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温度对水泥的影响
摘要
本文通过将水泥在不同温度下储存不同时间，然后测定其主要的物理性能，并且进行XRD、SEM的分析，研究水泥库中的温度和储存时间对水泥性能的影响。
通过实验可以发现，普通硅酸盐水泥P·O42.5在70~100℃的温度范围内储存不同时间（1d、3d、5d、7d）时，与常温下储存的水泥相比，其标准稠度用水量、凝结时间基本没有变化，抗压抗折强度稍有提高，通过SEM发现水泥的矿物形貌和水化后的结构没有差别，通过XRD发现水泥中主要矿物的衍射峰也基本相同，只是C3S衍射峰稍有提高。
说明当水泥库中的温度在70-100℃并且储存时间小于7d时，对水泥的性能基本是没有影响的。
关键词：
温度；时间；物理性能；水泥库
ABSTRACT
Inthispaperweresearchthecement’smainphysicalproperty,afterthecementisstoredfordifferenttimeatdifferenttemperatures.andanalysethembymeansofXRDandSEM,thenweexploretheinfluencesofstoragetimeandtemperatureforthecementincementbunker.Comparedwiththecementwhoisstoredatroomtemperature,wecanfindthatthecement’s（P·O42.5）,storedat70-100℃fordifferentdays（1d、3d、5d、7d）,thestandardconsistencywater,settingtimehasnochange,butcompressionstrengthandrupturestrengthhasincreasedslightly.WecanfindthatmineralmorphologyofcementandhydrationstructurehasnochangebymeansofSEMandthemainmineralincement’sdiffractionmaximumissamebyXRD,butC3S’sdiffractionmaximumincreases.Thisindicatestemperatures（70-100℃）andstoredtime（lessthan7d）incementbunkermakenodifferenceforcementgreatly.
Keywords：
temperature;storagetime;physicalproperty;cementbunker
1前言
1.1选题的目的和意义
水泥是现代建筑行业的中一种极其重要的无机非金属材料，水泥工业的发展对保证国家建设计划的顺利进行、人民生活水平的提高，具有十分重要的意义。
水泥从磨机出来之后，不可能直接装车，装船，或者用水泥袋子包装后出厂使用。
基本上都需要先进入水泥库中进行储存，然后才可以出库使用。
水泥库中心设有一大圆锥，库底圆锥周围的环行区被分成向库中心倾斜的六块扇形区，在每块扇形区内装有十条不同规格的充气箱，充气时水泥被送至其中两条径向布置的充气箱上，再通过圆锥体下部的出料口经充气卸料设备及卸料斜槽进入库底中央的均化仓。
每个库底圆锥体下部至均化仓共有六套卸料系统。
每套卸料系统由充气螺旋闸、气动开关阀、电动流量控制阀组成，卸料时每次由一套卸料系统卸出，六套卸料系统循环轮流卸料。
环行区内的充气箱，由一台罗茨风机向选定的卸料区供气，该区上部物料下落形成一漏斗状料流，料流下部横断面上包含有不同时间入库的料层。
