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粉煤灰水泥研磨熟料分析强度生料分析

1引言

1.1粉煤灰硅酸盐水泥

粉煤灰水泥，全称粉煤灰硅酸盐水泥。

粉煤灰水泥的生产与普通水泥基本相同。

粉煤灰的掺加量，通常与水泥熟料的质量、粉煤灰的活性和要求生产的水泥标号等因素有关，主要由强度试验结果决定。

粉煤灰的早期活性很低，因此，粉煤灰水泥的强度（尤其是早期强度）随粉煤灰的掺加量增加而下降。

适当提高粉煤灰水泥的粉磨细度、增加水泥中的二水石膏掺量或掺加一些早强激发剂等，均能使粉煤灰水泥的早期强度的到一定程度的提高。

粉煤灰水泥的粉磨工艺，可以采用水泥熟料、粉煤灰、石膏共同粉磨的方法，也可以采用熟料和石膏、粉煤灰分别粉磨后再行混合的方法。

由于粉煤灰已是细粉状物料，对熟料有助磨作用，使水泥在磨内的停留时间缩短，从而使水泥熟料的细颗粒减少，影响水泥的强度。

粉煤灰水泥的水化和硬化过程，与火山灰水泥的水化硬化过程极为相似，主要是熟料的水化反应，以及粉煤灰与Ca（OH）2之间相互交错的两级反应。

即，硅酸盐水泥熟料水化生成的C-S-H和Ca（OH）2，被吸附在粉煤灰颗粒的表面，由于粉煤灰中高度分散的活性氧化物吸收Ca（OH）2，进而相互反应而形成以水化硅酸钙为主体的水化产物，水化硅酸钙凝胶和水化铝酸钙凝胶，这就是所谓的Ca（OH）2和粉煤灰进行的二次反应（也可称为火山灰反应）。

　　在粉煤灰颗粒表面上产生的大量的水化物结晶体，它们相互交叉连接，形成了很高的粘结强度，以致在劈裂时，即使粉煤灰颗粒被劈开，但粘结区还能保持完好，因而能达到相当高的力学强度。

　　此外，在粉煤灰水泥中除了火山灰反应以外，还有同其它矿物细粉一样的作用，那就是也可以进入水泥颗粒构成的絮凝结构中，使水化物析出的有效空间增大，从而加速了水泥的水化，这也叫做“微分效应”。

1.2粉煤灰

粉煤灰是发电厂燃烧煤粉时得到的一种灰渣，也称飞灰属于火山灰质混合材。

由于目前世界上的粉煤灰产量很大，约达到数十亿吨，而利用率还不够高，所以它是一种令人日益关心的工业副产品。

特别是当电厂可使用的油、气燃料日益减少时，粉煤灰的产量还会增加。

从本身品质上看，粉煤灰内含硅、铝、钙、镁、铁等金属及非金属氧化物，属于再生的矿物资源，是一种有用的矿物原料。

在工农业部门，包括水泥工业开发利用粉煤灰，不仅是必要的，也是可能的。

国内外经验证明，在水泥工业中应用粉煤灰，既能带来利用废料、消除污染、保护环境等社会效益，又给水泥工业自身创造明显的经济和质量效益。

粉煤灰的化学成分，由于各地所用煤质不同，以及锅炉型式、燃烧状况、收尘方式等因素，使各地、各厂粉煤灰的成分波动范围较大。

煤粉在燃烧时，由于炉温高，一般为1400℃～1500℃，燃烧后在烟气中冷却快，在粉煤灰的矿物相中，大部分为玻璃体，一部分为莫来石和石英，还有微量的赤铁矿、磁铁矿、方解石、类刚玉和金红石等结晶矿物。

