CN102405197A - 高性能水泥及生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高性能水泥(HPC)的生产，其中熟料(作为建筑界主要材料的普通波特兰水泥(OPC)的原材料)通过特别研磨技术(关于研磨时的特定条件符合度，例如温度状况、湿度、研磨时间)研磨并加入改性剂(复杂化学组合物)，使所生产的水泥微粒的机械化学性质得以改良，带来比现有水泥标准具有更好性质的高性能水泥如HPC62.5的生产。本发明亦涉及使用相同技术，减少熟料含量，使用其它代替物如矿渣、石灰岩、砂、飞灰、粗面凝灰岩(火山灰)等等，以改良所有混合水泥种类的性能与质量。本发明亦限定高性能水泥的生产方法及生产组件。

Description

高性能水泥及生产方法
技术领域
本发明涉及高性能水泥(HPC)的生产，其中熟料作为建筑界主要材料的普通波特兰水泥(OPC)的原材料，通过特别研磨技术(关于研磨时的特定条件符合度，例如温度状况、湿度、研磨时间)研磨并加入改性剂(复杂化学组合物)，使所生产的水泥微粒的机械化学性质得以改良。本发明亦涉及使用相同技术以改良所有混合水泥种类的性能与质量，而非纯粹波特兰水泥。除了改性剂的使用，本发明亦限定高性能水泥(HPC)的生产方法及生产组件。
背景技术
逾百年来，用于建筑界的水泥的生产包括两个主要阶段，该两个主要阶段为：由压碎及均化相关原材料的研磨混合物所生产的熟料以及与石膏共同生产的研磨熟料，并时而加入其它矿物质。
水泥生产的主要原材料为石灰岩及泥土，其它构成物可能为砂、铝土、黄铁矿粉及铁矿石。从以熟料为主要产物的生产过程所产生的熟料组合物具有氧化钙、氧化硅、氧化铝及氧化铁。
相关文献具有多个涉及水泥组合物的专利申请。例如：公告号为EP1451126的专利对建筑界的新水泥浆进行了描述。编号为WO9711132的专利申请限定了改良的干燥收缩水泥组合物。另一方面，公告号为TR 200301984的专利申请限定了包括硅铬铁矿渣及二氧化碳添加物而且耐用并具弹性的水泥。
以现有技术生产的水泥(波特兰水泥)根据不同原材料组合物分类，例如土耳其标准的TS ENV 197-2；以及对等的欧洲标准EN 197-2，2000 EQV--；BS EN 197-2--；NF P15-101-2--；DIN EN 192-2--；EN 197-2.2000 EQV--；还有根据三种强度分类，即PC32.5、PC42.5及PC52.5。
上述水泥中，PC 32.5相对于32.5N/mm2，PC 42.5相对于42.5N/mm2，至于因昂贵而甚少生产的PC 52.5则相对于52.5N/mm2。除了不同的比例以外，火山灰水泥生产时使用粗面凝灰岩(火山灰)，矿渣水泥生产时使用矿渣，飞灰水泥生产时使用飞灰，彼等的强度类别为32.5N/mm2及42.5N/mm2(见于表1水泥的一般类别)。
Figure BPA00001447341900021
Figure BPA00001447341900041
Figure BPA00001447341900051
由于以现有技术生产的水泥并无为混凝土直接提供所需的高强度、高施工性能及较低的水和水泥比例，生产高强度混凝土变得困难，造成强度不足，导致高混凝土构建物出现不节约的混凝土部分。
由于混凝土耐用度及/或强度质量不足以对抗多种环境因素，混凝土的所需经济寿命并不够长。
因此，本发明目的是通过改良以现有技术生产的水泥的性能，研发目的为生产高性能水泥的生产技术。
发明内容
考虑到现有水泥生产技术的目前水平，本发明的首要目的是通过已发展生产技术及使用减少水和水泥比例、在早期(24小时)及末期(28日)阶段增加压缩性强度改性剂，以及改良生产混凝土的基本性质如抗渗性、防缩性与防裂性，以生产高性能水泥(HPC)。
