5和FA1的体积变化率都较大并且相差不大, 说明粉煤灰掺量为10%时, 没有明显抑制膨胀性侵蚀产物的产生。FA3和FA5的体积变化率较小, 是由于掺量为30%和50%的粉煤灰改善了材料的抗硫酸钠侵蚀性能, 减少了膨胀性侵蚀产物的产生。
由图4可见, F1.5的体积变化率较FA1大, 说明粉煤灰掺量为10%时, 明显抑制了膨胀性侵蚀产物的产生。FA3和FA5的体积变化率小, 是由于掺量为30%和50%的粉煤灰改善了材料的抗硫酸钠侵蚀性能, 减少了膨胀性侵蚀产物的产生。
对比图3和图4可以发现, 在干湿循环作用下, 掺粉煤灰的PVA-FRCC, 在同一掺量时的体积变化率较长期浸泡下的数值小, 是由于干湿循环作用侵蚀程度更严重导致。
2.4 PVA-FRCC剩余抗压强度比率
在不同侵蚀环境下, 粉煤灰掺量对PVA-FRCC的剩余抗压强度比率影响如图5和图6所示。
由图5可见, 随着侵蚀龄期的延长, PVA-FRCC的剩余抗压强度比率变化规律都是先增大后减小。在硫酸钠溶液中长期浸泡350天后, F1.5抗压强度比标准养护龄期下减少10%, FA1减少10%, FA3减少4%, FA5增加9%, 可见随着粉煤灰掺量的增加, PVA-FRCC的抗硫酸钠侵蚀性能随之提高, 50%的掺量效果最好。
由图6可见, 随着侵蚀龄期的延长, PVA-FRCC的剩余强度比率变化规律也是先增大后减小。在干湿循环作用350天后, F1.5抗压强度比标准养护龄期下减少8%, FA1减少5%, FA3增加16%, FA5增加30%, 可见随着粉煤灰掺量的增加, PVA-FRCC的抗硫酸钠侵蚀性能随之提高, 50%的掺量效果最好。
3 PVA-FRCC微观结构与损伤劣化机制
图7 (a) 为FA5未侵蚀的微观形态, 可以看出C-S-H凝胶结构完整、密实, 并可以看到粉煤灰球状颗粒。图7 (b) 为FA5在长期浸泡下侵蚀350天后, 此时在C-S-H凝胶表面和孔隙处产生了针棒状钙矾石晶体, 但凝胶体仍显得较密实。图7 (c) 为FA5在干湿循环下侵蚀350天后, 在C-S-H凝胶表面受侵蚀剥落形成坑状形态, 并有针棒状晶体产生。对于掺加粉煤灰的PVA-FRCC, 粉煤灰减缓了试件的受侵蚀过程。微观试验进一步验证了宏观试验结果。
4 结论
(1) 通过对聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料 (PVA-FRCC) 的表观形貌变化研究表明, 在硫酸钠溶液侵蚀下材料受到损伤破坏, 破坏的程度与粉煤灰掺量有关;结合质量变化率和体积变化率分析, PVA-FRCC随着粉煤灰的掺入, 抗硫酸钠侵蚀性能得到明显改善。
(2) 不同粉煤灰掺量的PVA-FRCC剩余抗压强度比率变化规律大致相同, 均呈现出先增大后减小的二阶变化模式。
(3) 经硫酸钠溶液侵蚀350天后试件的SEM照片结果显示, 在受侵蚀的试件内部孔隙和裂缝等缺陷处有大量针棒状钙矾石晶体生成。从微观上证明侵蚀产物钙矾石是PVA-FRCC受硫酸钠侵蚀破坏的根源, 进一步验证了试件在宏观上的现象。
摘要：为了研究粉煤灰掺量对聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料 (Polyvinyl alcohol fiber reinforced cementitious composites, 简写为PVA-FRCC) 抗硫酸钠侵蚀的影响, 在长期浸泡和干湿循环两种不同的侵蚀环境下, 对若干次试验周期后的试件表观形貌变化、质量变化、体积变化、抗压强度和微观结构进行分析研究。试验结果表明, 粉煤灰的掺入一定程度上密实了PVA-FRCC, 在不同的侵蚀环境下均使其抗硫酸钠侵蚀性能得到改善, 质量分数在50%之内时随着掺量的增加而更加明显。