当水泥从库顶达到库底时，即产生重力混合作用。
均化仓由独立的一台罗茨风机供风，当水泥进入均化仓后，又依靠连续充气搅拌得到气力均化，然后从均化仓卸出。
均化仓带有料位计，根据料位计信号或充气压力控制出库卸料系统的气动开关阀的开关。
出库卸料系统所需空气由风机供给，均化仓均化所需空气由罗茨风机供给[1-4]。
但是某些水泥厂的水泥在水泥库储存的过程中，储存不同时间的水泥与刚出磨的水泥相比，物理性能要比刚出磨的水泥下降很多，标准稠度用水量、初凝、终凝时间变长，3d、28d抗压、抗折强度下降等，严重影响了水泥的质量，对于工厂和施工单位都造成了损失，严重的还可能造成事故。
所以，需要探寻水泥库对于水泥储存的条件，保证水泥在水泥库中在较短，甚至较长时间储存后，出库使用时仍然具有较好的物理性能，保证施工顺利进行，避免事故的发生。
水泥库的好坏，直接影响到了水泥的标准稠度用水量和凝结时间，抗压与抗折强度，这些水泥的基本物理性能反映了反映了水泥质量是否符合有关技术要求，而且为施工单位决定现场施工进度提供了必要的信息。
尤其是如果对水泥的抗压抗折产生较大的影响，就可能对工程质量产生巨大的影响，极有可能造成重大事故。
我国国家标准中规定，硅酸盐水泥的初凝时间不得早于45min,终凝时间不得迟于12h,初凝时间如果过短，往往来不及施工。
如果终凝时间过长，又会妨碍工程进展，造成实际工作中的困难。
强度是水泥的一个重要指标，又是设计混凝土配合比的必要数据，由于水泥在硬化过程中，强度时逐渐增长的，常以个龄期的抗压抗折来表示水泥的强度及其增长速率。
一般3d、7d的强度称为早期强度，大于等于28d的强度称为我们称之为后期强度。
在工程施工时要求水泥的早期强度越高越好，如果不能符合强度要求，对于工程会带来很大的危害[5]。
因此，需要找到影响水泥库存的影响因素，确保水泥在储存过程中一直保持较好的物理性能，甚至是物理性能的提高。
水泥库在水泥厂的生产中，往往被看做是非常简单的部分，没有引起足够的重视。
由于水泥库没有办法进行质量的评定，也看不出运转效率，看起来研究的价值和意义不是很大，很多人认为水泥库只要可以储存和发放水泥就行了。
以至于科研人员在用户提出水泥库要具有对于水泥的质量有控制的功能时，不以为然的认为：
现代化的水泥厂如果前面生产程序控制的很好，那么水泥库就是储存水泥就可以了，不是主要的生产设备。
但是很多现代化水泥厂为水泥库的使用效果不理想而苦恼，导致水泥库中剩余上千吨水泥，使出库困难，或者水泥质量下降，造成重大质量事故（尽管很多是没有发生，但还是造成了重大损失。
而且现在比较发达的国家对现代化水泥库的提出了跟高的要求了，而我们在这方面已大大落后[6]。
水泥库储存水泥的方式容易实施，需要的财力不多，水泥厂也有能力做到。
如果我们把相关的力量集中起来，使用水泥库储存水泥，对于水泥供需之间的矛盾是一个很好的解决办法。
因此，进行水泥库储存后的性能变化研究，掌握其物化性能的变化规律，将有利于水泥的生产、水泥库储存和使用。
水泥库储存水泥。
通常认为，水泥在水泥库中储存时，如果阴雨天较多，空气湿度较大时，水泥的强度就有可能下降。
但只要水泥水化的只是一小部分，水泥还保持着粉末状态，没有形成片状和块状，水泥就可以使用。
但是，水泥库储存后的水泥使用之前，必须对各项物理性能重新进行检测，确保水泥的各项性能符合国家标准的要求[7-8]。
1.2国内外研究现状
水泥是现代建设工业中极为重要的建筑材料，建筑工业三大基本材料之一，使用广，用量大，被称为“建筑工业的粮食”。
生产水泥尽管消耗了很多的能源，但是水泥与砂、石等集料所制成的混凝土则是一种低能耗建筑材料，其单位质量的能耗只有钢材的1/6-1/5，铝合金的1/25，比红砖的能耗还低35%。
根据专家的预测，水泥和混凝土还将是21世纪的主要建筑材料，水泥的生产和研究工作仍然是十分重要的。