本发明的另一目的是防止强度流失，且鉴于对成本及环境污染的关注，通过以熟料代替可以轻易从自然及/或工业废料如高炉矿渣、飞灰轻易提炼的石灰岩、粗面凝灰岩(火山灰)，以减少水泥于其生产时的成份，提高水泥性能。
使用HPC带来以下水泥性能的改良：
-早期强度于24小时内达到300kg/cm2，于48小时内达致500kg/cm2；
-高强度于28日内达致1200kg/cm2；
-高性能致使寿命时间延长；
-一般可早期移除模板而毋须应用蒸汽处治；
-高耐磨性；
-由于混凝土具有高度的可加工性，因此在浇筑复杂结构的混凝土时容易加工；
-由于高强度而减少结构性混凝土原料的部分，导致对地震作用的结构质量减少；
-更低的水和水泥比例在冬天提供了更高的防霜能力；
-由于填满了混凝土的所有细孔，能够防止侵蚀及达到高黏附力及防渗性。
为达到上述目的，本发明是在建筑工业用作结构性材料的高性能水泥的生产方法，其包括以下步骤：
-根据限定的水泥质量及类别，放置所有原材料到供应仓(1)内生产HPC，原材料为波特兰熟料、石膏及用于生产混合水泥的添加物如石灰岩、矿渣、砂、粗面凝灰岩(火山灰)等等；
-使用设置于供应仓下的皮带秤自动配发所需原材料；
-于称重皮带秤上量称原材料，通过监察称重皮带秤的速度比较实际流速及制定流量，并据此重新调整称重皮带秤的速度；
-设置一合适过滤器于称重皮带秤上面，为原材料去尘；
-转移原材料到第一磨机的供应带；
-从供应带供应原材料至第一磨机进行少于500微米的粗磨；
-通过磨机上面的过滤器吸入半磨材料，通过空气溜槽转移到升降机；
-通过升降机供应粗磨材料到第二球磨机，并从改性剂筒仓供应与熟料数量具指定比例的改性剂，根据终端产品类别进行任何由3,500至9,500布莱因值的范围内的细磨；
-通过第二球磨机出口的过滤器吸入名为高性能水泥的成品，并通过空气溜槽转移到升降机；
-从升降机转移高性能水泥到风扫式分离器；
-分离达指定颗粒尺寸的微粒，并通过空气溜槽转移到升降机；以及
-通过水泥处理组件从升降机转移水泥至筒仓。
本发明的优选应用例是把由分离器分离及未研磨至指定细度的水泥微粒通过空气溜槽送回至第二球磨机，重新研磨。
本发明的另一优选应用例是通过改性剂供应组件从改性剂筒仓供应改性剂至第二球磨机，比例乃按照通过第一磨机的原材料供应带的原材料。
本发明的另一优选应用例是通过设置调整阀门开口的控制阀门及压力检测器来增加或减少流速，以控制终端产品的细度。
本高性能水泥(HPC)发明的另一优选应用例是毋须使用任何其它混凝土添加物，实现低于45％的混凝土及砂浆的水和水泥比例。
为实现所述目的，高性能水泥(HPC)通过上述方法研发，其于有关原材料性质及尤其是熟料含量具有可变比例(0.5％-2％)的改性剂。
为实现所述目的，水泥的性能通过上述方法研发，其包括多种高含量的组成材料如石灰岩、矿渣、石膏、粗面凝灰岩(火山灰)等等，目的为减少波特兰熟料的含量。
本发明的原理及基本特征性质及其优点于以下附图及所指说明列明，因此为更好了解本发明，评估本发明时应考虑该等事项。
附图说明
图1是高性能水泥生产厂房的示意图。
标号说明：
Figure BPA00001447341900081
具体实施方式
本发明涉及生产高性能水泥(HPC)，通过加入改性剂及使用特别研磨技术(关于研磨时的特定条件符合度，例如温度状况、湿度、研磨时间)以改善用作结构性建筑材料的普通波特兰熟料的分散及反应能力。本发明亦与高性能水泥(HPC)的生产方法及生产组件有关。
于生产题述高性能水泥(HPC)期间，主要原材料为波特兰熟料、石膏及具有若干比例熟料含量的改性剂。虽然，生产高性能水泥可以使用任何熟料，改性剂的百分比根据所使用熟料的化学性质及质量改变。
