綠色高性能水泥是水泥工業(yè)的發(fā)展方向。水泥工業(yè)實現(xiàn)“新型工業(yè)化”戰(zhàn)略目標, 中心課題是資源、能源和環(huán)境保護問題, 而關(guān)鍵是圍繞水泥工業(yè)“綠化”進程, 利用高新技術(shù)合成綠色高性能生態(tài)水泥。所謂綠色高性能, 即在保證產(chǎn)品優(yōu)越性能的前提下, 盡量降低不可再生自然資源、能源的消耗, 減少對環(huán)境的污染, 更多地利用工業(yè)廢渣和二次能源。利用添加劑技術(shù)合成綠色高性能水泥是一項切實可行的有效技術(shù)措施, 對于實現(xiàn)經(jīng)濟增長方式的轉(zhuǎn)變, 走新型工業(yè)化道路, 建立節(jié)約型社會, 發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟, 實現(xiàn)水泥工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。
1 利用生料速燒劑技術(shù)煅燒綠色高性能水泥熟料
生料速燒劑技術(shù)是在復(fù)合礦化劑基礎(chǔ)上發(fā)展起來的集礦化、助熔、雜化、助燃、速燒為一體的復(fù)合高效環(huán)保型礦化劑。其主要作用機理是: ①降低反應(yīng)物質(zhì)點間的鍵能, 提高化學(xué)反應(yīng)活性, 強化SiO2和CaO的反應(yīng)能力。②促使液相提前出現(xiàn), 增加液相量, 降低液相黏度, 降低燒成溫度。③促使早強礦物及C3S微晶形成, 從而加速了硅酸鹽礦物的形成過程。④由于微量元素的固溶, 提高了礦物中有缺陷的微晶數(shù)量, 同時對C3S和β- C2S起穩(wěn)定作用。⑤提高煤炭燃燒速度和質(zhì)量, 促使熟料在較低溫度下( 1 200℃~1 300℃) 快速燒成, 由于熟料燒成時間短, 減少了窯內(nèi)還原氣氛, 使水泥熟料在煅燒時形成良性循環(huán), 從而提高熟料產(chǎn)質(zhì)量, 降低熟料熱。
山東宏藝科技有限公司在此方面進行了深入的研究, 形成了針對立窯和回轉(zhuǎn)窯兩種窯型的生料速燒劑定型產(chǎn)品。在眾多水泥廠使用后取得了可喜的成果。大量生產(chǎn)實踐證明, 使用生料速燒劑可提高熟料臺時產(chǎn)量10%以上, 可降低標準煤耗10%以上, 熟料強度提高10%以上, 噸熟料成本降低10元以上。根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者大量研究, 生料速燒劑用于綠色高性能水泥熟料的生產(chǎn)一般分為兩個方面: 一用于石灰石耗量少的低鈣熟料的生產(chǎn), 以加速活性低鈣礦物的形成和穩(wěn)定, 降低燒成熱耗; 二是在傳統(tǒng)硅酸鹽水泥熟料基礎(chǔ)上, 改善熟料性能或水化活性, 從而提高水泥熟料的使用效率和混合材使用效果。
1.1 利用生料速燒劑技術(shù)煅燒低鈣綠色高性能硅酸鹽水泥熟料
由于熟料CaO含量低( 一般<60%) , 煅燒溫度低( 低于1 300℃) , 熟料煅燒耗能和CO2排放將大幅度降低, 另外還可大量采用低品位原料及工業(yè)廢渣。同時燒成溫度低也可使NOx、SO2的排放大幅度降低。自上世紀80年代以來研究最多比較成功的當屬高貝利特硅酸鹽水泥(HBC) , 這種水泥熟料中C2S含量大于40%, 噸熟料可節(jié)煤20%~30%, 并降低CO2排放量120~160kg。以這種水泥配制砼, 可改善砼耐久性, 降低砼溫升, 提高砼工作性及外加劑使用效果, 但這種水泥早期強度低, 后期強度高, 這種熟料需引入較多水化活性較高的鋁酸鹽、硫鋁酸鹽、氟鋁酸鹽或氯鋁酸鹽礦物, 以利提高早期強度。生料速燒劑可引入上述早強礦物, 又可起到穩(wěn)定β~C2S的作用, 同時發(fā)揮提高產(chǎn)質(zhì)量, 降低能耗保護環(huán)境的重要作用。在使用速燒劑生產(chǎn)的低鈣水泥熟料的同時使用水泥助磨增強劑可進一步提高水泥強度。
1.2 利用生料速燒劑技術(shù)煅燒高鈣綠色高性能硅酸鹽水泥熟料
