窑灰对立磨水泥与减水剂相容性影响的研究

王 敏 （合肥中亚建材装备有限责任公司，安徽 合肥 230051）

进入21 世纪以来，国家进入了如火如荼的基础设施建设进程，随着房屋建筑数量的增加，国家对房屋建筑质量提出了更高的标准。因此，提升土木工程材料成为土木行业从业者奋斗的目标。水泥作为重要的建筑工程材料之一，由于生产工艺使得水泥颗粒的级配存在间断性，导致水泥与减水剂的相容性较差，进而影响水泥砂浆的工作性能及力学性能[1-3]。为了解决这一问题，研究者通常利用改变水泥的颗粒级配来处理。因此，分析窑灰掺量对立磨水泥与减水剂相容性影响的研究，对水泥性能的提升具有十分重要的意义。

窑灰是一种水泥熟料在煅烧过程中产生的物料，呈细粉末状，其化学组成和物理性状与窑型和煅烧时机密切相关。实际上，窑灰的粒度极其细小，比表面积较大；而水泥粒径分布中的细颗粒含量偏低，将窑灰掺入其中必将起到优化水泥颗粒粒径分布的作用，进而优化水泥与减水剂的相容性，提高水泥的各项性能。然而，窑灰掺量过高，由于窑灰的比表面积过大导致水泥中吸水过高，反而使得水泥砂浆出现裂缝，影响其抗压及抗裂等力学强度[4-6]。国家标准GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》[7]已经明确规定水泥中窑灰的掺量不得超过水泥质量的8%，具体的掺量视水泥的类型而定。鉴于此，本文开展了窑灰掺量（0、2%、4%、6%、8%）对立磨水泥与减水剂相容性影响的研究，并对比分析了掺入窑灰前后水泥与市场已有水泥的流动度，以期为高质量水泥级配的优化设计及性能提升提供一定参考。

1 试验材料及方法

1.1 原材料

采用的原材料主要包括水泥、窑灰和自来水，水灰比为0.55。水泥的生产工艺中生料粉磨采用辊压机终粉磨系统进行，水泥粉磨采用立磨终粉末系统，辊压机台时产量为460t/h；生产过程中产生的窑灰的处理方法为：首先通过提升机倒入窑灰仓，然后以10t/h的量入生料库，避峰2h 后将会提升熟料中游离的氧化钙。本文采用窑灰的密度为2.58g/cm3，比表面积为810m2/kg，窑灰的化学组分如表1 所示。从表中可以看出，窑灰中CaO 的比例最高，达到57.81%；其次为SiO2，比例达到23.52%。

表1 窑灰化学组分/%

采用粉末粒度分析仪获取窑灰与立磨水泥的粒径分布对比图如图1所示。从图中可以看出，水泥和窑灰中粒径在3μm～32μm 的比例均最高，而窑灰中小于3μm的粒径比例（28.94%）高于水泥中该尺寸下的粒径比例（10%）。因此，可以将窑灰掺入水泥中，填补粒径小于3μm的颗粒，优化水泥的颗粒分布，进而提升水泥与减水剂的相容性。

图1 窑灰与立磨水泥的粒径分布对比图

1.2 试验方法

为分析窑灰掺量（0、2%、4%、6%、8%）对立磨水泥与减水剂相容性影响的研究，本文中水泥的净浆流动度、工作性能以及力学性能试验均严格按照规范GB/T 8077—2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》[8]中的规定步骤进行。水泥胶浆的制备是首先将按一定比例称量完毕的水泥与窑灰倒入涂抹润滑剂的模具中，其次将水倒入混合均匀的干料中，最后抹平置于室温中，成型后取出供后续的力学强度试验。

2 窑灰掺量对立磨水泥与减水剂相容性影响研究

2.1 窑灰掺量对立磨水泥工作性能的影响

根据规范中的方法测试不同窑灰掺量下立磨水泥初凝时间及终凝时间，结果如图2 所示。从图中可知，立磨水泥的初凝和终凝时间与窑灰掺量均呈现先增加后稳定的相关关系。当窑灰掺量达到4%时，立磨水泥的初凝和终凝时间均为最佳。这是由于窑灰的细颗粒刚好可以弥补水泥中较少的细粒径，优化水泥的级配，使得水泥与减水剂的相容性更佳，提高水泥的流动性；但是当窑灰掺量过高，由于窑灰比表面积过大的特性使得吸水量过高，反而造成内部流动性变差，使水泥的凝结时间开始趋于稳定的现象。当窑灰掺量为4%时，与未掺入窑灰相比，水泥胶浆的初凝时间从143min 增加至165min，增加幅度达到15.4%；水泥胶浆的初凝时间从201min增加至231min，增加幅度达到14.9%。

