水泥质量控制基础知识

第二期质量培训材料之一

水泥质量控制基础知识

一、硅酸盐水泥熟料的矿物组成

硅酸盐水泥熟料中的主要矿物有以下四种：C3S、C2S、C3A、C4AF，另外还有少量的f-CaO、方镁石、含碱矿物、玻璃体。通常，熟料中C3S+C2S含量75%左右，C3A+C4AF含量22%左右。

1、C3S含量通常占熟料的50%以上，其特点：水化较快，早期强度高，强度增进就率大，干缩性、抗冻性较好，但水化热较高，抗水性差，抗硫酸盐浸蚀能力较差。C3S形成需要较高的烧成温度和较长的烧成时间，含量过高，烧成困难，易导致f-CaO增多，熟料质量下降。

2、C2S含量通常分熟料的20%左右，其特点：水化较慢，早期强度低，水化热低，体积干缩小，抗水性和抗硫盐日浸蚀能力好，后期强度增进快。

3、C3A

C3A水化速度、凝结硬化很快，放热多，硬化快，早期强度较高，但绝对值不高，后期几乎不再增长，甚至倒缩，C3A干缩变形大，抗硫酸盐性能差，脆性大，耐磨性差。

4、C4AF

C4AF水化速度早期介于C3A与C3S之间，早期强度类似于C3A但后期还能不断增长，水化热低，干缩变形小，耐磨、抗冲击、抗硫酸盐浸蚀能力强。

5、f-CaO、MgO

f-CaO在高温下死烧形成，水化很慢，一般加水3天后才反应有尽有，反应体积膨胀97.9%产生应力，造成水泥石破坏。

MgO少量可与熟料矿物固溶，对降低烧成温度、增加液相数量，改善

熟料色泽有好处，但超过一定量后，未固溶部分水化很慢，要几个月甚至几年才与水反应，生产Mg（OH）2，体积膨胀148%，导致水泥安定性不良。

二、水泥生产质量控制

水泥制成的控制项目，一般有水泥的细度、三氧化硫、烧失量、物料的配合比（混合材料、石膏的掺加量）、凝结时间、安定性、强度等。

（一）控制项目

1.入磨物料的配比：

目前生产的水泥品种中除硅酸盐水泥外，其余各种水泥均由硅酸盐水泥熟料、石膏和混合材料组成，它们之间的配比关系着生产水泥的品种、标号和物理性能。水泥生产中，入磨物料的配比一般是根据物料的性能（包括熟料的化学成份、强度，混合材料的活性，石膏的性质及成份）和它们在水泥水化、硬化过程中对强度的影响，以及计划生产的品种、标号，水泥的其它特殊物理性能而确定的。在实际生产过程中，多数是根据熟料质量情况，混合材料的品种、质量，通过试验的方法确定其经济合理的配合比例。

入磨物料配比不恰当或在制成过程中物料下料量不稳定，都直接影响到水泥的质量。因此，加强水泥制成中物料配比的控制，是保证水泥质量、按计划稳定生产各标号水泥的重要环节之一。

2.出磨水泥细度：

在熟料、混合材料质量和配合比相对稳定的条件下，水泥的粉磨细度，对水泥性能影响很大。在一定程度上，水泥粉磨得愈细，其比表面积愈大，水泥粉末与水拌合时，它们的接触面积也就愈大，故有利于加速水泥的水化、凝结和硬化过程，对提高水泥强度，特别是早期强度有良好的效果。此外，在生产过程中，当熟料中游离

