摘要:
??? 本文研究了MgO在含氟硫高鐵硅酸鹽水泥中的分布及對水泥壓蒸安定性的影響。結(jié)果表明,隨著IM降低：(1)fMgO大幅度減少,固溶的MgO增多；(2)MgO主要固溶于中間相和玻璃體中；(3)方鎂石晶體尺寸有減少的趨勢；(4)水泥壓蒸膨脹大幅度下降。IM=0.70時,MgO高達6.85%的水泥壓蒸膨脹僅0.67%。?
一、引言
眾所周知,MgO在硅酸鹽水泥熟料中一部分固溶,另一部分則以方鎂石存在。在常溫下,方鎂石要在水泥石硬化后才開始水化。如果水泥中方鎂石含量高,由于它的水化產(chǎn)生的體積膨脹可使水泥混凝土破壞。因此世界各國水泥標準中都規(guī)定了熟料中MgO含量不得超過3～5%。這樣就使得一些含Mgo高的原料無法使用而廢棄,造成資源浪費；而一些缺乏低Mgo原料的地區(qū)則要舍近求遠到其它地區(qū)運原料,使水泥成本提高。
如何解決方鎂石對水泥石的破壞問題,一直是水泥科學工作者著力研究的課題之一。S.S.Rehsi綜合世界的研究成果,歸納出五條基本技術(shù)途徑。通過調(diào)整生料組成來克服高鎂水泥中MgO引起的不安定性是最簡便最有效的途徑之一。
Nikforov等發(fā)現(xiàn)在生料中加入CaF2或Na2SiF6,熟料中MgO高達6%也可能滿足壓蒸實驗要求。Schmitt-Henco發(fā)現(xiàn)高鎂水泥中,水泥壓蒸膨脹隨熟料中SO3含量增加而顯著降低。吳亞文使用CaF2和SO3復合礦化劑在實驗室燒制出MgO含量達6.76%而安定性合格的水泥。童大懋和馬德君卻得出不同的結(jié)果：加氟硫復合礦化劑低溫煅燒的高鎂水泥的壓蒸膨脹大于正常煅燒的(不加F-、SO3)水泥,并指出SO3可使MgO固溶量減少。
Dubuisson發(fā)現(xiàn)采用鐵水泥組成時,可以生產(chǎn)MgO含量高達35.7%的安定性正常的水泥,并聲稱當Fe2O3含量足以保證C3A完全轉(zhuǎn)變?yōu)镃4AF時,則MgO可以從20%提高到80%。然而Bogue認為Dubuisson的研究結(jié)果是矛盾的。Rehsi和Majumdar認為隨著熟料組成中Fe2O3含量的增加,未化合的MgO減少,因此高鎂熟料中要用較高的Fe2O3含量,但四個礦物的范圍和比例一般處于普通波特蘭水泥的范圍內(nèi)。
綜上所述,通過調(diào)整生料組成來解決高含量MgO引起的水泥不安定問題確有很好的效果,但有不同的觀點和結(jié)果,還有待更多的研究工作充實。本文從生產(chǎn)實際出發(fā),研究了摻氟硫復合礦化劑的高鐵熟料中鐵含量(或鋁氧率IM)對MgO在熟料中的存在形態(tài)(分布)和壓蒸安定性的影響。發(fā)現(xiàn)含氟硫熟料中,降低IM值可使MgO固溶量增加,方鎂石晶體也有減小的趨勢,水泥壓蒸膨脹也大幅度減小。這個問題的研究有實際意義。目前國內(nèi)已有許多水泥廠采用高鐵方案生產(chǎn)道路水泥。筆者在幾家立窯水泥廠采用含F(xiàn)-、SO3高鐵(IM≤1.0)配料方案研制出早強高鐵水泥、早強火山灰高鐵水泥和道路水泥等品種,水泥一天強度可達15～20兆帕,三天可達30～35兆帕,水泥產(chǎn)、質(zhì)量提高,消耗下降,市場競爭力強,收到很好的經(jīng)濟效益。
二、高鎂熟料制備
試驗用石灰石、粘土、鐵粉均為工業(yè)原料,化學組成見表1。CaF2和CaSO4·2H2O、MgO采用化學純試劑。
配制了三組試樣,KH值(不考慮MgO的影響)定為0.980(±0.002),變動IM(SM隨之而變),固定MgO含量為(6.87±0.02)%。三組樣CaF2和SO3摻量和氟硫比相同。所得熟料的化學組成見表2。