图2 窑灰掺量对立磨水泥工作性能的影响研究

2.2 窑灰掺量对立磨水泥力学强度的影响

根据规范中的方法测试了不同窑灰掺量下立磨水泥不同龄期下的抗折强度和抗压强度，结果如图3 所示。从图3（a）中可知，对于所有掺量下，水泥抗折强度与龄期呈现正相关关系，这是由于随着养护时间的增加，水泥与水之间的水化反应越来越强烈，产生更多的水化产物，提高水泥的强度。所有龄期下，水泥的抗折强度与窑灰掺量先呈现正相关后开始下降的关系，当窑灰掺量为4%时，水泥的抗折强度达到最高。这是由于窑灰中含有较多的细颗粒，低掺量下可以优化调整水泥内部的颗粒级配，促进水泥与减水剂的相容性，提升水泥内部的水化反应，进而增加水泥的强度；但是当窑灰掺量过高，由于窑灰具有较大的比表面积，导致吸水量过高反而使水泥内部出现微裂缝，降低了水泥的抗折强度。此外，这种水泥的抗折强度与窑灰掺量先呈现正相关后开始下降的关系现象在养护后期表现得更为明显，这是因为随着养护龄期的增加，水泥内部的水化反应彻底，所有的性能均达到了最佳状态。当窑灰掺量为4%时，与未掺入窑灰相比，水泥胶浆的1d抗折强度从3.5MPa 增加至3.6MPa，增加幅度达到2.8%；3d 抗折强度从5.1MPa 增加至5.2MPa，增加幅度达到1.9%；7d 抗折强度从7.1MPa 增加至7.4MPa，增加幅度达到4.2%；28d抗折强度从9.1MPa增加至9.7MPa，增加幅度达到6.6%。综合上述分析可知，随着养护龄期的增加，水泥胶浆的抗折强度增加幅度越来越高。

图3 窑灰掺量对立磨水泥力学性能的影响研究

从图3（b）中可知，对于所有掺量下，水泥胶浆抗压强度与养护龄期同样呈现正相关关系；所有养护龄期下，水泥胶浆的抗压强度与窑灰掺量同样先呈现正相关后开始下降的关系，当窑灰掺量为4%时，水泥胶浆的抗压强度达到最高，这与水泥抗折强度的演变规律表现一致。当窑灰掺量为4%时，与未掺入窑灰相比，水泥胶浆的28d 抗压强度从58.4MPa 增加至61.3MPa，提升幅度达到4.9%。综合上述水泥胶浆工作性能、抗折强度、抗压强度与窑灰掺量的演变规律，当窑灰掺量为4%，水泥胶浆的所有性能达到最优。

为了分析不同窑灰掺量下水泥浆抗压强度随龄期增长速率与龄期的关系，引入龄期影响因子的概念，如式（1）所示。

式中α—龄期影响因子；fc2u8—28d 抗压强度，MPa；fcnu—nd抗压强度，MPa。

图4 为不同养护龄期下不同窑灰掺量下水泥浆的龄期影响因子，从图中可以看出，养护初期，水泥浆的龄期影响因子随窑灰掺量的增加变化并不显著；养护后期，水泥浆的龄期影响因子随窑灰掺量的增加呈现正相关的关系。这是由于后期养护条件下，水泥砂浆内部的水泥、窑灰与水之间的水化反应达到最佳状态。此外，龄期影响因子随着养护龄期的增加而降低。

图4 窑灰掺量对立磨水泥龄期影响因子的影响研究

3 最佳窑灰掺量下立磨水泥与市场水泥性能对比及经济效益研究

为了验证窑灰对水泥与减水剂相容性的改善效果，对比了掺入窑灰前水泥胶浆、掺入4%掺量窑灰后水泥胶浆及市场水泥胶浆的初始流动度及1h流动度，结果如图5所示。从图中可知，掺入窑灰后，水泥胶浆的初始流动度从185mm增加到243mm，增幅达到31.3%；水泥胶浆的1h流动度从159mm增加到231mm，增幅达到45.3%。通过窑灰改善后的水泥胶浆流动度不断接近市场上已有的水泥产品流动度，证实了该掺量下窑灰对水泥与减水剂的相容性具有显著的提升作用。

图5 不同类型水泥胶浆流动度对比研究

此外，将窑灰掺入水泥中可带来一定的经济效益，水泥生产过程中，将窑灰掺入立磨系统中，增加水泥台的同时消耗了辊压机避峰期间产生的窑灰。以窑灰掺量4%为例，全年立磨水泥生产过程中消耗窑灰大概8000t，以水泥价格370 元/t 计算，可以增加销售额为8000×370=296 万元，窑灰的倒运及电费等成本综合为50 元/t，共计8000×50=40 万元，故每年仍然新增利润256万元。

4 结语

综上所述，立磨水泥的初凝和终凝时间与窑灰掺量均呈现先增加后稳定的相关关系。当窑灰掺量达到4%时，立磨水泥的初凝和终凝时间均为最佳。当窑灰掺量为4%时，与未掺入窑灰相比，水泥胶浆的初凝时间从143min增加至165min，增加幅度达到15.4%；水泥胶浆的初凝时间从201min 增加至231min，增加幅度达到14.9%。对于所有掺量下，水泥抗折强度与龄期呈现正相关关系；所有龄期下，水泥的抗折强度与窑灰掺量先呈现正相关后开始下降的关系，当窑灰掺量为4%时，水泥的抗折强度达到最高；随着养护龄期的增加，水泥胶浆的抗折强度增加幅度越来越高。对于所有掺量下，水泥胶浆抗压强度与养护龄期同样呈现正相关关系；所有养护龄期下，水泥胶浆的抗压强度与窑灰掺量同样先呈现正相关后开始下降的关系，当窑灰掺量为4%时，水泥胶浆的抗压强度达到最高。养护初期，水泥浆的龄期影响因子随窑灰掺量的增加变化并不显著；养护后期，水泥浆的龄期影响因子随窑灰掺量的增加呈现正相关的关系；龄期影响因子随着养护龄期的增加而降低。当窑灰掺量为4%，水泥胶浆所有的性能达到最优。掺入4%掺量的窑灰后，水泥胶浆的初始流动度从185mm 增加到243mm，增幅达到31.3%；水泥胶浆的1h 流动度从159mm 增加到231mm，增幅达到45.3%；且不断接近市场上已有水泥流动度，证实了窑灰对水泥与减水剂的相容性具有显著的提升作用。此外，掺入窑灰后，新增的经济利润达到256万元。综上，窑灰对水泥性能提升及经济效益优化具有显著的增强效果。