氧化钙较高时，水泥磨细些，游离氧化钙就可较快地吸收水份而消解，因而可减少它的破坏作用，改善水泥安定性能。

但是，不适当地提高水泥粉磨细度，会使磨机产量降低，电耗增高。另外，当水泥细度过细时，需水量增加，水泥石结构的致密性降低，反而会影响水泥的强度。

可见，只有合理地确定水泥细度指标才能在保证水泥质量的基础上，取得良好的经济效果。在生产过程中，应力求减少细度的波动，以达到稳定磨机产量和水泥质量的目的。

3.出磨水泥中的三氧化硫：

水泥中三氧化硫的含量实质上是磨制水泥时石膏掺入量的反映（采用劣质煤时，熟料中也含有一定量的SO3）。石膏在水泥中主要起调节凝结时间的作用。适量的石膏在水泥水化过程中，能与C3A生成水化硫铝酸钙胶体，包裹于C3A表面，阻碍C3A内部的继续水化而使水泥缓凝。因此，当石膏掺入量不足时，它不能抵消水化铝酸钙的快凝作用，使水泥快凝。但是，当石膏掺入量过大时，由于硫酸钙水化速度较快，水泥的凝结反而会变快；硫酸钙水化后呈结晶状态，大量晶体硫酸钙还会产生体积膨胀，对水泥石的结构还会产生破坏作用。

适量石膏的另一作用能在一定程度上提高水泥的强度。这是因为它在水泥水化过程中与C3A可生成一定数量的硫铝酸钙针状晶体，交错地填充于水泥石的空隙中，从而增加了结构的致密性。在矿渣水泥中，石膏还起硫酸盐激发剂的作用，可加速矿渣水泥的硬化过程。

具体的石膏掺量应根据工厂的实际情况制订石膏曲线得到。

4.混合材料掺入量：

水泥中掺加混合材不但可以增加水泥产量，降低水泥成本，而还可以改善水泥的某些物理性能。对于游离氧化钙较高的熟料，掺入活性混合材料，不但可降低水泥中f-CaO的相对浓度，还可吸收部分f-CaO，起到改善水泥安定性的作用。

但是，由于混合材料的加入，水泥中熟料组分就相应减少，因此使水泥强度有不同程度的降低，掺加量愈大，强度降低愈显著。不同品种的混合材料对水泥的物理性能影响是不同的，因此，合理的混合材掺入量应在国家标准规定的范围内，根据熟料的质量和混合材的品种、质量来确定。

5.出磨水泥的凝结时间、安定性、强度：

水泥的凝结时间、安定性、强度也是国家标准中规定的必须达到的重要质量指标。如果出磨水泥的这些质量指标均符合标准要求，出厂水泥就有了保证。如有的性能不符合要求，就要采取多库搭配等相应措施，保证出厂水泥质量。

6.烧失量：

水泥标准中烧失量的规定，主要是控制水泥中各混合材的掺量及劣质熟料的使用。近年来，许多企业使用的石膏品位下降，所以对水泥的烧失量要进行必要的限制。

水泥烧失量应列为控制项目，在磨头除定期抽查混合材的掺量外，至少每四小时应测定一次水泥的烧失量，必要时可增加检测频次。

（二）制定水泥质量控制指标的依据

水泥质量控制指标的制定，要根据各厂的具体情况，首先应根据本厂所要求生产的水泥品种、等级，以及熟料和混合材料的质量。通过试验，摸清各种工艺因素之间的相互关系，从质量、经济等各

方面进行综合考虑，权衡利弊后确定。质量控制指标的制定应根据以下几个方面：

1.水泥的品种、等级：

水泥的品种，应根据计划并结合水泥产量，混合材料的品种、来源、数量，各种材料的价格和市场的需要通盘考虑。

水泥的等级，应根据用户的需要，并考虑本厂的工艺条件和技术管理水平来确定。

当水泥品种、等级确定之后，据此即可制订出各项质量控制指标。

2.熟料强度：

水泥的强度主要是由熟料的强度决定的。在水泥的品种、等级确定之后，熟料强度主要是确定熟料混合材等配合比的主要依据。

3.混合材的活性：

1、混合材的分类及作用

为了增加水泥产量，降低成本，改善和调节水泥的某些性质，综合利用工业废渣，减少环境污染，在磨制水泥时，可以掺加数量不超过国家标准规定的混合材料。

混合材按其性质可分为两面大类：活性混合材料和非活性混合材料。 凡是天然的或人工制成的矿物质材料，磨细成粉，加水后其本身不硬化，但与石灰加水调和成胶凝状态，不仅能在空气中硬化，并能继续在水中硬化，这类材料称为活性混合材料或水硬性混合材料。混合材料的活性是确定混合材料掺加量的依据之一。在生产某一品种的水泥时，混合材料的活性高，其掺加量就可多些。目前对混合材料的活性虽有统一标准要求，但是地区的混合材料质量往往差异很大，用混合材的活性控制其掺加量的实用价值不大，因此，混合材料的合理掺加