粉煤灰的颗粒细度与煤质、煤粉细度、燃烧制度、吸尘、排放等有关各厂波动幅度甚大。

如以0.080毫米筛余量计，细者筛余量为≤1%，而粗者，筛余量可达40%以上。

粉煤灰在水泥工业中的用途有两大类。

一是作为水泥原料配料，二是用作水泥混合材料。

作为水泥原料配料即用粉煤灰黏土配料，代替或部分代替黏土原料。

常见粉煤灰与水泥厂常用黏土的成分相比较，有一定近似性。

一般说，粉煤灰中的铝、铁含量偏高，而含硅量偏低。

通过配料计算和辅助原料的掺配，可满足熟料烧成的要求。

粉煤灰中的烧失量（未燃尽炭）、尚能强化烧成，降低煤耗，节约能源。

在回转窑干法或湿法生产中，可直接通过配料计算，确定粉煤灰掺量。

在立窑生产中，由于粉煤灰的颗粒一般较粗，采用其粉配料时，除通过计算、试烧外，还需测试其成球性能。

必要时可辅以部分塑性黏土（如河泥、淤泥、黏性土等）或采用较细粉煤灰。

粉煤灰是一种火山灰质材料，即具有能与石灰反应形成水化硅酸盐的性能。

在水泥中，粉煤灰能参与水泥的水化、硬化。

在水泥生产中利用粉煤灰作为混合材料的历史较久，并早已纳入国标GBl75和GBl344两大标准中。

目前不少水泥厂由于缺乏混合材资源，矿渣供应不足，较广泛地使用粉煤灰作为混合材。

其中烧失量和抗压强度比是粉煤灰的主要技术指标。

烧失量过大，会恶化水泥的使用性能（需水量增大）和耐久性。

抗压强度比（又称强度活性）则是粉煤灰火山活性的表现，直接影响粉煤灰作为水泥混合材的效果。

用作水泥混合材的粉煤灰，尚有一种称为液态渣的特殊品种，它是煤粉在液态，炉（炉温达1600摄氏度以上）中燃烧成液态，排出炉外时经水碎成粒。

液态由于炉温高，冷却快，活性强，是一种理想的火山灰质混合材料。

粉煤灰在水泥工业中的利用技术已较成熟。

各方面有关政策规定也比较完整、配套。

各地、各厂可结合粉煤灰来源、品质和供应条件，从环境保护、产品开发和企业经济利益出发，大力开拓粉煤灰在水泥生产过程中的应用，粉煤灰在水泥工业中的应用前景将会更加光明。

1.3粉煤灰水泥经济社会效益与发展

1、节省燃料

一方面由于粉煤灰的产生过程就相当于一个熟化过程，当用它代替粘土组分时就省掉粘土用于熟料消耗的能量；

另一方面由于粉煤灰中尚含有一定数量未燃烧的碳粒，在某些粉煤灰水泥生产中得到应用。

因此，在粉煤灰水泥生产的配料中可以减少加入煤量。

2、增加产量，降低电能

粉磨普通硅酸盐水泥时，掺加粉煤灰作混合材料，能起一定的助磨作用，使磨机产量有所提高，单位电耗降低。

3、降低产品成本，改善水泥某些性能

粉煤灰比生产传统水泥的原材料易得，廉价，能降低产品成本；

4、保护环境，变废为宝

像我们这样一个燃煤大国，能使粉煤灰资源得到很好的再生利用，对避免生态环境恶化，实行可持续发展，造福子孙后代具有中重要意义

根据可持续发展理念，近年来我国对水泥行业提出了节能减排的要求，这需要通过有效措施减少水泥生产中的能源和资源消耗量。

相应途径之一就是减少水泥中熟料的掺量，引入粉煤灰、粒化高炉矿渣等工业固体废弃物加以补充。

目前，国内厂家生产复合硅酸盐水泥时多采用熟料、高炉矿渣、粉煤灰等共同粉磨的工艺。

粉煤灰水泥为国内主要水泥品种之一。

我国从五十年代就开始了粉煤灰生产水泥的研究，并取得一定成果。

上世纪90年代初国内就建成了粉煤灰水泥生产线。

2007年11月9日颁布实施的国内新的粉煤灰水泥标准《通用硅酸盐水泥》GB175-2007，使粉煤灰水泥技术标准和国际接轨。

我国粉煤灰水泥的生产与发到国家相比还有较大差距，要从根本上解决这一问题，关键是要以创新的意识和技术来促进粉煤灰的综合利用工作，重视新产品的开发和转化，加大科研投入，研制出技术含量高、市场前景好的产品。

1.4粉煤灰水泥应注意的问题

应该注意的是用粉煤灰做混合材料时，其质量需达到GBl596—881、Ⅱ级灰的要求。

根据粉煤灰的掺量，可生产普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥（粉煤灰掺量≤15%）和粉煤灰水泥（粉煤灰掺量20%～40%）。

