CN105731842B - 高拱坝用中热水泥的制备方法 - Google Patents

高拱坝用中热水泥的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高拱坝用中热水泥的制备方法，先设计水泥生料的三率值，根据三率值以石灰石、页岩、砂岩、白云石和锌渣为原料进行配料，并选择高发热量的燃料；将配料得到的混合料进行粉磨得到水泥生料，检测其三率值，调整原料配比使水泥生料的实际三率值达到设计的要求；将水泥生料入窑煅烧得到熟料，调整煅烧工艺参数和粉磨工艺参数，将水泥生料经过煅烧和粉磨得到水泥成品。采用本发明的制备方法可以制得高拱坝用中热水泥，除了满足中热水泥的性能要求外，还能够使混凝土的变形更加稳定，达到180d自生体积变形范围为‑20.00×10‑6～10.00×10‑6，提高了高拱坝混凝土的稳定性。

Description

高拱坝用中热水泥的制备方法
技术领域
本发明的实施方式涉及建筑材料领域，更具体地，本发明的实施方式涉及一种高拱坝用中热水泥的制备方法。
背景技术
混凝土是一种由水泥、沙、石、孔隙等组成的不匀质的复合材料。它既不是一个完全弹性体，也不是一个完全塑性体，而是一个弹塑性体。受力时既产生弹性形变，又产生塑形形变。混凝土的开裂80％以上都是由于混凝土变形所引起，只有很小一部分是由于承载力不足导致。
随着建筑技术的提高，建筑高度越来越高。在房屋建筑等普通建筑领域，混凝土的强度摆在第一位，因此在水泥生产过程中，重点考虑水泥的强度、安定性等参数。在水电水利工程领域，混凝土坝的建筑是一个重要环节，混凝土坝建造过程中使用了大量的混凝土，建成后利用自身重力或传给抗力体挡水，不仅要求混凝土具有优良的强度，在挡水过程中，还需变形稳定，从混凝土原料之一水泥出发研究其质量对混凝土变形的影响很有必要。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供一种高拱坝用中热水泥的制备方法，为满足混凝土坝在挡水过程中变形稳定，从大坝实际工况出发，提出混凝土的性能要求，针对混凝土的性能要求，从水泥厂的原材料优选开始，控制生料的三率值，提出中热水泥的生产参数和粉磨工艺，检测成品水泥各项性能，按照水工混凝土试验规范，测试混凝土的自生体积变形，满足混凝土坝对混凝土稳定变形的要求。
为解决上述的技术问题，本发明的一种实施方式采用以下技术方案：
一种高拱坝用中热水泥的制备方法，采用“两磨一烧”工序，它包括以下步骤：
(1)设计水泥生料的三率值：LSF为100～106，SM为2.48～2.61，IM为0.70～0.90；根据水泥生料三率值的要求，以石灰石、页岩、砂岩、白云石和锌渣为原料进行配料得到混合料，并选择发热量＞5500Kcal/kg的煤作为煅烧的燃料；
(2)将所述混合料进行粉磨得到水泥生料，检测水泥生料的实际三率值，调整原料配比，从而使水泥生料的实际三率值达到设计的要求；
(3)将水泥生料入窑煅烧得到水泥熟料：控制入窑水泥生料的LSF为102～108，SM为2.45～2.59，IM为0.77～0.95；在分解炉出口温度860～930℃、窑头罩温度1000～1150℃的条件下煅烧至部分熔融，形成以C3S、C2S、C3A、C4AF为主要矿物的升重＞1200g/L的熟料，并要求这种熟料结粒均齐，矿物发育完整，无还原气氛形成；
(4)将水泥熟料加石膏粉磨得到水泥成品：将水泥熟料和结晶水含量＞15％、SO3含量＞38％的天然二水石膏按合理比例加入水泥磨内进行混合粉磨，使出磨水泥SO3含量＜3％，比表面积≤330m2/kg，水泥温度＜110℃。石膏的掺入量按水泥中需要的SO3含量来确定，石膏掺入量一般占水泥质量的2.5％～4.5％。