量，必须采用不同的配合比进行强度试验来确定的。

4.水泥细度与强度的关系：

选择合理的细度指标，可以获得较好的水泥强度。同样的水泥物料配比，在一定范围内改变其粉磨细度，水泥的强度有时可提高近一个等级。由于各厂情况不同，水泥细度与强度的关系也不一致，一般情况下，应结合生产中的实际情况，通过试验的方法测定细度与强度的关系，确定适宜的粉磨细度指标。

在日常生产中，通过掌握细度与强度间的相互关系，可及时根据原料的半成品的质量波动情况调整细度控制指标，即当发现熟料、混合材料质量下降，使水泥强度没有保证时，可将水泥磨细一些，以达到稳定水泥质量的目的。

一般试验条件下，水泥颗粒的大小与水化的关系是：

0-10μm水化最快

3-30μm是水泥活性主要成份

＞60μm水化缓慢

＞90μm表面水化，只起微集料作用

水泥比表面积与筛余的关系是否对应，理由？

1、比面积是单位质量和物料所共有的总表面积，它是各个颗粒级配的表面积之和，同一质量的水泥越细颗粒数越多，暴露的比表面积越大，比表面积主要反映细颗粒（≤10um）的含量，而筛余值只表示通过一种粒径筛的质量百分数，目前我国所用的筛余法测定结果只表示大于0.080mm的颗粒所占质量的百分数,对于小于0.080mm的颗粒则反映不出来；

2、在一定的区间，理论上说是有对应关系的，比表面积大，筛余值小。但由于磨机规格，研磨体级配，是否配备选粉机，选粉机规格型号

等对二者关系影响很大，有时也会出现比表面积大，筛余值大。

3、比表面积对掺多孔性混合材的水泥实用性较差，一般只能作为参考。

4、实际上水泥是有大小不同的颗粒组成，这个组成对水泥性能的影响，不仅仅是微小颗粒的含量大小，而是一个堆积模型，如相同的比面积，开流磨的水泥强度就比闭流磨高，也就是说相同状况下，开流磨的筛余可适当放宽。

5.石膏掺入量与强度的关系：

石膏可以延缓凝结时间，一般只要掺加3-6%的石膏，就能使水泥凝结时间正常。对于C3A含量较高的熟料，应多加一些石膏药，对于矿渣打硝酸盐水泥来说，石膏又是促进水泥强度增长的激发剂。但石膏过多会影响水泥长期安定性，这是因为石膏中的SO3水化铝酸钙作用而形成硫铝酸钙赊使体积显著增加，从而引起建设物的崩裂。

任何一种水泥都有使其强度达到最高值的石膏最佳掺入量。石膏最佳掺入量的范围，可通过石膏与水泥强度关系的试验来确定。 在日常生产中，通常用同一熟料掺加不同百分比的石膏，磨到同一细度，然后进行凝结时间、安定性、各龄期强度情况综合考虑，选择在凝结时间正常、安定性合格时达到最高强度的SO3掺入量，作为生产中的控制指标。

6.大磨－小磨强度关系：

上面所说的水泥各物料适宜的配合比、细度、石膏掺加量等指标，大部分在化验室中通过小磨试验确定的，它与生产实际总有一定的差别。大小磨磨制的水泥，虽然细度相同，但往往因大小磨机规格、研磨体的级配及粉磨方式等各方面的差异，样品的颗粒级配就不相同。因此单纯用小磨的数据作为生产控制的指标，往往会出