由于粉煤灰掺量增加，粉煤灰水泥与普通硅酸盐水泥性能有所不同，主要是早期强度有所降低。

在生产中对粉煤灰的均匀性要求严格。

用60%～70%粉煤灰、25%～30%水泥熟料及少量石膏进行研磨，可生产低标号水泥，称为砌筑水泥。

这种水泥用灰量大，生产成本低，市场容量大，是很有开发前途的利废产品。

粉煤灰水泥混凝土泌水较快，容易引起失水裂缝。

施工过程中，要适当增加抹面次数，在硬化早期宜加强养护，以保证粉煤灰水泥混凝土强度的正常发展。

不宜用于有抗渗要求的混凝土工程，也不宜用于干燥环境中的混凝土工程及有耐磨性要求的混凝土工程。

燥环境中的混凝土不宜选用粉煤灰硅酸盐水泥的主要原因是因为粉煤灰硅酸盐水泥在干燥环境中水泥水化时间较短，而粉煤灰水化时间较长。

如果在干燥环境中使用，会造成砼主体失水严重，造成后期强度增长过慢。

水泥在运输和存放过程中不能受潮和淋雨。

熟料的易磨性差，而粉煤灰又是细度非常好粉体，生产水泥时，粉煤灰与熟料及其他混合材矿物共同混磨，严重影响熟料和其他矿物的细化。

2实验过程

2.1原材料准备及化学分析

2.1.1原料的制备

1、石灰石样品的制备过程

1）从石灰石堆场上取其具有代表性的试样50kg左右，然后经颚式破碎机进行破碎，至粒度为5～10mm，然后采用四分法缩至5kg，然后将其倒入球磨机中进行研磨，50min后当其细度达到4%左右时，将试样从磨机中取出，在用四分法将样品缩至200g（其余的试样可作为配制生料的石灰石原料），用磁铁吸出其中的铁粉。

将样品于玛瑙研钵中进行细磨，再缩分至5g，用玛瑙研钵研磨至全部通过0.08mm的方孔筛，将其放入称量瓶中于烘箱烘干，置于干燥器中作分析用。

2）附着水分

准确称取1～2g试样，放入预先已烘干至恒量的称量瓶中，置于105～110℃的烘箱中（称量瓶在烘箱中应敞开盖）烘2h。

取出，加盖（但不应盖得太紧），放在干燥器中冷至室温，将称量瓶紧密盖紧，称量。

如此再入烘箱中烘1h。

用同样方法冷却、称量，至达恒重为止。

试样中附着水分的质量分数按下式计算：

式中

-----附着水分，%；

m-----烘干前试样的质量，g；

m1----烘干后试样的质量，g。

烘干前试样的质量=1.3934g；

烘干后试样的质量=1.3823g；

附着水分=0.8%。

3）烧失量

准确称取约1g已在105～110℃烘干过的试样，放入已灼烧至恒量的瓷坩埚中。

置于高温炉中，从低温升起，在950～1000℃的高温下灼烧30min。

取出，置于干燥器中冷却，称量。

如此反复灼烧，直至恒重。

试样中烧失量的质量百分数按下式计算:

-----烧失量，%；

m-----灼烧前试样的质量，g；

m1-----灼烧后试样的质量，g。

灼烧前试样的质量=0.9980g；

灼烧后试样的质量=0.6662g；

烧失量=33.25%。

2、铝矾土样品的制备过程

1）取铝矾土试样15kg，置于烘箱中烘干，然后经颚式破碎机进行破碎至粒度为5～10mm，将其倒入球磨机中进行研磨，30min后当其细度达到4%左右时，将试样从磨机中取出，在用四分法将样品缩至200g（其余的试样可作为配制生料的粘土原料），余下的操作过程同石灰石。