混凝土抗硫酸盐侵蚀试验方法研究 篇4
我国早期的国家标准GB 749-19651ll基本上是沿用前苏联1954年的H 114-54, 采用1:3.5胶砂, 试件为10mm×10mm×30mm的长方形试体。为保证试验结果的一致性, 试件为加压成型, 湿气中养护1d, 淡水中养护14d, 然后一部分试件仍然在淡水中养护, 另一部分放入含有硫酸盐的环境水或人工配制的硫酸盐溶液中, 养护至6个月。水泥的抗蚀性以腐蚀系数表示。腐蚀系数是同一龄期的水泥胶砂试件在侵蚀溶液中的抗折强度与在淡水中的抗折强度之比。评定准则为:6个月时的腐蚀系数小于0.80时, 则认为该种水泥在该环境水或该浓度的硫酸盐溶液中抗蚀性能较差。该方法的优点是有明确的评定标准, 但是该方法需要成型的试件数量多, 试验周期长。同时, 该方法没有指明侵蚀溶液的浓度, 没有考虑在高-浓度和低-浓度时侵蚀机理的不同等问题。
在GB 749-65的基础上又发展了GB/T2420-1981的测试方法, 采用1:2.5胶砂, 10mm×l0mm×60mm棱柱形试体, 压力成型, 1d养护箱养护, 7d水中养护, 28d常温侵蚀, 侵蚀溶液采用S瞵-浓度为2%的硫酸钠溶液。还可根据需要, 采用天然环境水, 或变更硫酸钠的浓度。以抗蚀系数表示抗蚀能力, 抗蚀系数的定义同腐蚀系数。不论GB/T 749-65还是GB/T 2420-81, 均采用小尺寸水泥胶砂试件, 都不能完全反映混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力。我国最新颁布的水泥抗硫酸盐侵蚀试验方法GB/T 749-2001是以膨胀率作为评价水泥抵抗硫酸盐侵蚀能力的指标, 该方法类似于ASTM的试验方法。
这两种测试方法都考虑了Na2S04和Mg S04两种侵蚀溶液的影响, 在ASTM CA52测试方法中, 硫酸盐是作为混合物加到砂浆中的, 棱柱体存放于水中, 这样不能正确评价混合水泥和粉煤灰及矿渣与硅酸盐水泥混合物的抗硫酸盐侵蚀性能, 而ASTM C1012是将试件浸在硫酸盐溶液中, 所以可以用来研究各种水泥的抗硫酸盐侵蚀性能。然而ASTM CA52和ASTM C1012共同的不足之处是试件尺寸采用25mm×25mm×285mm, 由于试件体积小, 成型时的微小变化都可能对试验的结果产生显著的影响, 从而使试验结果的离散性很大。
在英国、日本等国对抗蚀性本身不做任何规定, 只规定抗硫酸盐水泥的品质指标, 认为达到该指标的水泥均具有一定的抗硫酸盐侵蚀性能。在德国, 采用了氧扩散法, 试件的灰砂比为1:3, 规格为10mm×40mm×l60mm。试件成型2d后脱模, 放入20℃的Ca (OH) 2饱和溶液中, 在14d时再移入4.4%的Na2S04溶液中, 分别在5℃或20℃的温度下养护。在各龄期连续测定试件的长度变化、共振频率和质量变化, 并计算试件的弹性模量。采用氧扩散法测定经20℃硫酸盐溶液浸养试件的渗气性并计算它们的有效扩散系数。目前, 国内在研究混凝土受硫酸盐等盐类侵蚀时, 各科研单位有提出过相应的试验方法和评价指标, 但是这些方法都不同程度地效仿了上述国家的三类标准测试方法, 因此也具有一定的局限性。
华南理工大学与广东省水利厅的试验方法采用砂浆试件, 将40cm×40cm×160cm的棱柱体试件在50℃水中养护7d后进行侵蚀试验。于室温下浸泡16h, 一组浸泡在20℃水中, 另两组分别浸泡在0.3%的Na2SO4和3%的Na2SO4溶液中, 于75℃烘7h, 冷却1h, 以此作为一个循环, 共进行28个循环, 然后测试砂浆的抗折强度, 并按下式计算其相对抗折强度K:K=砂浆在硫酸钠溶液中循环后的抗折强度/砂浆在自来水中相同循环后的抗折强度, 最后试验结果以K值的大小来相对的评价砂浆的抗侵蚀性能。