现偏差。因而，从小磨得出的数据只能作为生产控制指标的参考数据，应进一步找出大小磨之间的关系，对试验数据进行符合生产实际的修正后，才能正式成为实际生产中水泥的控制指标。

7、工艺条件对粉磨效率的影响

（1）入磨物料的粒度；

（2）入磨物料的易磨性；

（3）入磨物料温度；

（4）入磨物料水分；

（5）产品细度与喂料的均匀性；

（6）助磨剂；

（7）磨机通风；

（8）选粉效率与循环负荷；

（9）料球比及磨内物料流速。

（三）出磨水泥的管理

加强出磨水泥的管理，是为了确保出厂水泥质量的稳定，出磨水泥的管理主要抓好以下几项工作：

1.严格控制出磨水泥的各项质量指标，对于生产工艺条件较差，质量波动较大的厂，应尽量缩小出磨水泥的取样时间和检验吨位，增加检验次数，以掌握质量的波动情况，以便在出厂时进行合理的调配。

2.严格出磨水泥入库制度。出磨水泥应由化验室指定的库号入库，并做好入库记录。

3.出磨水泥要有一定的库存量（不低于磨机5天的产量），这样便于根据出磨水泥的快速或三天强度和其它质量指标来确定出厂水泥质量，同时也可根据出磨水泥的质量情况在库内进行必要的均化

或在出厂前进行合理调配，以稳定出厂水泥质量。

（四）、出厂水泥的管理

出厂水泥的管理是水泥厂质量控制中最后的也是最重要的一关。生产厂对出厂水泥的要求是：(1)出厂合格率100%；(2)确保28天抗压强度富裕2.0兆帕（2002年4月1日起执行）以上，即富裕强度合格率100%。另外，出厂水泥28天抗压强度目标值按下式控制：目标值≥水泥国家标准规定值＋2.0兆帕＋3S。为此，必须加强对出厂水泥的管理，严格把好出厂关。

1、决定水泥出厂的依据

①根据出磨水泥的质量：在生产中，为了有效地控制出厂水泥质量，采取对出厂水泥进行预先检验，用以指导出库管理工作，如果各库中的水泥质量有差别，甚至有的不符合标准规定时，就应根据检验结果，进行必要的存放或搭配，以使出厂水泥合格，并达到要求的等级。

②根据出磨水泥与出厂水泥的强度关系：

出磨水泥与出厂水泥强度之间往往存在一定偏差,掌握出磨水泥与出厂水泥之间的强度关系是非常必要的，通常可根据出磨水泥的强度推算出出厂水泥的强度，控制出厂。它们之间的关系，因厂而异，它与水泥的性能、试样的取样方法及水泥均匀性等有关，各厂可在生产实践中，通过大量的数据统计分析，找出出磨水泥与出厂水泥强度之间的对应关系是必要的。当根据出磨水泥预测出厂水泥三天强度较低时,至少应保留一个标准偏差的强度富裕才可出库。 ③根据出厂水泥的检验结果：

水泥出厂前必须按国家标准规定的编号、吨位取样，进行全套物理、化学性能的检验，确认全部符合国家标准时，方可由化验室

通知出厂。出厂水泥的检验样一般可在包装机旁留样，也可在成品库中按规定方法从水泥袋中抽样。

水泥出厂的强度等级一般应根据实测的１天或３天强度规律推算出２８天强度后确定。在控制中要以确切地掌握水泥强度的发展规律，掌握快速强度与３、７、２８天强度之间的关系，否则就难以保证出厂水泥的100％合格和富裕强度100％。

不同水泥库内水泥出库情况是不同的，具体的情况应依据数理统计的结果。在没有均化设施的情况下，水泥后入先出是自然的，准确掌握水泥库的出库情况及均化搭配效果，对于入库的不合格水泥处理是必要的，同时，也可为降低出厂水泥标准偏差，稳定出厂水泥实物。

水泥生产质量案例分析

案例分析一:

为了保证水泥磨磨头物料配比的准确性，需要经常抽查磨头物料的配比，现以圆盘喂料机说明抽查方法。在喂料机正常流量时，用闸板让物料流出，用容器接住，同时按动秒表，5S后将闸板去掉，在磅秤上称出物料与容器的总重，减去容器重，则为物料5S流量。有一台水泥磨，经抽查得出：熟料喂料机流量为16.7kg/5s，矿渣喂料机流量为3.1kg/5s，石膏喂料机流量为kg/5s，磨头物料配比为：

熟料物料配比为：16.7/（16.7+3.1+1.04）*100%=80%

矿渣配比为：3.1/（16.7+3.1+1.04）*100%=15%

石膏配比为：1.04/（16.7+3.1+1.04）*100%=5%

案例分析二：

某厂近期生产的普通水泥凝结时间不正常，如何着手分析原因：

（1） 熟料中铝酸三钙含量过多，石膏掺入量不足。

（2） 磨机内温度波动较大，对开流分流的小型磨机来说，冬季与

夏季磨温度相差很大，当磨内温度过高时又会使部分石膏产生溶解度很小的无水石膏，使水泥凝结时间不正常，当磨内温度过低时，又会使用一部分石膏不发生脱水作用，同样影响水泥的凝结时间。

（3） 熟料中含有大量欠烧游离氧化钙，水化速度很快，且吸水量

大，易引起水泥凝结时间不正常。

案例分析三：

近期某厂出厂水泥强度波动较大，直接影响到该厂的水泥出厂，如何分析影响因素？

一、 试验温度对强度的影响

养护池水温、试验室温度、水泥温度、标准砂和水温等，对强度的影响很敏感，如果以上温度比标准温度偏低较大（5-7℃时），不同龄期的抗折、抗压强度降低10%-15%，温度与水泥强度之间的关系是成正比的。

二、做水泥强度试验时，每个设备功能的好与坏，都直接或间接地影响水泥强度，也是造成强度偏高或偏低的一个重要因素。下面从几个大仪器进行分析。

1、 抗折试验机

定期检查设备的灵敏度，主要是检查抗折夹具的尺寸是否符合要求，负荷示值相对误差不大于±1%。使用中的抗折机≤2%，负荷示值相对变动度不大于±1%。加荷圆柱与支撑柱应能转动，不晃动，据有关资料介绍，三个圆柱有一个不转动，相对的抗折强度降低，如有二个不转动，强度降低0.82%，虽然降低的数值较小，也应引起重视。另外游砣是否灵活，主要看一下螺丝，经过一段时间的磨损，会使螺丝脱扣，使游砣在前进或停止时，不按标准0.117Mpa/S±0.0117Mpa/S或0.050KN/S±0.005KN/S进行试验，有时出现在强度破坏时，游砣不能马上停止，继续前进，使强度偏高1.0-1.5MPa。

2、 抗压试验机

加荷速度对强度结果的影响较大，一般加荷速度越快强度越高，国标GB/T17671-1999规定加荷速度2400N/S±200N/S，人工操作的试验机应配有一个速度动态装臵，以便于控制荷载增加。速度与强度成正比，在实验中，操作人员尤其要注意一定要按标准掌握加荷速度，保证强度数据准确性。

3、 抗压夹具

使用夹具时，应把它放在压力机上下压板之间，并与压力机处于同一轴线，以便将压力机荷载传递至胶砂表面。试块受压面积不小于40mm*40mm。夹具要保持清洁，球座应能转动以使其上压板能从一开始就适应试体的形状，并在试验中保持不变。夹具使用时间越长，利用率越高，强度会相应增高。所以要经常与标准夹具对比。

4、 行星胶砂搅拌机

主要是叶片与锅壁、锅底间隙是否符合要求，因为经过长时间的机器运转，叶片与锅壁出现一定的变化，使锅壁间隙增大，水泥与标准砂在锅内不能进行均匀搅拌，水泥的和易性受到影响，造成强度降低，不能真正反映出水泥强度值。