2）附着水分测量方法同石灰石

烘干前试样的质量=1.3336g；

烘干后试样的质量=1.3202g；

附着水分=1.01%。

3）烧失量测量方法同石灰石

灼烧前试样的质量=0.9903g；

灼烧后试样的质量=0.8920g；

烧失量=9.93%。

3、钢渣样品的制备过程基本上同铝矾土或石灰石。

1）附着水分测量方法同石灰石

烘干前试样的质量=1.5120g；

烘干后试样的质量=1.5096g；

附着水分=0.16%。

2）烧失量测量方法同石灰石

灼烧前试样的质量=1.0275g；

灼烧后试样的质量=1.0137g；

烧失量=1.34%。

4、砂岩样品的制备过程基本上同铝矾土或石灰石。

烘干前试样的质量=1.6620g；

烘干后试样的质量=1.6448g；

附着水分=1.04%。

灼烧前试样的质量=0.9884g；

灼烧后试样的质量=0.9536g；

烧失量=3.52%。

2.1.2石灰石的化学分析

石灰石是水泥生产的主要原料之一，其主要成分为碳酸钙。

石灰石由于经常含有不同的杂质而成白色、淡黄色或褐色。

常见的杂质有硅石、粘土、碳酸镁、氧化铁等。

用于水泥原料的石灰石，其成分一般介于以下范围：

SiO2-----0.2%-10%CaO-----45%-53%

Al2O3-----0.2%-2.5%MgO-----0.1%-2.5%

Fe2O3-----0.1%-2%烧失量-----36%-43%

1、二氧化硅（氟硅酸钾容量法）

碳酸钾熔融分解试样。

1）试剂

酸、硝酸（1+20）、氯化钾、氯化钾溶液（50g/L）、氟化钾溶液（150g/L）、

氯化钾-乙醇溶液（50g/L）、酚酞指示剂溶液（10g/L）、氢氧化钠标准滴定溶液（0.05mol/L）。

2）试验步骤

准确称取约0.5g已在105～110℃烘干过的试样，置于铂坩埚中，在950～1000度的温度下灼烧3～5min。

将坩埚放冷，加1～1.5g研细的无水碳酸钾，用细玻璃棒混匀，盖上坩埚盖，再于950～1000℃的温度下熔融10min。

放冷后，用少量热水将熔融物析出，倒入300mL塑料杯中，坩埚以少量稀硝酸（1+20）和水洗净。

加入10mL的150g/L氟化钾溶液，盖上表面皿，从杯口一次加入15mL硝酸，以少量水冲洗表面皿及杯壁。

冷却后，加入固体氯化钾，搅拌并压碎未溶颗粒，直至饱和，冷却并静置15min。

以快速滤纸过滤，塑料杯与沉淀用50g/L氯化钾溶液洗涤2-3次，将滤纸连同沉淀一起置于原塑料杯中，沿杯壁加入10mL的50g/L氯化钾-乙醇溶液及1mL的10g/L酚酞指示剂溶液，用0.05mol/L氢氧化钠标准溶液中和未洗尽的酸仔细搅动滤纸并随之擦洗杯壁，直至溶液呈红色。

然后加入200mL沸水，以0.05mol/L氢氧化钠标准溶液滴至微红。

试样中二氧化硅的质量百分数按下式计算：

式中

---每毫升氢氧化钠标准滴定溶液相当于二氧化硅的质量，mg/mL；

V---滴定时消耗氢氧化钠标准滴定溶液的体积，mL；

m---试样质量，g。

2、EDTA配位滴定铁、铝、钙、镁试样溶液的制备（氢氧化钠熔融分析试样）

氢氧化钠、盐酸、盐酸（1+5）、硝酸。

2）分析步骤

准确称取0.5g已在105～110℃烘干过的试样，置于预先已熔有3g氢氧化钠的银坩埚中，再用1g氢氧化钠覆盖在上面。

盖上坩埚盖，置于600～650℃的高温炉中熔融20min。

取出坩埚，冷却后，将坩埚连同熔融物一起放入预先已盛有约100mL热水的300mL烧杯中。

摇动烧杯，使熔块溶解。

用玻璃棒将坩埚取出，并用少量水和盐酸（1+5）将其洗净，洗液并入烧杯中。

然后一次加入15mL盐酸，搅拌，使熔融物完全溶解，加入数滴硝酸，加热至沸，将溶液冷至室温后，移入250mL容量瓶中，水稀释至标线，摇匀待用。

3、三氧化二铁（EDTA-配位滴定法）

氨水（1+1）、磺基水杨酸钠指示剂溶液（100g/L）、EDTA标准滴定溶液（0.015mol/L）。

吸取100mL上述制备好的溶液试样，放入300mL烧杯中，用氨水（1+1）调整溶液的pH值至2.0.将溶液加热至70℃左右，加10滴100g/L磺基水杨酸钠指示剂溶液，在不断搅拌下用0.015mol/L的EDTA标准滴定溶液缓慢滴定至亮黄色（终点时溶液温度应在60℃左右）。