正在修订中的GBJ 82-85《普通混凝土长期性能与耐久性试验方法标准》, 混凝土抗硫酸盐侵蚀是其中的重要一部分。该标准在修订过程中提出将混凝土抗硫酸盐侵蚀试验方法按混凝土的强度等级分为“全浸泡法”和“干湿循环法”两类, 强度等级在C30以下的普通混凝土拟采用“全浸泡法”, 强度等级在C30以上 (含C30) 的普通混凝土拟采用于湿循环法。这两种方法最后能否采用尚不清楚, 但是其独到之处值得学习、借鉴, 下面就两种方法做简单介绍。全浸泡法该法成型100mm×100mm×100mm的混凝土试件, 标养28d将试件取出, 然后移入5%Na2SO4溶液中, 侵蚀龄期从试件移人起开始计算。按试验设计龄期分别取出一组试件测定在侵蚀介质中以及清水中相同龄期、相同配比的混凝土抗压强度, 求出抗腐蚀系数K值。
该法与以往国家标准方法主要的不同点是抗腐蚀系数不再沿用以往方法的抗折强度比。硫酸盐侵蚀混凝土后会在混凝土内部产生一定量的钙矾石, 这种矿物一般具有典型的发射形针状结构且互相紧密搭接, 这样的结构对于提高混凝土的抗折强度是很有利的, 因此用抗折强度比来定义抗腐蚀系数容易造成混凝土抗蚀性能的假象。而用抗压强度比来定义抗腐蚀系数显然可以避免这方面的问题。
干湿循环法该法的试验过程与国内一些科研单位提出的相似, 但具体的评价指标方面变化较大。试件标养28d进行干湿循环试验。大致循环制度是:试件在适宜的侵蚀溶液中浸泡一段时间, 然后放入一定温度的烘箱中烘干一段时间, 冷却称重以及测抗压强度为一循环。固定每一循环的时间。每隔一定循环后称一次质量, 并做一组抗压强度试验, 同时观察经过循环后混凝土表面的破损情况。
-2001三个版本的水泥抗硫酸盐侵蚀试验方法及评价指标本身就存在着不足, 确切地说GB749-1965是用于评定水泥抗侵蚀性的标准, 这个标准的优点是与使用环境相似, 工程意义明显, 其缺点是试验周期太长;而GB/T2420-1981是用来比较水泥抗侵蚀性的标准, 这个标准的优点就是试验周期短, 但是其有着重大的缺点, 该标准只规定了试验方法等内容, 但是试验用试件尺寸偏小, 且对试验结果未加任何说明。以至于试验所得的结果对水泥抗侵蚀性的评价无从谈起。而国内一些科研单位采用的试验方法都不同程度的派生于此, 也具有局限性。
超硫酸盐水泥研究综述 篇5
1 超硫酸盐水泥的发展
超硫酸盐水泥首先出现在法国和比利时, 但当时研究和应用最多的是德国, 甚至作为标准水泥进行大规模的生产。但炼铁原料的改变, 超硫酸盐水泥的生产也相应停产了。随着国际对节能和环保的重视, 超硫酸盐水泥又重新得到了重视, Wopfinge Baustoffindustrie公司生产的Sagstar 42.5N超硫酸盐水泥于2002年就得到了官方的许可。我国早在50年代也开始了对超硫酸盐水泥的研究, 由于其早期强度低、抗碳化性能差、表面易起灰等原因而没有得到广泛的应用。但人们对超硫酸盐水泥的研究却没有停止过, 并取得了一定成绩。
2 超硫酸盐的性能研究
通过对年的研究, 人们已经对影响超硫酸盐性能的因素以及影响结果得到了比较比较深入的了解。相对于普通的水泥来说, 超硫酸盐具有优良的抗碱集料能力、抗硫酸盐侵蚀性、矿渣掺量更高、熟料用量更少、能耗更少等优点。但缺点也非常明显, 如早期强度低、抗碳化性能差、表面易起灰等。下面就目前的研究现状进行总结如下。
2.1 力学性能
通过大量的研究发现, 影响超硫酸盐水泥力学性能的因素主要包括渣体的类型、碱激发剂的类型、护养温度及湿度等。