本发明提供水泥微粒的化学及机械性能的改良方法，其减少水泥对水的需求，致使混凝土早期除了具有高强度外，还具有早期高性能。
本高性能水泥(HPC)应如其它水泥类别一般根据强度类别及原材料组合物分类，这样的话应被指定于HPC 62.5至HPC 82.5的范围内，该指定数并不存在于现有水泥标准。
字母”H”用作代表应用本发明到现有水泥标准定义的混合水泥的高性能。HPC 62.5R是本发明内容详述的一个例子。
高性能水泥生产厂房的示意图如图1所示。
原材料如波特兰熟料、CEM-I类别水泥的石膏及CEM-II类别水泥的粗面凝灰岩(火山灰)、石灰岩、矿渣、飞灰持续被供应至仓(1)。原材料应使用设置于供应仓(1)下面的称重皮带秤(2)，以配发所需流量。
称重皮带秤(2)的功能是根据实际原材料流量自动配发任何原材料及重新调整。原材料从称重皮带(2)通过供应带(3)转移到第一球磨机。原材料的数量由速度控制的称重皮带秤(2)称量。称重皮带(2)上的原材料的数量被持续在线称量，并考虑到称重皮带的监察速度，实际材料流量被实时计算。实际材料流量及程序化流量通过PID控制器比较，计算称重皮带秤(2)的速度调整，以实时调整该等速度。
考虑到实际流量及程序化流量的比较，速度据此增加或减少。原材料的数量使用称重皮带秤(2)的测力传感器上的称量量度来计算。称重皮带的速度通过考虑鼓轮的转动速度来计算。
所有量度及调整可以在设置于MCC板上的控制板进行，该MCC板可以通过可程序化的计算机系统控制。而且，任何实时量度可以被持续量度。
除了监察实际实时流量量度外，通过称重皮带秤(2)的积累原材料数量亦可以被监察。为连接其它设备，制定及实际流量值以4-20毫安比例量度。持续增加的脉冲继电通过干接点资讯表示每吨量度。
称量根据处方以自动系统进行。处方包括：处方名称；批号；改性剂、熟料、石膏、飞灰等等的制定数量及总数量的百分比。每项材料如熟料、石膏、石灰岩、矿渣、飞灰于处方的百分比输入乘以每件拟生产的终端产品的数量及每项构件供应至第一球磨机(6)的每小时供应率，由系统自动计算。
供应至第一球磨机(6)的改性剂的数量按照熟料的制定重量百分比调整。水泥内熟料的含量改变时，改性剂的百分比亦随之改变。改性剂根据从改性剂筒仓(8)供应至第一球磨机(6)的实际记录熟料数量通过改性剂供应系统(9)供应至第二球磨机(12)。因此，改性剂在细磨时会与其它材料一起研磨，准许改性剂分散至整个混合物。
具有不同性质的多个水泥类别能够根据高性能水泥类别及质量使用处方生产。
样本1：波特兰水泥
产品类别：CEM I
处方总公斤：每小时50,000公斤
倘改性剂被制定为熟料的1％，
熟料为95％，即熟料流量＝(95/100)*每小时50,000公斤＝每小时47,500公斤
石膏为5％，即熟料流量＝(5/100)*每小时50,000公斤＝每小时2,500公斤
改性剂的数量是熟料的1％，而流量＝(1/100)*每小时47,500公斤＝每小时475公斤。
样本2：波特兰火山灰水泥
产品类别：CEM II
处方总公斤：每小时50,000公斤
倘改性剂被制定为熟料的0.5％，
熟料为75％，即熟料流量＝(75/100)*每小时50,000公斤＝每小时37,500公斤
石膏为5％，即熟料流量＝(5/100)*每小时50,000公斤＝每小时2,500公斤
粗面凝灰岩为20％，即熟料流量＝(20/100)*每小时50,000公斤＝每小时10,000公斤
改性剂的数量是熟料的0.5％，而流量＝(0.5/100)*每小时37,500公斤＝每小时375公斤。