上述高拱坝用中热水泥的制备方法中，所述高拱坝是坝高＞100m的重力坝或拱坝。
上述高拱坝用中热水泥的制备方法中，步骤(2)所述调整原料配比是指以砂岩和页岩为硅质校正材料，以白云石为镁质校正材料，以锌渣为铝质校正材料和铁质校正材料，以石灰石为钙质校正材料，将原混合料中的各原料比例进行调整。
上述高拱坝用中热水泥的制备方法中，步骤(2)所述粉磨得到水泥生料的细度要求为：筛孔半径为80μm的圆孔筛筛余＜15％，筛孔半径为200μm的圆孔筛筛余＜0.8％。
上述高拱坝用中热水泥的制备方法中，步骤(3)所述入窑煅烧的水泥生料的化学成分按质量含量计包括SiO2 12.45％～13.10％，Al2O3 2.10％～2.55％，Fe2O3 2.65％～2.90％，CaO 42.25％～43.10％，MgO 3.00％～3.20％，K2O 0.30％～0.50％，Na2O 0.03％～0.05％，SO3 0.25％～0.40％；煅烧后水泥生料的损耗为35.4％～37.2％。
上述高拱坝用中热水泥的制备方法中，步骤(3)所述水泥生料入窑时的细度要求为：筛孔半径为80μm的圆孔筛筛余＜15％，筛孔半径为200μm的圆孔筛筛余＜0.8％。
上述高拱坝用中热水泥的制备方法中，所述水泥成品的比表面积≤330m2/kg，MgO含量为4.0％～5.0％，碱含量≤0.55％，28d抗压强度为45.5MPa～52.5MPa，3d水化热≤241kJ/kg，7d水化热≤281kJ/kg。
上述高拱坝用中热水泥的制备方法中，所述水泥熟料和水泥成品的成分都满足C3S≤55％、C3A≤4％和C4AF≥15％的要求。
上述高拱坝用中热水泥的制备方法中，所述水泥成品批量生产后，需经过筛选才能作为所述高拱坝用中热水泥，筛选要求为同批水泥成品的28d抗压强度极差≤3.5MPa。
上述高拱坝用中热水泥的制备方法中，优选的，步骤(1)所述水泥生料的三率值为：LSF为100～103，SM为2.58～2.61，IM为0.83～0.90；步骤(3)所述入窑水泥生料的LSF为103～106，SM为2.51～2.59，IM为0.87～0.95。
下面对本发明的技术方案进行进一步的说明。
锌渣是矿业的废渣，本发明以锌渣作为中热水泥的铁质校正材料和催化剂，在降低煅烧温度的同时，提高熟料煅烧质量，有利于保护环境和节约资源。本发明以石灰石为钙质校正材料，以白云石为镁质校正材料，增加一种原料可降低矿物共熔温度，同时使水泥中MgO含量为4.0％～5.0％，在后续水化过程中，提供微膨胀效应，抵消水泥水化自身带来的化学收缩。
采用高发热值的燃料、控制出磨生料和入窑生料的三率值、控制关键煅烧参数在合理范围内，是制备优质熟料的关键，有利于水泥质量的稳定，对稳定高拱坝混凝土质量有积极意义。
根据原材料种类以及熟料的特性，控制分解炉出口温度、窑头罩温度进行煅烧，控制水泥熟料和天然二水石膏的合理比例进行粉磨使水泥的比表面积≤330m2/kg，出磨水泥SO3含量＜3％。结合高拱坝建设龄期长，需充分利用水泥后期强度的特点，提出控制水泥的比表面积不能大于330m2/kg，与普通建筑领域中要求水泥比表面积越大越好的观念差异较大，同时水泥比表面积的降低有利于降低能耗，降低水泥制造成本，有利于能源节约和环境保护。
本发明通过对水泥生料和熟料三率值、煅烧燃料、煅烧工艺和粉磨工艺的改进，实现对水工混凝土的自生体积变形进行控制，并提出明确的自生体积变形数值，采用现场坝体原型试验和室内试验相结合的方式进行控制，提高试验的可靠性。