一般来说, 超硫酸盐水泥由于在早期不能形成足够的多钙矾石而表现为强度较低, 但氧化铝含量较高的矿渣因具有较高的活性二使超硫酸盐水泥在早期形成较多的多钙矾石和C-S-H凝胶。如Kondo在实验中发现当氧化铝的含量达到18.5%时, 在3天时间内就可以使22%的矿渣发生水化。
A.Gruskovnjak在实验中发现, 使用高活性的矿渣可以加快硫酸盐水泥的早期水化速度, 使得其水化峰值的水化速率相对提前4个小时左右, 水化1天就可以形成较多的钙矾石, 具有较高的早期强度;相反, 当矿渣的活性较低时, 其早期的强度就较低, 不过其后期的强度比较大。通过热力学模拟得出, 在相同的水化时间下, 高活性矿渣硫酸盐水泥的钙矾石含量是低活性矿渣硫酸盐水泥的6倍多。
温度计护养条件对钙矾石的稳定性具有极其重要的影响。T.Grounds通过大量实验证明:当护养的温度高于50℃时, 就容易因受碳化作用的影响而使钙矾石变得不再稳定, 而此时如果相对湿度再达到53%时, 就非常容易导致钙矾石向单硫型水化硫酸铝钙转变。
渣体的类型是影响超硫酸盐水泥水化进程的关键性因素。HU Shu-guang利用X-射线衍射技术对钢渣与矿渣相互激发下的水化情况进行了分析, 研究表明混合浆体的强度高于单独使用钢渣或者矿渣条件下浆体的强度。
在超硫酸盐水泥中掺入大量的矿渣, 其自身潜在的水硬性也在一定程度上决定了水化的效果。如水玻璃中的OH-可以促使矿渣的玻璃态解离, 同时硅胶又可以与水反应, 使水化物增多。实验研究发现当水玻璃的模数在1~1.5时, 网络结构会有一定量的断裂, 此时的激发效果也较好。
2.2 耐久性
对超硫酸盐水泥耐久性的研究主要集中在抗侵蚀性、抗渗性、抗碳化性以及抗冻融性等几个方面。
水泥的抗硫酸盐侵蚀性和抗渗性主要与水化后的孔隙率、以及孔径的分布密切相关, 对于水泥混凝土来说, 有害的孔主要集中在孔径大于10 o的毛细孔。在进行分类时, 一般以10 o为分A界点。实验表明:在超硫酸盐水泥中, 70%以上的凝胶孔和过渡孔小于10。与传统水泥的50%相比具有较强的抗渗性和抗硫酸盐侵蚀性。
超硫酸盐水泥的抗碳化性差几乎已经成为一种共识, 其主要原因在于浆液中的Ca2+会和CO2反应, 破坏了钙矾石的平衡浓度, 同时水化生成的C-S-H也会减少, 无法形成对钙矾石的有效掩蔽。但最近有研究表明:在浆液中适量的提高碱度, 保证Ca2+的浓度, 可以在一定程度上改善超硫酸盐水泥的抗碳化性能。
抗干缩性能也是影响超硫酸盐水泥的耐久性的一个重要因素, 而且很难控制。引起变形的因素几乎涉及到了所有的材料, 而且在影响上也合其他性能相左。如钙矾石在水泥中是强度的贡献者, 钙矾石越多强度越大, 但其膨胀的体积也就越大。
虽然超硫酸盐水泥存在着早期强度低、抗碳化性差、易起灰等特性, 但随着环保意识的增强, 以及对潮流酸性水泥研究的不断深入, 制备出性能优良的潮流酸性水泥, 必定会越来在不久的将来得以实现。
参考文献
[1]李磊, 赵青林, 何涛.超硫酸盐水泥砌筑砂浆性能研究[C]//第三届全国商品砂浆学术交流会.武汉, 2009:51-54.
抗硫酸盐侵蚀高性能混凝土的研究 篇6
混凝土中, 化学侵蚀最广泛和最普通的形式是硫酸盐的侵蚀, 它是影响混凝土耐久性的一项重要内容, 也是影响因素最复杂, 危害性最大的一种环境腐蚀。硫酸盐通常存在于地下水中, 特别是当土壤中黏土含量比例高时, 更是如此。在邻近工业废料, 如:尾矿、矿渣堆和碎石堆等地下水中, 局部硫酸盐浓度升高, 即使是对地面以上的混凝土也能引起缓慢损坏, 通常情况下混凝土受硫酸盐侵蚀后表面泛白, 风干后更加明显, 损坏通常在棱角处开始, 进而表面剥落伴随着裂缝发育层层推进, 极端情况下有可能导致结构崩溃。