随着现代工业的迅猛发展，它在国民经济中所占的地位日益显著，已广泛应用于现代工业建设、国民建设、民用建设、水工建设、道路建设、农田水利建设和军事工程等方面。
在建筑施工中有了钢筋混凝土和钢结构的混合使用才有高层、超高层、大跨度等大型建筑物。
随着社会的进步及人类生存的需要，为水泥的发展提出了扩大水泥品种、扩大应用范围和储存条件的新课题和新挑战。
另外，人类的生存空间随着人口的急剧增长，迫切需要寻找一个适合人类生存的空间。
占地球表面积3/4的海洋是人类趋向扩展的生存空间，而海洋工程的建造如海洋平台、海洋工厂、海洋小区等其主要的建筑材料就是水泥，这对水泥品质提出更高的要求。
因此，水泥的发展对国家的建设和人类生存起着举足轻重的作用。
在实际生产中，一直困扰着水泥制造企业和销售商的是水泥由于在水泥库中储存导致变质的问题，这一问题的解决将会使企业降低成本、减少损失[5]。
水泥熟料和混合材，石膏等经过粉磨，进入水泥库储存。
水泥为松散物料且贮量大。
在水泥厂中，水泥库用来储存水泥通常温度较高，从水泥磨经由输送皮带或斗式提升机至水泥库的水泥入库温度约为100℃左右。
国内水泥出库温度一般控制在低于100℃，尤其在夏季和销售旺季，出库水泥温度更加难以控制，多数情况下温度高于80℃[9-11]。
水泥厂储存水泥时，主要使用混凝土圆库，尽管混凝土圆库的建造价格较高，但与钢板库相比，其使用期限较长，在其他方面优势也比较突出。
生产实践证明，如果混凝土圆库的设计比较科学、施工十分规范，在长期储存水泥的过程中，不但可以保持水泥强度不下降，有时还有利于提高水泥强度，尤其是3d抗压强度升高最为显著；相反，如果混凝土圆库不能保持良好的密闭性能，造成水泥库内部和外部空气流通，导致水泥库内水泥接触流动空气，吸收空气中水分水化后，早期强度下降明显，严重影响水泥品质。
通过研讨很多人认为，影响水泥长期贮存强度降低的主要原因是水泥库内水泥与湿空气直接接触的面积的大小和时间的长短，所以混凝土库的密闭性是保持水泥质量的关键一步。
因此，水泥厂在水泥库建造时必须从设计、施工、检测、维修等方面严格控制，确保水泥库没有裂缝，不漏水、漏气，确保出厂水泥质量符合国家标准的要求[12]。
而且，水泥库中水泥的储存条件（如温度，储存时间）有可能对于水泥的颗粒状态产生影响，而偏离了水泥原有的颗粒状态，而对水泥的性能产生影响。
水泥的颗粒状态主要包括水泥的细度、比表面积、颗粒级配和颗粒形貌等。
有关研究得知，粒度分布越宽，堆积密度越高，孔隙率越小，强度越高；粒度分布越窄，水泥的水化速率越快，抗压抗折强度增长就越快[13-17]。
北京化工大学的钟伊扬等研究了水泥的颗粒状态对水泥强度的影响，主要包括了水泥细度和比表面积对于强度的影响，如表1.1所示.与水泥颗粒级配对强度的影响如
表1.1粉磨细度、比表面积与水泥强的关系
颗粒分布/um
（ISO法）抗压强度/MPa
3d
7d
28d
<20
44.1
51.4
62.5
20~50
30.8
40.1
52.9
50~70
15.0
22.6
33.5
70~80
7.2
2.4
4.7
P·F42.5R
25.4
34.7
52.1
表1.2所示。
由表1.1可以看出，水泥80微米筛余由9.0%下降到2.3%时，比表面积由286m2/kg上升到354m2/kg时，3d和28d强度都有较大的提高，分别提高了89%和53%。
由表1.2可以看出，当水泥的粒度分布小于20um时，其3d、7d、28d的抗压强度要比20~50、50~70、70~80um时都要大的多。
当水泥的粒度分布小于20um时，相比于70~80um时大6倍[18-20]。
表1.2P·F42.5R水泥颗粒分级强度测试结果
试样代号
80um筛筛余/%