与现有技术相比，本发明的有益效果之一是：采用本发明的制备方法可以制得高拱坝用中热水泥，除了满足中热水泥的性能要求外，还能够使混凝土的变形更加稳定，达到180d自身体积变形范围为-20.00×10-6～10.00×10-6，提高了高拱坝混凝土的稳定性。本发明的水泥制备方法降低了水泥的比表面积，有利于降低能耗，降低水泥制造成本，有利于能源节约和环境保护，产率较高。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合7～12组，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体7～12组仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
国内某300m级高拱坝，该拱坝设计要求自生体积变形范围为-20.00×10-6～10.00×10-6。根据混凝土坝的自生体积变形要求，以及保证供应水泥质量的稳定性，要求出厂水泥比表面积≤330m2/kg，氧化镁含量范围4.0％～5.0％，28d抗压强度波动小。
从水泥厂的原材料优选开始，钙质材料由石灰石、白云石提供，硅质材料由砂岩、页岩提供，铝质材料由页岩、锌渣提供，铁质材料由锌渣提供，缓凝剂采用石膏，优选砂岩提供硅质材料，优选锌渣提供铁质和铝质材料，优选白云石提供镁质材料，以石灰石为钙质校正材料，采用石膏作为缓凝剂，采用发热量高于5500Kcal/kg的煤作为燃料。
对生产水泥用的各种原材料进行化学分析，统计结果见表1。
表1原材料的化学成分分析
根据表1的分析结果，采用设计好的三率值进行原料配比，并对出磨生料和入窑生料进行化学分析，核对三率值，必要时进行原料配比的调整。出磨和入窑生料化学分析和三率值见表2和表3。
表2出磨生料化学成分和三率值
表3入窑生料化学成分和三率值
表2中7～12组在1～6组基础上，降低了LSF，增加了SM和IM。表3中入窑生料的化成成分和三率值在出磨生料的基础上进行了调整，7～12组与1～6组相比，其依然保持SM和IM较高的状态。
生料制备完成后，进行生料的煅烧。对煅烧参数进行控制，具体的控制参数见表4。
表4煅烧阶段工艺参数
从表4中可以看出，采取合适的三率值，并对煅烧参数进行控制，待熟料结粒均齐，矿物发育完整，无还原气氛形成时停止煅烧，1～6组平均产量为202t/h，7～12组平均产量为222t/h，7～12组比1～6组提高了9.9％的产量，提高幅度明显。
取将表4的水泥熟料，每组按照确定的石膏配比，对熟料进行粉磨，控制粉磨过程中的各项参数。石膏采用结晶水含量＞15％、SO3含量＞38％的天然二水石膏。具体的控制参数见表5。
表5粉磨阶段工艺参数
从表5中可以看出，1～6组粉磨阶段平均产量为86t/h，7～12组粉磨阶段平均产量为97t/h，7～12组较1～6组产量提高了12.8％，提高幅度与煅烧阶段类似。
完成粉磨后，即得到成品水泥，对成品水泥进行检测，检测方法按照国家标准进行，各项检测结果见表6。
表6成品水泥的性能检测结果
表6中，1～6组中除1组比表面积超过330m2/kg外，其他均满足水泥厂控制要求。从28d抗压强度看，12组均满足国家标准，但1～6组28d抗压强度的极差达到12MPa，说明水泥质量不稳定，7～12组极差为2.4MPa，水泥质量稳定。
按照水工混凝土试验规程，对12组成品水泥进行自生体积变形试验，试验结果见表7。
表7水工混凝土的自生体积变形结果
表7中，1～6组中有4组的自身体积变形值都不符合设计要求，平均值为-21.01×10-6，7～12组的自身体积变形值均在-20.00×10-6～10.00×10-6范围内，平均值为-2.51×10-6。
7～12组较好的提高了水工混凝土的自生体积变形，提高了拱坝整体安全度。
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (10)