在西部大开发和国家铁路建设的大潮中, 防止硫酸盐对基础设施的腐蚀是确保安全生产、提高混凝土耐久性的重要指标, 更是工程建设人员的重要任务之一。
1硫酸盐侵蚀的机理
硫酸盐侵蚀是一个比较复杂的过程, 其中包含许多次生过程, 侵蚀引起的危害性包括混凝土的整体开裂和膨胀及水泥浆体软化。硫酸盐侵蚀是一个漫长的过程, 国内外许多学者做了很多相关研究, 而大部分试验研究没能反映混凝土在硫酸盐作用下损伤的全过程。但实验室和现场试验已确切肯定, 硅酸盐水泥中的C3A含量与硫酸盐侵蚀有密切的联系。硅酸盐水泥中C3A的水化, 涉及钙离子与石膏溶解所得硫酸根离子的反应, 最初的基本反应是:
此水化硫酸钙通常称为“钙矾石”, 在硫酸盐得到充分保证的时候, 钙矾石才是一种稳定的水化产物 (见表1) 。
如果硫酸盐在C3A完全水化前消耗殆尽, 那时钙矾石转化为另一种硫酸盐含量少的硫铝酸钙水化物, 即单硫铝酸钙。
若水泥中的C3A含量过高将使混凝土遭受侵蚀, 即单硫铝酸钙与新加入的硫酸根离子接触时, 又会再次形成钙矾石。
此反应致使固体体积增加55%, 引起浆体内部体积膨胀并同时产生内应力最后导致开裂。
2胶凝材料抗硫酸盐侵蚀性能快速试验方法
2.1 工程地质情况、设计要求
新建铁路北同蒲增建四线工程位于山西省西北部, 始于大同枢纽的韩家岭, 经怀仁、应县至山阴, 线路总的走向为南北向, 总的地势为北低南高、冲洪积平原、地势开阔。工程沿线局部区间的土壤盐碱化较严重, 环境土中SO42-含量在12 000 mg/kg～24 000 mg/kg。设计要求混凝土化学侵蚀环境等级为H3, 耐久性指标电通量应小于1 000 C, 强度等级为C45。工程所用原材料指标见表2。
2.2 胶凝材料抗硫酸盐侵蚀性能快速试验方法
在《铁路混凝土工程施工质量验收补充标准》中介绍了胶凝材料抗硫酸盐侵蚀性能快速试验方法。
1) 成型试件尺寸10
mm×10 mm×60 mm棱柱体试件取水泥和矿物掺合料共100 g (工程水泥和矿粉掺合料用量按照配合比拟定比例计算) , 标准砂250 g, 加50 g蒸馏水, 湿拌3 min, 在8 MPa加压成型, 放入养护箱养护24 h±2 h脱模。
2) 试件养护及浸泡。
脱模后的试件放入50 ℃饮用水中养护7 d后, 将试体分成两组, 一组9块放入20 ℃饮用水中养护, 一组9块放入3%的Na2SO4侵蚀溶液中浸泡, 试体在浸泡过程中, 每天用H2SO4溶液滴定以中和试体在溶液中释放出的Ca (OH) 2, 使溶液的pH值保持在7.0左右, 在Na2SO4溶液中浸泡的试体, 其液面至少高出试体顶面10 mm。
3) 破型试体力学性能试验。
试体在20 ℃饮用水中养护28 d, 以及在侵蚀性溶液中养护28 d后取出, 用小型抗折机进行抗折试验。
4) 数据计算及结果判定。
水泥胶砂的侵蚀系数以同龄期的水泥胶砂试体分别在侵蚀溶液中浸泡和在20 ℃饮用水中养护的抗折强度之比, 以K表示抗蚀系数。当K≥0.8时, 判定水泥胶砂抗硫酸盐侵蚀性能合格。试验结果见表3。
按照现行的胶凝材料抗硫酸盐侵蚀性能快速试验方法, 经过试验数据分析, 可以看出:1) 双掺矿物掺合料的抗蚀性能比单掺效果好;2) 单掺粉煤灰的抗蚀效果要优于单掺矿粉的效果。
3混凝土抗硫酸盐侵蚀试验方法及耐久性试验
3.1 混凝土抗硫酸盐侵蚀试验研究方法