试样中三氧化二铁的质量百分数按下式计算：

-----每毫升EDTA标准滴定溶液相当于三氧化二铁的质量，mg/mL；

V-----滴定时消耗EDTA标准滴定溶液的体积，mL；

2.5-----全部试样溶液与所分取试样溶液的体积比；

m-----试样的质量，g。

4、三氧化二铝（EDTA-铜盐回滴定法）

1）试剂

EDTA标准滴定溶液（0.015mol/L）、乙酸-乙酸钠缓冲溶液（pH4.0）、PAN指示剂溶液（2g/L）、硫酸铜标准滴定溶液（0.015mol/L）。

在上述滴定铁后的溶液中，加入10～15mL0.015mol/L的EDTA标准滴定溶液（其体积记为V1），然后加水稀释至约200mL。

将溶液加热至70～80℃后，加15mL乙酸-乙酸钠缓冲溶液（pH4.3），煮沸1～2min。

取下，稍冷，加5～6滴2g/L的PAN指示剂溶液，以0.015mol/L硫酸铜标准滴定溶液滴定至亮紫色（其体积记为V2）.

试样中三氧化二铝的质量百分数按下式计算：

-----每毫升EDTA标准滴定溶液相当于三氧化二铝的质量，mg/mL；

V1-----加入EDTA标准滴定溶液的体积，mL；

V2-----滴定时消耗硫酸铜标准滴定溶液的体积，mL；

K-----每毫升硫酸铜标准滴定溶液相当于EDTA标准滴定溶液的体积，mL；

2.5-----全部试样溶液与所分取试样溶液的体积比；

5、氧化钙（EDTA-配位滴定法）

1）测定原理

Ca2+与EDTA在pH8～13时能定量络合形成无色内络合物CaY2-络合物，络合物的稳定常数为KCaY=1010.69。

由于络合物不很稳定，故以EDTA滴定钙只能在碱性溶液中进行。

在pH8～9滴定时易受Mg2+干扰，所以一般在pH>

12.5进行滴定。

由于Ca2+的络合物指示剂很多，在水泥化学分析中，应用最普遍的有钙指示剂（NN）、甲基百里香酚蓝（MTB）以及钙黄绿素等。

2）测定所用试剂

三乙醇胺（1+2）、CMP混合指示剂、氢氧化钾溶液（200g/L）、EDTA标准滴定溶液（0.015mol/L）。

3）测定步骤

吸取25mL上述制备好的试样溶液，放入400mL烧杯中。

用水稀释至约250mL，加入3mL三乙醇胺（1+2）及适量的CMP混合指示剂，在搅拌下加入200g/L氢氧化钾溶液至出现绿色荧光后再过量3～5mL（此时溶液的pH值应在13以上）。

用0.015mol/L的EDTA标准滴定溶液滴定至绿色荧光消失并转变为粉红色（耗量为V1）。

试样中氧化钙的质量百分数按下式计算：

-----每毫升EDTA标准滴定溶液相当于氧化钙的质量，mg/mL；

V1-----滴定时消耗EDTA标准滴定溶液的体积，mL；

10-----全部试样溶液与所分取试样溶液的体积比；

6、氧化镁（EDTA-配位滴定法）

用络合滴定测定镁，目前广为采用差减法，即在一份溶液中于pH10用EDTA滴定钙、镁合量，而在另一份溶液中于pH>

12.5用EDTA滴定钙，镁的含量是从钙、镁合量中减去钙后而求得的。

2）滴定所用的试剂

三乙醇胺（1+2）、氨-氯化铵缓冲溶液（pH10）、酸性铬蓝K-萘酚绿B（1+2.5）混合指示剂、EDTA标准滴定溶液（0.015mol/L）。

用水稀释至约250mL，加入3mL三乙醇胺（1+2），搅拌，然后加入20mL氨-氯化铵缓冲溶液（pH10）及适量的酸性铬蓝K-萘酚绿B（1+2.5）混合指示剂，用0.015mol/L的EDTA标准滴定溶液滴定至溶液呈纯蓝色（耗量V2）。