1.一种高拱坝用中热水泥的制备方法，采用“两磨一烧”工序，其特征在于它包括以下步骤：
(1)设计水泥生料的三率值：LSF为100～106，SM为2.48～2.61，IM为0.70～0.90；根据水泥生料三率值的要求，以石灰石、页岩、砂岩、白云石和锌渣为原料进行配料得到混合料，并选择发热量＞5500Kcal/kg的煤作为煅烧的燃料；
(2)将所述混合料进行粉磨得到水泥生料，检测水泥生料的实际三率值，调整原料配比，从而使水泥生料的实际三率值达到设计的要求；
(3)将水泥生料入窑煅烧得到水泥熟料：控制入窑水泥生料的LSF为102～108，SM为2.45～2.59，IM为0.77～0.95；在分解炉出口温度860～930℃、窑头罩温度1000～1150℃的条件下煅烧至部分熔融，形成以C3S、C2S、C3A、C4AF为主要矿物的升重＞1200g/L的熟料，并要求这种熟料结粒均齐，矿物发育完整，无还原气氛形成；
(4)将水泥熟料加石膏粉磨得到水泥成品：将水泥熟料和结晶水含量＞15％、SO3含量＞38％的天然二水石膏按合理比例加入水泥磨内进行混合粉磨，使出磨水泥SO3含量＜3％，比表面积≤330m2/kg，水泥温度＜110℃。
2.根据权利要求1所述的高拱坝用中热水泥的制备方法，其特征在于所述高拱坝是坝高＞100m的重力坝或拱坝。
3.根据权利要求1所述的高拱坝用中热水泥的制备方法，其特征在于步骤(2)所述调整原料配比是指以砂岩和页岩为硅质校正材料，以白云石为镁质校正材料，以锌渣为铝质校正材料和铁质校正材料，以石灰石为钙质校正材料，将原混合料中的各原料比例进行调整。
4.根据权利要求1所述的高拱坝用中热水泥的制备方法，其特征在于步骤(2)所述粉磨得到水泥生料的细度要求为：筛孔半径为80μm的圆孔筛筛余＜15％，筛孔半径为200μm的圆孔筛筛余＜0.8％。
5.根据权利要求1所述的高拱坝用中热水泥的制备方法，其特征在于步骤(3)所述入窑煅烧的水泥生料的化学成分按质量含量计包括SiO2 12.45％～13.10％,Al2O3 2.10％～2.55％,Fe2O3 2.65％～2.90％,CaO 42.25％～43.10％,MgO3.00％～3.20％,K2O 0.30％～0.50％,Na2O 0.03％～0.05％,SO3 0.25％～0.40％；煅烧后水泥生料的损耗为35.4％～37.2％。
6.根据权利要求1所述的高拱坝用中热水泥的制备方法，其特征在于步骤(3)所述水泥生料入窑时的细度要求为：筛孔半径为80μm的圆孔筛筛余＜15％，筛孔半径为200μm的圆孔筛筛余＜0.8％。
7.根据权利要求1所述的高拱坝用中热水泥的制备方法，其特征在于所述水泥成品的比表面积≤330m2/kg，MgO含量为4.0％～5.0％，碱含量≤0.55％，28d抗压强度为45.5～52.5MPa，3d水化热≤241kJ/kg,7d水化热≤281kJ/kg。
8.根据权利要求1所述的高拱坝用中热水泥的制备方法，其特征在于所述水泥熟料和水泥成品的成分都满足C3S≤55％、C3A≤4％和C4AF≥15％的要求。
9.根据权利要求1所述的高拱坝用中热水泥的制备方法，其特征在于所述水泥成品批量生产后，需经过筛选才能作为所述高拱坝用中热水泥，筛选要求为同批水泥成品的28d抗压强度极差≤3.5MPa。
10.根据权利要求1所述的高拱坝用中热水泥的制备方法，其特征在于步骤(1)所述水泥生料的三率值为：LSF为100～103，SM为2.58～2.61，IM为0.83～0.90；步骤(3)所述入窑水泥生料的LSF为103～106，SM为2.51～2.59，IM为0.87～0.95。
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