根据表3胶凝材料的比例确定混凝土配合比, 制作10 cm×10 cm×10 cm立方体标准试件, 每种配合比分别制作10组混凝土试件。成型工艺:机械搅拌、振动成型。静停1 d后拆模, 移入标准养护室内养护56 d, 然后将标养56 d的混凝土试件取出, 分别浸泡在5%Na2SO4溶液中和清水中, 侵蚀溶液和清水中每种配合比试件各5组, 液面至少高出试件顶面30 mm。容器采取带盖塑料制品, 浸泡龄期为90 d。按规定龄期分别将每种配合比的混凝土试件 (各5组) 取出, 测定其在侵蚀介质中和清水中相同龄期相同配合比的混凝土抗压强度, 用其5组的抗压强度平均值求其抗腐蚀系数K1值, 即采用同样龄期下受腐蚀试件与对比试件的强度之比。以抗蚀系数表征混凝土的耐腐蚀性, 当K1≥0.8时为合格。
3.2 混凝土耐久性试验
1) 混凝土电通量试验方法, 在规定的56
d试验龄期前, 对试块进行钻芯制件, 试件直径为95 mm～102 mm, 厚度为 (51±3) mm, 试验时以3块试件为一组, 测试前应进行真空饱水。将质量浓度为3%的氯化钠溶液和0.3 mol/L的氢氧化钠溶液分别注入试件两侧的试验槽中, 注入氯化钠溶液的试验槽内的铜网连接电源负极, 注入氢氧化钠溶液的试验槽中的铜网连接电源正极。混凝土在60 V直流恒电压作用下通过的电量值来评价不同原材料和配合比混凝土的氯离子渗透性能, 仪器采用NEL-PER型混凝土渗透性电测仪。目前电通量是评价混凝土耐久性的最重要的指标。
2) 抗冻融试验采用快冻法混凝土性能试验, 采用10
cm×10 cm×40 cm长方体试件, 每组试件3块。冻融试验装置:TDR型混凝土快速冻融试验机, 其依靠热交换液体的温度变化而连续地、自动地进行冻融周期检测。与冻融设备相配套的是DT-10W动弹模量测定仪, 采用的是共振法, 每隔25次冻融循环进行一次横向基频的测量。各种混凝土配合比例、检测结果及数据见表4。
3.3 试验结果分析
通过混凝土的抗硫酸盐侵蚀等耐久性试验研究, 比对选择了第4组混凝土配合比, 即抗侵蚀性能及耐久性都表现出优良的混凝土配合比。
4混凝土抗硫酸盐试验方法综述
现有的水泥混凝土和水泥胶砂材料的抗硫酸盐侵蚀的各类试验方法和评价标准各异, 但均采用加速侵蚀机理的方式。目前国内尚无统一的混凝土抗硫酸盐试验方法和评定标准, 而国内各相关单位, 大多参考国外标准, 修改后即颁布发行, 可操作性不强。ASTM提出了两种试验方法, 然而这两种方法也不能提供快速的试验结果。快速测定混凝土抗硫酸盐侵蚀的试验方法还有待进一步研究。
5结语
通过胶凝材料中掺量不同的矿物材料比例试验, 在工程用原材料选定的前提下, 经过试验数据分析得出:
1) 单掺粉煤灰的混凝土抗硫酸盐侵蚀性能并不理想, 纵然其在胶砂抗蚀试验中表现良好。2) 单掺矿物掺合料的抗蚀性能很难满足抗蚀要求, 必须采用双掺技术并通过科学试配找出各项指标、性能符合特殊环境下的耐久性混凝土配合比。3) 采用大掺量的矿物掺合料, 比例采用45%且粉煤灰用量为矿粉的1.2倍, 使得混凝土抵抗硫酸盐侵蚀的性能及耐久性大大提高。结合理论分析:一方面, 掺量大的矿物外掺料有效降低了水泥中C3A的含量, 降低了硫酸盐侵蚀的风险;另一方面, 由于矿物掺合料的平均粒径小于水泥颗粒, 两种不同矿物掺合料颗粒有效填充了微观状态下水泥颗粒之间及水泥与细粗料界面间的空隙, 使得混凝土更加密实;第三, 矿物掺合料的掺用也有效降低了混凝土内部水泥水化热, 以防止微裂纹网络的形成, 减少外部硫酸盐侵蚀的可能。
在国家基础建设大潮中, 保证工程质量和安全是工程试验检测人员的责任。根据工程用混凝土所处的环境条件、原材料特点, 本文通过试验研究比对, 选择符合设计要求、性能优良、经济合理的抗硫酸盐混凝土, 有效预防和降低了硫酸盐对工程混凝土的侵蚀危害, 也对北同蒲线增建四线混凝土工程施工质量起到了保障作用。
参考文献
[1]Concrete, second edition, by Sidney Mindess, J.Francis yong, david Darwin.2004:8.