考虑到每个产品的多项原材料，可制备具有不同比例及数量的不同处方。生产根据制定处方开始后，原材料通过称重皮带秤(2)以特定比例称量，并通过第一磨机的供应带(3)转移至第一球磨机(6)。设置于供应带(3)上面的过滤器(4)进行去尘。设置于第一球磨机(6)的球体为90毫米至60毫米，其可以进行范围约0-500微米的粗磨。
由于设置于第一球磨机(6)上面的过滤器(5)的可调整气流，具有指定细度的研磨材料被转移至连接至供应第二球磨机(12)的升降机(10)的空气溜槽(7)。
改性剂同时通过改性剂供应系统(9)从改性剂筒仓(8)供应至第二球磨机(12)。成品的混合物的细磨于具有尺码为60毫米至15毫米的多个球体的第二球磨机内进行。
研磨材料通过分离器(16)，特定细度限定为任何由3,500至9,500布莱因值的范围内的微粒在分离器(16)被分离，并转移至产品筒仓(20-21)，至于任何更粗的微粒被转回至第二球磨机(12)，另行研磨。过滤器(5，14)调整流过第一球磨机(6)及第二球磨机(12)的材料的流量与速度，并且进行去尘。供应系统(9)及供应带(11)被设置于改性剂筒仓(8)下面，以控制改性剂供应至混合物的供应率。
通过风扫及可调整分离器(16)分离至指定细度(布莱因值)的水泥微粒通过设置于产品筒仓(20，21)上面的转移组件(19)转移至筒仓(20，21)。高于指定细度的粗粒通过空气溜槽(13)转回至第二球磨机(12)进行重磨。
存储于筒仓(20，21)的高性能水泥将由水泥搅拌车(29)成批或由货车(28)以包裹形式交付给客户。包装组件由升降机(22)、过滤器(23)、滤网(24)、仓(25)、充袋站(26)及螺杆(27)组成。
虽然，为了生产高性能水泥，除了使用设置的两个磨机(6，12)，亦可使用具有两个舱的单一磨机作替代，但并不如使用两个磨机一样具效率，两个磨机各自扮演为一个分离的舱，其中改性剂于细磨前被转移至第二个舱。重磨已生产的水泥时，高性能水泥亦可通过供应改性剂生产。
本发明的范围覆盖至生产其它强度类别如32.5、42.5及52.5的水泥。高性能水泥厂房对环境的影响亦无异于普通水泥厂房，本发明对水泥的化学组合物亦无负面作用。
生产高性能水泥期间的去尘通过使用多个过滤器(4，5，14，18，23)实现。所有生产过程是一密封循环，尘粒与固粒的排放量低于由任何空气质量控制测试验证的容许上限。
与任何其它水泥类别一样，高性能水泥亦可与其它建筑材料兼容，并可以与其它水泥一样用作类似用途。高性能水泥可以用于需要高强度及/或高性能的高楼、机场跑道、大桥、具有特别用途的海上与陆地工程、海上构建物及预制混凝土的成份。
另一方面，高性能水泥具有防缩性的性质，便于使用为填缝料及灌浆。通过使用HPC生产的砂浆具防渗性，抗高温差异及抗结融霜。因此，HPC可用于该等需求，并用于预制混凝土，以避免早期移除模板而导致的蒸汽处治，提供了不容忽视的优点。
使用高性能水泥为混凝土提供可加工性、早期的高强度、防渗性，故此毋须其它添加物。因此，生产混凝土期间移除任何其它添加物会防止可能的配发问题，但可能需要抗冻添加物以在冬季抗霜。
生产混凝土及砂浆期间若使用高性能水泥，便毋须使用任何其它添加物，生产混凝土及砂浆期间的水和水泥比例不应超过45％。水和水泥比例于混凝土配合比设计保持于40-45％的范围时，坍度值为80-120毫米，高强度亦得以实现。高性能水泥对水的需求较少，因此混合物的砂浆稳定性测试应被考虑，而非相关水泥标准定义的0.5水和水泥比例。
多个水泥测试的结果显示通过使用一般集合物，可轻易实现1000kg/cm2的压缩性强度。而且，同时发现的是，最方便的水和水泥比例是44％，而分散的坍度测试结果是185-190毫米。该等测试的结果如下表所列。
下表表2以重量比例显示高性能水泥62.5的组合物。