配好的生料充分混勻,壓成25×10毫米圓餅,然后在電爐中經(jīng)1350℃煅燒2小時出爐,在空氣中急冷制得熟料。為試驗燒成溫度的影響,另取一份2號樣在1280℃煅燒2小時,同樣在空氣中急冷。
三、熟料分析與檢驗
1.fCaO測定及熟料礦物計算
用甘油乙醇法測定熟料中fCaO含量,并計算熟料的礦物組成,結(jié)果見表3。
2.XRD分析
XRD圖譜反映出各組熟料的礦物組成基本相同,主要礦物為C3S(3.033,2.776,2.609,2.186)和C4AF(2.654,2.77,1.921,7.340)。方鎂石(2.105,1.490)明顯可見。
3.巖相分析和電子探針分析
用反光顯微鏡對三種熟料進行了觀察(圖略)。用JCXA—733電子探針微區(qū)x射線分析儀對2、3號樣進行面掃描分析(掃描照片圖略)。
從巖相和面掃描照片看,各組樣的方鎂石晶體最大的不超過10微米,一般都在2～5微米之間。隨著IM降低,方鎂石最大晶體尺寸似有降低的趨勢。如2號樣方鎂石最大晶體尺寸約10微米,而3號樣最大約8微米。
4.MgO化學分析,為了研究MgO在熟料各相中的分布,采用“水泥化學分析”中介紹的方法進行化學分析,結(jié)果列于表4。中間相中MgO含量由MgO總量減去游離MgO、硅酸鈣中MgO和玻璃相中MgO而得。
四、壓蒸安定性試驗
按GB750—65規(guī)定的方法試驗。熟料加2%化學純CaSO4·2H2O,共同粉磨至全通過180目篩。試體尺寸1×1×6厘米,成型水灰比0.26。試驗結(jié)果見表5。
五、分析與討論
以上試驗結(jié)果顯示,含氟硫的高鎂水泥壓蒸膨脹隨鋁氧率IM降低而減小。IM=0.70時,MgO高達6.85%的熟料壓蒸膨脹0.67%。
含氟硫高鐵水泥改善MgO引起的體積安定性不良的原因,主要是隨著鋁氧率降低,固溶的MgO增加,游離MgO減少。表6是根據(jù)表4換算的各種形態(tài)MgO占總MgO的百分比。
鋁氧率由1.18降至0.70,熟
料中游離MgO的比例由57.0%降至20.1%。而固溶的MgO主要是固溶在玻璃體和中間相中,固溶在硅酸鹽中的MgO則相對較少。為什么隨著IM降低游離MgO大幅度減少呢?由表3可見,1、2、3號樣兩個溶劑礦物的總量相差不超過3%。因此游離MgO隨IM降低而大幅度減少不是由于液相量的增加,我們認為是由于高溫液相粘度降低的作用。在較低的粘度條件下,Mg2+易于在液相中擴散而固溶于熟料各相中。
從巖相和電子探針面掃描分析看到,隨M降低,熟料中最大方鎂石晶體尺寸有降低趨勢。方鎂石晶體減小,分布趨于分散,可以避免因局部MgO水化膨脹應力過大而造成安定性不良。但這一因素影響是次要的。
熟料煅燒溫度對方鎂石的分布和水泥安定性的影響通過對比2號和2*號試樣的結(jié)果可見一斑。從表6數(shù)據(jù)看到,2號(1280℃燒成)游離MgO比2號(1350℃)高17.4%。煅燒溫度低,Mg+擴散速度慢,因而在相同的煅燒時間內(nèi)固溶量就小。
六、結(jié)論
1.含氟硫高鐵硅酸鹽水泥熟料中的MgO,隨IM降低,固溶的MgO增多,游離MgO減少,水泥壓蒸膨脹也隨之大幅度降低。
2.MgO主要固溶于中間相和玻璃體中,且隨IM降低,在這兩相中MgO固溶量增加幅度比在硅酸鹽中的大。
3.采用摻氟硫高鐵配料方案生產(chǎn)壓蒸安定性合格的高鎂水泥是可行的。建議IM=0.7～0.9。適當提高煅燒溫度(〈1350℃)可減少游離MgO含量。