钢渣用于生产高抗硫酸盐水泥 篇7
目前我国有很多地区地下水所含硫酸盐酸性浓度远远超过国家施工规范规定值。严重地影响着这些地区建筑工程的安全。为了给水泥工业又好又快发展提供资源保障, 并解决大宗工业固体废物处置不当所带来的环境污染和安全隐患, 同时提高水泥熟料产品质量、降低单位产品的资源与能源消耗、减少污染物排放;也为了满足工程需要, 解决一些地区工程中出现的硫酸盐侵蚀问题, 葛洲坝集团水泥有限公司开展了钢渣用于生产高抗硫酸盐水泥的研究。
《国务院关于化解产能严重过剩矛盾的指导意见》的出台, 加快了水泥企业淘汰落后产能、结构调整、转型升级的步伐, 与此同时我国早期开发的预分解窑生产线与现在应用新技术新装备的大型干法生产线相比在运行过程中经济技术指标存在很大的差距。作为全国最大的特种水泥生产基地, 特种水泥是葛洲坝集团水泥公司产品构架中的重要品种。为满足水泥市场对特种水泥产品的需求, 延续品种竞争力, 公司决定利用葛洲坝水泥厂2 000t/d预分解窑生产线其生熟料储库多、规模小、可以灵活转变的优势来研究生产高抗硫酸盐水泥, 抢占技术与市场制高点。
1生产高抗硫酸盐水泥具有的优势。
1.1 具有良好的原材料资源
我厂所用的石灰石来自自备矿山苏畈石灰石矿, 主矿山蕴藏丰富优质的石灰岩, 储量丰富, 工业储量 (B+C) 级达1 亿t以上, 且品位高、易开采, 在生产高抗硫酸盐水泥时, 采用大矿山的155~170 平台段质量好、品位高的石灰石。厂区附近有储量1 200 万t的高硅低碱砂岩矿, 更是生产高抗硫酸盐水泥的得天独厚的原料, 为全国少见。
1.2 具有完善的生产工艺及装备
工艺线具有30 多年生产特种水泥的历史, 技术成熟, 经验丰富。工艺线上具有先进的生产控制系统, 完备的检测手段, 迅捷的通讯服务及生产反馈体系。主要生产环节设有摄像头, 可远距离监控, 以保证生产的正常进行。从矿山开始预先控制, 确保石灰石均匀稳定, 对其他原燃材料优中择优, 严格控制, 同时加强巡检、检验的力度。
日产2 000t、700t和2 500t新型干法窑外分解生产线, 经过改造提产为日产2 300t、1 200t和2 800t, 在设计和设备选型过程中, 充分考虑了生产特种水泥的需要。石灰石采用2 个 Φ80m的圆形预均化库, 煤采用2 个长形预均化库, 生料采用4 个圆形预均化库, 以保证物料的均匀性。 现有12 座熟料储库, 可根据出窑熟料情况进行分料。在每一个控制点均设有计量设备, 以保证有效的生产监测、调控。整个生产线采用集散型计算机控制系统, 从石灰石均化堆场到水泥入库集中在中控室内操作、管理。对生料磨、煤粉制备、烧成系统、水泥粉磨分区作程序逻辑控制及过程参数的检测和控制。
1.3 具备完整的质量保证体系和先进的检测设备
工厂有全面的质检系统和质量保证体系, 设有质量管理办公室、质检处。质检处负责全厂全过程的质量检验、监督和控制工作。质检处共有7 个行政班组, 36 个岗位, 共计有121 人, 其中101人取得省专业操作合格证。检验设备先进齐全。
2原燃材料及配料方案的选择
2.1 原燃材料
采用3 种原料进行配料, 其主要化学成份见表1:
/%
煤工业分析成份见表2:
2.2 配料方案的选择
根据国家标准GB748-2005 和我厂多年实际生产经验及用户跟踪, 我厂目前生产高抗硫水泥熟料按如下配料方案:
钢渣中的阴、阳离子活化因子在熟料烧成过程中破坏水泥生料中反应物的结晶格子, 提高它们的化学活性, 加速其固相反应, 改善熟料煅烧性能, 因而有利于水泥熟料矿物的低温烧成, 促进高性能熟料的烧成。此外, 重金属离子会取代矿物晶体中的钙离子, 增加了矿物的反应活性, 提高了固相反应的速率。
将钢渣配入生料烧结, 其中的硅酸钙矿物能够发挥其独特的诱导结晶作用, 加速熟料中矿物的形成, 起到提高熟料质量的作用。钢渣中的铁含量较高, 可能限制在水泥生料中的掺量而影响钢渣对水泥熟料矿物晶相作用效果。
3生产及控制
3.1 原料控制
合适的原料是生产高抗硫水泥的基本前提, 为此我们从矿山开采开始, 严把原料关, 采用高品位的石灰石, 硅砂和钢渣实行定点供应, 先检后用, 确保质量稳定可靠。