 含量   重量比例(％)
 熟料(C3S＞60)   94-95％
 石膏   5-6％
 改性剂   (熟料的)1-1.5％
水泥砂浆强度
下表表3显示普通波特兰水泥及高性能水泥的压缩性强度的比较。
表3 水泥的压缩性强度(kg/cm2)
  水泥类别   2日   7日   28日
  高性能水泥62.5   325   558   730
  波特兰水泥42.5   220   346   470
  矿渣水泥32.5   105   210   357
*高性能水泥62.5R指具有特别混凝土添加物。
本申请的保护范围在权利要求限定，并不限于上述只作范例的说明。显然而见，相关业内任何人士通过类似实施例而得出的新技术及/或应用该实施例到其它范围作相似于与现有技术相关的用途。显然而见，该等实施例并不具有新颖性。

Claims (6)

1.一個在建筑工业使用的高性能水泥的生产方法，其包括以下步骤：
-根据限定的水泥质量及类别，放置所有原材料到供应仓(1)内生产高性能水泥，原材料为波特兰熟料、石膏及用于生产混合水泥的添加物如石灰岩、矿渣、砂、粗面凝灰岩(火山灰)等等；
-使用设置于供应仓(1)下的皮带秤(2)自动配发所需原材料；
-于称重皮带秤(2)上量称原材料，通过监察称重皮带秤(2)的速度比较实际流速及制定流量，并据此重新调整称重皮带秤(2)的速度；
-设置一合适过滤器(4)于称重皮带秤(2)上面，为原材料去尘；
-转移原材料到第一磨机的供应带(3)；
-从供应带(3)供应原材料至第一磨机(6)进行少于500微米的粗磨；
-通过磨机(6)上面的过滤器吸入半磨材料，通过空气溜槽(7)转移到升降机(1)；
-通过升降机(10)供应粗磨材料到第二球磨机(12)，并从改性剂筒仓(8)供应与熟料数量具指定比例的改性剂，根据终端产品类别进行任何由3,500至9,500布莱因值的范围内的细磨；
-通过第二球磨机(12)出口的过滤器(14)吸入名为高性能水泥的成品，并通过空气溜槽(13)转移到升降机(15)；
-从升降机(15)转移高性能水泥到风扫式分离器(16)；
-分离达指定颗粒尺寸的微粒，并通过空气溜槽(13)转移到升降机(17)；以及
-通过水泥处理组件(19)从升降机(17)转移水泥至筒仓(20，21)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：其中一个步骤是把由分离器(16)分离及未研磨至指定细度的水泥微粒通过空气溜槽(13)送回至第二球磨机(12)，重新研磨。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：存储于筒仓(20，21)的高性能水泥将由水泥搅拌车(29)成批或在充袋站(28)以包袋形式交付给客户。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：通过改性剂供应组件(9)从改性剂筒仓(8)供应改性剂至第二球磨机(12)，比例乃按照通过第一磨机的原材料供应带(3)的原材料。
5.根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于：通过使用高性能水泥(HPC)而毋须使用任何其它混凝土添加物，实现40-45％的混凝土及砂浆的水和水泥比例。
6.根据权利要求1至5所述的方法生产的高性能水泥，具有波特兰熟料及根据使用熟料数量和所生产的水泥种类而定的若干比例的改性剂、以及石膏、矿渣、石灰岩、砂、飞灰、粗面凝灰岩(火山灰)，或使用较低熟料含量的现有强度类的水泥。
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