5、振实台或代用设备

振实台应安装在高度400mm的混凝土基座上，混凝土体积约为0.25m3，重约600kg。需防外部振动影响振实效果时，可在整个基座下放一层厚约5mm天然橡胶弹性衬垫。振实台的振幅15±0.3mm，频率为60次/（60S±2S），振实台的代用设备振动台，全波振幅0.75m±0.02mm，频率为2800-3000次/min。用该设备的振实方法最终所得的28d抗压强度与按ISO679规定方法所得强度之差在5%以内为合格。振幅偏高或偏低，也会引起强度的增长或降低。

案例分析四：

事故经过：某厂出磨水泥烧失量近期波动较大。（该厂混合材品种为矿渣+石灰石）

原因分析：①造成烧失量波动的原因有磨头掺量偏大；

②混合材配比不准确。

处理措施：①对混合材配比秤进行实物标定，矿渣喂料秤，在喂料秤稳定的情况下，将皮带秤停下，记录当时设定值45T/H，在秤体皮带上截取一米的矿渣，称重为57.1kg，皮带运转一周时间为28.92S（用秒表），皮带周长为6.34m（用皮尺量取）。根据以上结果计量实际喂料量：

6.34*57.1/28.92=45.06T/H。通过结果可知矿渣喂料秤相对准确。 ②用同样方法测石灰石喂料秤，给定值45T/H，实际值为54.8T/H，偏差较大，需对该秤进行校验。

处理结果：经过对石灰石喂料秤的校验后，双掺配比相对稳定、准确，该厂出磨水泥烧失量波动得到扭转。因此为确保混合材配比及磨头喂料的准确，应每月对各皮带秤进行实物标定。

案例分析五：

一、事故经过：某厂在水泥磨转生产P.C32.5R水泥时，由于库顶球阀未关闭到位，导致P.C32.5R水泥漏入P.O42.5R水泥库，致使该库水泥质量不符合P.O42.5R水泥国家标准，且造成边进边出。

二、处理措施

①将该库所出718.5吨普硅扣发，并进行检验。经检验该批水泥烧失量严重超标，实际为复合32.5R水泥，重新包装作为P.C32.5R水泥销售。

②安排进纯硅水泥400吨冲库，并对该库水泥进行搭配出库，对出库水泥每半小时取样监控检验。

③当该库水泥放出1020吨时，检测到烧失量偏高，立即停出该库，并又安排纯硅水泥250吨冲库。然后继续搭配出库，至该库料位低于警戒线。经检验确认，该库水泥处理完毕，可重新安排进库。

三、处理结论

该库在处理期间所出水泥共7个编号约2400吨水泥，经测算水泥混合材掺量小于15%，检验所有质量指标全部符合P.O42.5R水泥国家标准要求。

案例分析六：

某厂在生产P.O42.5R水泥时，发生出磨水泥SO3、烧失量严重超标（SO3达5.76%，烧失量为5.76%）的质量事故。

事故经过：由于磨头熟料断料，操作人员未能及时发现，且各秤之间未在串接状态，致使熟料断料后，石膏仍在喂料入磨，造成该库不能出库。 处理措施：①当班值班调度在得知结果后，首先前往磨头现场查看喂料情况，并检查混合材中是否混有石膏等。

②及时将石膏喂料比例下调至零约半小时。

③值班人员记录下当时（发生事故时）库料在76%（以便在出库时处理） ④该库水泥严禁出袋、汽散，只允许出火散。

⑤化验室在每节火车罐车上取样检测SO3，合格后方可发车出厂。 ⑥当水泥料位至70%以下时，再次安排冲库，出磨水泥SO3控制在1.7%左右。同时对罐车水泥仍进行检测SO3。

处理结论：①该库所装散罐与正式出库散罐车搭配，发往具有中转库的客户。

②该库水泥共装罐车2950吨水泥，SO3经检测全部符合P.O42.5R水品质指标要求。