3.2 生料控制
石灰石、硅砂、钢渣做到按比例同时入库, 控制生料细度、水份, 提高饱和比、硅酸率、铝氧率合格率。
生料控制指标如下:
0.08mm方孔筛细度:小于12%
0.2mm方孔筛细度:小于3%
KH=1.09±0.02;N=2.3±0.1;P=0.5±0.1
3.3 煤的控制和熟料煅烧及熟料煅烧参数的确立
高抗硫酸盐水泥燃料要求C3A含量低, 我们控制C3A<3.0%。为此除了在配料时降低生料中的Al2O3, 适当提高Fe2O3外, 在燃料选择上, 应尽量选择优质煤, 降低燃料中煤灰的掺入量。
加强熟料煅烧, 提高操作水平, 提高分料率。熟料主要控制指标为f-Ca O<1.0%;立升重为1 450±100kg/m3。
稳定分解炉出口温度。因为高抗硫酸盐水泥熟料烧成范围窄, 预烧温度的波动对窑内热工制度的影响比生产普通水泥熟料大。由于G级高抗硫酸盐水泥熟料饱和比控制指标与硅酸盐水泥熟料差别不大, 只是目标控制值的范围要求更严格以避免大波动 (生产硅酸盐水泥熟料855±10℃、高抗硫酸盐水泥熟料855±5℃) 。经过反复摸索比对, 表观分解率的降低并不利于窑内熟料的煅烧, 按正常温度控制但稳定性好, 很少出现预热器系统结皮堵塞。
窑上物料的煅烧采取“薄料快烧”原则。窑速控制在3.3rpm, 三班统一操作, 严格执行薄料快烧制度, 严禁慢窑大料、顶火逼烧。薄料快烧, 使物料在窑内的翻滚次数增加, 有利于熟料烧成;物料层较薄, 有利于窑内通风;窑速较快, 物料不易粘附, 缩短物料在过渡带的停留时间;
将喷煤管定位在窑口截面 (0, 0) 中心位置, 适当增加窑头一次风机频率, 保持窑头火焰刚度, 保持烧成带温度的集中度;
适当增大高温风机用风, 合理分配二、三次风比例, 首先保证窑内通风充裕, 防止还原气氛下Fe2O3变成低熔矿物Fe O, 液相提前出现窑内结球结圈, 以及还原气氛下出现黄心熟料。
以上技术措施减少了窑尾结圈和窑内结球的几率, 并且烧制的熟料结晶细小, 有利于获得高抗硫酸盐水泥最佳理化指标。正常中控操作参数如下表3:
3.4 水泥研制
高抗硫酸盐水泥是由97%的高抗硫酸盐水泥燃料, 加入3%二水石膏, 共同粉磨制成。
其主要质量控制指标为:
比表面积=320±10M2/kg
生产中, 比表面积每小时测定1 次, 根据比表面积调整磨机喂料产量。SO3每2h测定1 次, 根据SO3含量及时调整石膏掺入量。
3.5 熟料化学成份与矿物组成
熟料化学成份与矿物组成详见表4 和表5。
/%
4物化性能
工厂生产的高抗硫酸盐水泥熟料化学成分详见表6, 物理性能详见表7, 抗硫硅酸盐水泥性能见表8。
5结语
(1) 钢渣由于主要化学含量与水泥熟料相近, 用作原料容易满足配料设计要求。因其具有高含量的某种水泥化学成分, 可以搭用低品位原料, 提高资源利用率;而且能够实现钢渣的晶相调节作用, 低能耗制备高性能水泥熟料。
(2) 为了进一步发挥钢渣作为晶相调节材料的作用, 建议使用高饱和比、高硅率的配料方案, 且钢渣的掺量达到5%~7% 。建议熟料率值为KH=0.88±0.01、SM=2.50±0.11、IM=0.8±0.1
(3) 严格控制煤粉的水分及细度, 通过操作中适当提高磨机出口温度降低入窑煤粉水分, 提高入窑煤粉燃烧速度及强度, 使得窑内火焰短而急, 从而提高烧成温度。建议出磨煤粉细度控制在筛余4.0%以下, 水分为1.5%以下。
(4) 经常检查立磨的磨盘, 观察难磨物相在磨盘上是否存积, 防止反复研磨对磨盘造成损坏。在钢渣的各个处理过程尽量增加除铁装置, 以免其中的铁元素含量限制钢渣的掺量以及损耗设备。
(5) 各相关部门相互协调, 注意观察及时调整, 特别加强化验室和中控室的数据交流, 将在线熟料的成分及岩相分析等结果反应的情况能够反馈到中控, 及时调整配料方案以及热工参数, 从而达到稳定生产系统、提高熟料质量的作用。
参考文献
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[4]蔡洪明.用钢渣代替铁粉生产水泥[J].水泥工程, 2000 (5) :28-29.