比表面积/（m2/kg）
（ISO法）抗压强度/MPa
3d
28d
A
9.0
286
16.4
38.0
B
7.4
295
20.8
39.5
C
5.1
307
24.7
46.2
D
4.0
322
27.4
53.1
E
3.1
339
29.5
55.9
F
2.3
354
31.1
58.3
河南偃师水泥厂的王信宗、常松枝等人研究了温度对于水泥凝结时间的影响，探究了水泥本体温度对于凝结时间的影响，如表1.3所示。
试验编号
水泥温度/℃
用水量/ml
下降深度
初凝
终凝
1
82
134
29.0
0:
34
0:
44
2
70
132
29.0
0:
46
0:
56
3
60
130
29.0
0:
54
1:
04
4
40
130
29.0
1:
16
1:
31
5
30
128
29.0
3:
37
4:
04
6
21
128
29.0
4:
37
6:
03
表1.3水泥温度对凝结时间的影响
由表3可以看出水泥的温度对于标准稠度用水量影响很大，水泥的温度越高，标准稠度用水量就越多，而且水泥温度越高，初凝和终凝的时间就越短，而且初凝和终凝之间的间隔时间越来越短。
水泥初凝时间的变短，对于工程的施工带来很多困难，导致来不及施工水泥就已经硬化，因此，必须控制水泥出磨时的温度[21]。
黄山学院的杨永梅、刘培培等对水泥储存过程中的变质因素进行了研究，通过对不同储存形式下的水泥，检测其标准稠度、比表面积、抗压强度、细度等主要特征，对实验结果进行了整理和分析，寻找水泥储存过程中的变质因素，并对其进行控制，保证水泥储存过程中质量的稳定性。
如表1.4、表1.5所示。
表1.4入库水泥与水泥库内储存3个月水泥物理性能比较
成型时间
抗折强度/MPa
抗压强度/MPa
1d
3d
28d
1d
3d
28d
2010.3.26
1.1
3.1
6.0
4.1
14.8
30.5
2010.6.12
1.0
2.9
6.5
4.8
15.7
31.4
由于水泥库内的水泥除最上层与水泥库中不流动空气接触，可以认为水泥是在密封环境下进行贮存的。
将入库前水泥与在水泥库内储存3个月的水泥进行初凝、终凝时间和抗压抗折强度的比较，由表1.4、表1.5可得入库前的水泥与在水泥库中储存3个月的凝结时间和抗压抗折强度等基本上没有太大的变化，说明在水泥库中的水泥储存很长一段时间之后依然可以保持较好的物理性能。
表1.5入库水泥与水泥库内储存3个月水泥物理性能的比较
成型时间
凝结时间/（h:
min）
安定性
初凝
终凝
2010.3.26
4:
47
5:
52
曲
2010.6.12
4:
53
6:
16
合格
另外，他们还研究了在相对密封条件下散装水泥储存时的物理性能变化。
他们将水泥放在密闭的铁桶中进行储存，3个月后，进行物理性能的性能的测试。
通过对比封桶前与封桶后的性能发现：
水泥封桶储存一段时间后，其抗压抗折强度基本上没有变化，有一些抗压抗折强度还有小幅度的增大。
他们认为这主要是由于水泥中的有害成分在储存过程中逐渐变少的原因。
由于铁桶是密封的，桶内的水泥不会和湿度较大的空气接触，因此，其物理性能变化很小。
他们在研究水泥在库房中储存时物理性能的变化后，他们认为，只要库房内地面干燥，没有和外界大气相通，那么库房中储存的水泥就只会和少量的干燥的空气接触，其物理性能也没有很大的变化，检测各项物理性能后，均符合国家标准的要求，可以认为对于水泥的品质的影响可以忽略不计。
他们在研究水泥在露天长期储存的情况下对于水泥物理性能的影响时，他们用单层PVC编织袋包装水泥，放置在露天的水泥平台上，在水泥上盖上篷布，研究后发现实验的结果与水泥库内储存时的效果基本相同，大部分水泥强度没有特别明显的下降。
但是长期的露天的环境下储存的水泥容易使少量的水泥结为硬块。