我國水泥生產(chǎn)中42.5級以上水泥產(chǎn)量僅為水泥總量的20%~30%。以至水泥砼行業(yè)水泥需求量大,砼資源綜合消耗大。所以提高熟料質(zhì)量, 提高熟料和混合材利用效率是水泥行業(yè)的技術(shù)重點。熟料的礦物組成、結(jié)構(gòu)和晶體尺寸決定了水泥熟料質(zhì)量, 而生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)熟料與配料方案, 煅燒制度和添加劑應(yīng)用密切相關(guān)。國內(nèi)外大量研究證明, 要提高水泥強度應(yīng)盡量提高硅酸鹽礦物( C3S+C2S) 含量( ≥73%) , 提高早強礦物C3A含量( 9%~13%) , 降低鐵鋁酸四鈣( C4AF)含量( <13%) 。實踐證明高硅低鐵配料方案, 是實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的重要技術(shù)措施。許多企業(yè)嘗試高硅配料方案: KH=0.92- 0.94, SM≥2.5, IM≥1.5。這一方案可燒出質(zhì)量相當高的熟料: C3S+C2S≥73%, fCaO≤2%,3天強度≥43MPa, 28天強度≥65MPa, 而且熟料產(chǎn)量高, 易磨性好。因高硅低鐵方案易燒性差, 所以需生料速燒劑技術(shù)配合。
2 利用高效復(fù)合水泥添加劑技術(shù)合成綠色高性能水泥
高效復(fù)合水泥添加劑是集助磨、增強、改善性能、降低成本為一體的高科技產(chǎn)品, 是生產(chǎn)綠色高性能水泥的重要技術(shù)措施。其作用原理是: 通過助磨功能提高磨機產(chǎn)量, 提高比表面積, 從而提高水泥強度。水泥增強劑的增強功能主要是添加劑中的化學(xué)物質(zhì)與水泥及混合材中的鈣、硅、鋁等進行化學(xué)反應(yīng)形成有助水泥增強的水化產(chǎn)物, 同時造成水泥中氧化物的晶格缺陷, 提高其反應(yīng)活性。應(yīng)用高效復(fù)合水泥功能添加劑技術(shù)在不增加固定資產(chǎn)投資, 不改變生產(chǎn)工藝的情況下, 達到提高水泥產(chǎn)質(zhì)量、降低成本、生產(chǎn)綠色高性能環(huán)保水泥的目的。HY系列高效復(fù)合水泥功能添加劑是獲得國家發(fā)明專利、得到國家科技部中小企業(yè)創(chuàng)新基金無償支持的項目、國家火炬計劃項目和國家級重點新產(chǎn)品。下面以國家級高新技術(shù)企業(yè)山東宏藝科技有限公司研制開發(fā)、生產(chǎn)的強力牌HY系列高效復(fù)合水泥添加劑為例, 闡述利用高效復(fù)合水泥添加劑技術(shù), 生產(chǎn)綠色高性能生態(tài)水泥的技術(shù)方案。
2.1 生產(chǎn)高強度水泥
其方法是熟料加30%~70%礦渣, 加高效復(fù)合水泥增強型添加劑, 適量石膏, 經(jīng)高細粉磨。比表面積達到400m2/kg以上, 生產(chǎn)水泥28天強度可超過其熟料強度。同等情況下與不摻添加劑的水泥相比可提高一個標號。
2.2 生產(chǎn)低堿低熱水泥
一般情況下熟料中堿的含量是一定的, 用高效復(fù)合水泥添加劑技術(shù)高摻量低堿礦渣或低堿粉煤灰, 控制最終水泥堿含量達標即可。如低堿礦渣水泥、低堿粉煤灰水泥、低堿復(fù)合水泥。同時可生產(chǎn)低熱水泥, 如低熱礦渣水泥、低熱粉煤灰水泥、低熱復(fù)合水泥或低熱低堿礦渣水泥、低熱低堿粉煤灰水泥、低熱低堿復(fù)合水泥。
2.3 生產(chǎn)高抗硫酸鹽水泥
利用高效復(fù)合水泥添加劑技術(shù)大摻量礦渣( 60%~70%) , 適量石膏, 高細粉磨, 即可制得符合標準要求的高抗硫酸鹽水泥。
2.4 生產(chǎn)綠色環(huán)保型水泥
大量利用工業(yè)廢渣, 變廢為寶, 節(jié)約資源減少污染, 生產(chǎn)綠色環(huán)保型水泥。部分廠家生產(chǎn)數(shù)據(jù)見表1。大量利用工業(yè)廢渣, 不僅降低了水泥生產(chǎn)成