此为滴定钙、镁合量。

试样中氧化镁的质量百分数按下式计算：

-----每毫升EDTA标准滴定溶液相当于氧化镁的质量，mg/mL；

V1-----滴定钙时消耗EDTA标准滴定溶液的体积，mL；

V2-----滴定钙、镁合量时消耗EDTA标准滴定溶液的体积，mL；

2.1.3铝矾土的化学分析

1、试样溶液的制备（氢氧化钠熔融分解试样）

1）、制备试剂

氢氧化钠、盐酸、盐酸（1+5）、硝酸

2）、制备方法

准确称取约0.5g已在105～110℃烘过2h的试样置于银坩埚中，加入7～8g氢氧化钠，盖上坩埚盖（应预留一定缝隙）。

放入已升温至400℃的高温炉中，继续升温至650～700℃后，保温20min（中间可摇动熔融物一次）。

取出坩埚，冷却后，放入盛有100mL的热水烧杯中，盖上表面皿，适当加热，待熔融物完全浸出后取出坩埚，用热水和盐酸（1+5）洗净坩埚和盖，洗液并入烧杯中。

然后一次加入25mL盐酸，立即用玻璃棒搅拌，加入数滴硝酸，加热煮沸，将所得澄清溶液冷却至室温后，移入250mL容量瓶中，用水稀释至标线，摇匀。

2、二氧化硅（氟硅酸钾容量法）

1）、测定基本原理

氟硅酸钾容量法测定二氧化硅是依据硅酸在过量的氟离子和钾离子存在下的强酸性溶液中，能与氟离子作用形成氟硅酸离子[SiF6]2-，并进而与钾离子作用生成氟硅酸钾（K2SiF6）沉淀。

该沉淀在热水中溶解并生成当量的氢氟酸，因而可用氢氧化钠溶液进行滴定，借以求得样品中的二氧化硅含量。

2）、测定所用试剂

硝酸、氟化钾溶液（150g/L）、氯化钾、氯化钾溶液（50g/L）、氯化钾—乙醇溶液（50g/L）、酚酞指示剂溶液（10g/L），氢氧化钠标准滴定溶液（0.15mol/L）。

3）、测定步骤

吸取50mL上述制备号的试样溶液，放入300mL塑料杯中，加入10mL硝酸，冷却片刻。

然后加入10mL的150g/L氟化钾溶液，搅拌，再加入氯化钾，搅拌并压碎不溶颗粒，直至饱和。

冷却，并静置15min。

用快速滤纸过滤，塑料杯与沉淀用50g/L氯化钾溶液洗涤2～3次。

将滤纸连同沉淀至于原塑料烧杯中，沿杯壁加入10mL的50g/L氯化钾—乙醇溶液及1mL的10g/L酚酞指示剂溶液，用0.15mol/L氢氧化钾中和未洗净的酸，仔细搅动滤纸并随之擦洗杯壁，直至酚酞变红（不记读数）。

然后加入200mL沸水（沸水应预先用氢氧化钠中和至酚酞呈微红色），以0.15mol/L氢氧化钠标准滴定溶液滴定至微红色（记下读数）。

试样中二氧化硅的百分含量按下式计算：

式中TSiO2-----每毫升氢氧化钠标准滴定溶液相当于二氧化硅的质量，mg/mL；

V-----滴定时消耗氢氧化钠标准滴定溶液的体积，mL；

5-----全部试样溶液与所吸取试样溶液的体积比；

m-----试样的质量，g。

3、三氧化二铁（EDTA—配位滴定法）

用EDTA滴定Fe3+，一般以磺基水杨酸或其钠盐为指示剂，在溶液酸度为pH1.5～2,温度为60～70℃的条件下，磺基水杨酸与Fe3+络合成紫红色的配合物，能为EDTA所取代。

吸取50mL上述制备试样溶液，放入300mL烧杯中。

加水稀释至100mL，用氨水（1+1）调整溶液的pH值至1.8～2.0（以精密pH试纸检验）。

将溶液加热至7