因此，他们得出结论，认为水泥水泥的适宜的储存条件是空气干燥，环境的温度较低，不和外界空气，尤其是湿空气接触，储存的水泥和空气尽量不接触，不可以储存太长的时间，在密封库存和袋装封存时，水泥的性能，特别是抗压、抗折强度变化不大，可以认为对水泥没有影响[22]。
神华集团神东水泥厂的刘耀、杨子林等也进行了相似的研究，得出的结论与上述结论基本一致[23]。
合肥东华建材股份有限公司的毛军辉、宋文初等研究了水泥库密闭性对水泥强度的影响。
他们对某个年120万吨水泥粉磨站进行了研究，该站共有4个Φ15m×30m混凝土水泥库，其中3个库装P·O42.5水泥。
他们发现，该水泥粉磨站从2010年投产运行5个多月以来，水泥质量一直比较正常，由于当时各种原因导致社会对水泥需求量很大，该厂每个水泥库最大储存量仅为4000t。
到2011年2月，4个水泥库全部装满水泥，从3月份开始散装水泥发放过程中多次出现水泥结块现象，清理下料口时，可以看到球状和片状的水泥块，进入5月份以后雨水开始增多，水泥结块现象变得更为严重，水泥早期强度有明显的下降。
6月份时雨水增多，出库水泥强度的下降变得更为严重，水泥在水泥库中储存时间越久，水泥的强度下降的越多。
在水泥强度开始下降时，他们从使用的水泥的熟料、石膏、石灰石、粉煤灰、矿渣粉和使用的助磨剂等物料上查找问题的来源，但是，即使生产过程中不在磨机内部喷水冷却，出厂水泥的强度仍在下降。
为了找到引起问题的原因，他们在入水泥库提升机处安装粉体自动取样器，日常生产时连续3d对入库的P·O42.5水泥取连续样，每天的样品充分混合后分成五份，一份当天成型，两份用取样袋密闭保存，另外两份敞开放置于室内，在放置3d和7d后分别成型，分析实验得到的强度结果可以看出，密封保存的样品放置3d和7d强度没有下降，部分水泥胶砂试样早期强度（1d和3d）还略有提高，这可能与水泥中f-CaO消解有关。
敞开放置在室内的水泥，放置3d后早期强度明显下降，28d强度也均有下降，但下降幅度不大，但是敞开放置7d后所有龄期强度均迅速下降。
而试验阶段这3d生产的水泥存入同一个水泥库中，7d后取样检测，发现水泥强度下降较多，可以看出生产水泥的原料不是于水泥强度的下降的因素，主要原因是水泥库库密闭性不够好，存在裂缝等，以至于下雨天或空气湿度较大时，水分直接从水泥库顶或者水泥库的侧壁进入水泥库中，由于收尘器在需要经常打开方便工人工作，导致在水泥库内形成了负压，导致大量的湿空气进入水泥库内。
刚出磨的水泥化学活性很高，水泥和水分接触时，水泥中的f-CaO、C3S等成分与进入水泥库中的水发生反应，生成Ca（OH）2，Ca（OH）2又和空气中的CO2产生反应，产生CaCO3和水，并且放出热量，水泥库中新生成的水又和高活性的水泥反应，而放出的热量会加速这种不良的反应，使水泥受潮加快，形成恶性的循环。
水泥与水接触后，水泥密度变小，一部分水泥结成了片状和块状，初凝和终凝时间变长，水泥的抗压抗折强度下降。
他们在修复水泥库的裂缝之后，将水泥库中原有的水泥排除干净，将新生产的水泥储存在库中。
然后对于出库水泥进行物理性能的测试，通过表1.6、表1.7可以明显的看出，出厂水泥的强度没有下降，证明了他们之前的判断是对的。
他们认为，影响水泥长期贮存强度降低的主要原因是水泥库内水泥与湿空气直接接触的面积的大小和时间的长短，所以混凝土库的密闭性是保持水泥质量的关键一步。
因此，水泥厂在水泥库建造时必须从设计、施工、检测、维修等方面严格控制，确保水泥库没有裂缝，不漏水、漏气，确保出厂水泥质量符合国家标准的要求[12]。
表1.67月份出磨和出厂水泥的平均强度
时间
抗折强度/MPa
抗压强度/MPa
1
3
28
1
3
28
出磨水泥
3.0
5.5
8.8
12.2
28.2
50.2
出厂水泥