本, 而且有效地改善了水泥的性能, 增加了水泥的耐久性。
2.5 改善水泥的性能
使用高效復(fù)合水泥添加劑后大幅度地增加了混合材摻量, 更有效地消除了熟料中fCaO, 使水泥的干縮性、抗凍融性、抗?jié)B性、抗碳化能力、抗侵蝕能力、水泥顏色等方面得到了較大改善。
2.6 利用緩凝型高效復(fù)合水泥添加劑生產(chǎn)緩凝水泥或超緩凝水泥
高速公路建設(shè)、大體積砼建設(shè)都需緩凝或超緩凝水泥, 用緩凝型高效復(fù)合水泥添加劑可簡單地生產(chǎn)上述水泥。
2.7 生產(chǎn)其它特種水泥
用硅酸鹽熟料、鋁酸鹽熟料或者硫鋁酸鹽熟料加添加劑生產(chǎn)特種水泥的方法無疑是方便易行、成本較低的方法。例如用硅酸鹽水泥熟料加膨脹劑生產(chǎn)膨脹水泥或自應(yīng)力水泥; 用硅酸鹽水泥加速凝劑生產(chǎn)初凝在3分鐘之內(nèi)、終凝在10分鐘之內(nèi)的速凝水泥, 用于噴射混凝土; 用硫鋁熟料加促凝早強劑生產(chǎn)特快硬水泥, 用于掄修快建等。
2.8 生產(chǎn)高活性摻合料
將工業(yè)廢渣或礦物材料烘干后, 加入具有激發(fā)性能的高效復(fù)合水泥添加劑, 經(jīng)高細粉磨即可生產(chǎn)高活性摻合料。
3 合成綠色高性能生態(tài)水泥的生產(chǎn)模式(見圖1)
3.1 各合成組分構(gòu)成說明
A、為高細粉磨的含有石膏類( 天然二水石膏、硬石膏、磷石膏、氟石膏、副石膏等) 調(diào)凝劑的水泥熟料粉, 水泥熟料可以是硅酸鹽水泥熟料、鋁酸鹽水泥熟料、硫鋁酸鹽水泥熟料等。
B、為高細粉磨的混合材亦稱活性摻活料, 可以是礦渣、粉煤灰、鋼渣、煤矸石等固體工業(yè)廢渣, 亦可以是沸石等礦物料或者以上各種原料的混合物。
C、外加劑亦稱合成劑可以是助磨劑、增強劑、助磨增強劑、激發(fā)劑、速凝劑、緩凝劑、特種性能外加劑或是復(fù)合外加劑等。
D、目標水泥可以是不同標號不同品種水泥, 可以是低堿低熱水泥, 可以是高抗硫酸鹽水泥, 可以是特種水泥等。
3.2 綠色高性能生態(tài)水泥的合成, 根據(jù)合成目標水泥標號、性能, 調(diào)節(jié)ABC各組分的種類和摻量, 攪拌均勻即可, A10%~80%, B30%~85%, C1%~5%, A+B+C=100%=D, 按常規(guī)水泥的質(zhì)量控制方法進行生產(chǎn)質(zhì)量控制。
3.3 粉磨方式可以是分別粉磨, 亦可以是混合粉磨,高細粉磨比表面積≥350m2/kg, 攪拌要均勻。
3.4 水泥工藝外加劑與砼外加劑必需有良好的適應(yīng)性, 并充分考慮砼的耐久性。
4 合成綠色高性能生態(tài)水泥的應(yīng)用實例
4.1 高細混合粉磨系統(tǒng)綠色高性能生態(tài)水泥的生產(chǎn)
4.1.1 生產(chǎn)方法(見圖2)
?、偾皳椒? 用微機計量, 均勻按比例在磨前A位置加入, 外加劑可選用助磨增強型。
?、诤髶椒? 具有攪拌均化條件企業(yè)可選擇后摻法,即在磨尾B位置摻入, 外加劑可選用增強型。
4.1.2 使用效果: 以長期使用此合成方案的三家水泥企業(yè)為例, 使用效果(見表2)
4.1.3 技術(shù)經(jīng)濟分析(見表3)
4.2 分別粉磨系統(tǒng)綠色高性能生態(tài)水泥的生產(chǎn)
4.2.1 生產(chǎn)方法(見圖3)
?、偾皳椒? 分別粉磨系統(tǒng)有的是兩臺管磨各自粉磨有的是一臺管磨, 一臺立磨, 前摻法外加劑可選擇在管磨機前A點或B點計量加入, 可選增強型, 亦可選助磨增強型。
?、诤髶椒? 在攪拌系統(tǒng)C點直接計量加入, 同時高細粉煤灰亦可在攪拌時按比例摻入。
4.2.2 使用效果: ( 見表4)
4.2.3 技術(shù)經(jīng)濟分析: ( 見表5)
4.3 高活性摻和料的生產(chǎn)
4.3.1 生產(chǎn)方法(見圖4)
烘干后礦渣( 或粉煤灰) 進行高細粉磨, 有的是管磨、有的是立磨, 兩種粉磨型式各有千秋。對管磨可采用前摻法選助磨型活化劑, 亦可選用后摻法。對立窯易選后摻法, 后摻法要保證充分攪拌均勻。