2.0
4.6
8.6
7.3
21.6
46.74
表1.7水泥库修复后出磨水泥和出厂水泥强度
时间
抗折强度/MPa
抗压强度/MPa
1
3
28
1
3
28
出磨水泥
2.9
5.2
8.5
10.7
25.7
49.3
出厂水泥
2.9
5.5
9.0
10.9
26.1
49.6
水泥储存的方式和条件直接影响水泥的抗折、抗压强度的性能，通过跟踪检测结果表明，适宜水泥储存的条件是空气中含水量少、环境温度适宜、空气没有剧烈的流动、较少与空气接触、储存时间较短等，密封库存或袋装封存效果较好。
如果在这种条件下储存，其抗折和抗压强度基本均无变化，有的强度值还略有提高。
这一方面是因为水泥中的有害成分在储存过程中自然减少。
另一方面，水泥库或封桶内的水泥基本上不会和外界的含水量较大的空气接触，因此其物理性能变化很小[12]。
凯诺斯（中国）铝酸盐技术有限公司的刘春峰、孙年国研究了在水泥库环境下长期储存水泥时水泥性能的变化。
他们主要研究水泥助磨剂、水分和SO3对水泥结块及长期储存对于水泥性能的影响。
根据实验目的,他们取了水泥熟料，然后添加不同的助磨剂、石膏，配制了4组试样。
他们将各组试样配制好后,用实验室的试验磨机进行粉磨，直到所有试样都磨制到比表面积为相差不大，然后将试样分成两份，一份试样立即进行强度检验，一份试样装入自制小筒，在小筒内覆盖一层塑料膜，形成密封的环境，然后将小筒放到混凝土振动台上振动数分钟,然后将小桶盖上盖子形成密闭的环境。
他们将小筒放入80℃的烘箱内,储存3个月[24]。
3个月后，他们取出铁桶，观察铁桶中的水泥是否结块，然后测定各项物理性能。
他们发现不加助磨剂的水泥试样结块总数量较多,较大块的水泥数量也比较多,把结块的大块水泥用研钵初步研钵之后，发现仍有小颗粒存在,塑料袋破损处有挂壁现象。
添加助磨剂的水泥试样,结块时小块较多,大块比较少,结块只需要轻微振动，就可以变成细小颗粒，不需要经过用力的研磨。
通过对比试样的原始强度和储存3个月后的物理性能，他们得出结论：
水泥中加入助磨剂以后,水泥经过长期储存时,强度下降较大,但有利于减少水泥在长期储存过程中的结大块的现象；由于在水泥粉磨过程中，往往要在磨内喷水，使水泥降温，导致水泥中水分增多，,水泥经过长期放置以后强度下降的幅度较大，3d抗压强度甚至可以降低14MPa；石膏在水泥中含量的增加,可以在一定程度上提高水泥的强度,但是也会引入了少量的水分,导致水泥长期储存后的强度降低[24]。
因此，他们认为，为了保持水泥在水泥库中长期储存时其物理性能可以保持在较好的水平，在水泥的生产、储存和使用过程中应当注意下面事项：
由于出磨水泥在水泥库内储存达到3个月之久时，其强度下降了一半左右,水泥中含有的的水分越大，强度下降越多。
因此,出磨水泥的水分必须保持在0.70%以下,出磨水泥在水泥库中储存的时间要小于1个月。
如果水泥需要在水泥库中长期储存,则石膏添加量不宜过多,否则会使出磨水泥水分增加，因此可以用天然硬石膏部分替代二水石膏[24]。
对于出磨水泥在水泥库中储存时变质因素的研究还是比较少的，现在的研究主要集中在了水泥库的密封性导致的外界空气进入引起的强度等的下降、水泥的粒度变粗、水泥在出磨时温度过高和水泥的成分在库中存在变化等方面，但是工厂和研究单位对此还没有投入足够的人力和财力进行研究，这需要社会各方面的努力，解决好水泥生产中的最后一个环节。
1.3本课题主要研究内容
本课题通过模拟水泥在水泥库中的温度和储存时间，对不同温度和储存时间下的水泥进行物理性能的检测，研究水泥库中的温度和储存时间对于水泥物理性能的影响，确定实验方案。
确定研究方案如下：
（1）测定不同温度下储存
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