旋窑和立窑生产轻烧MgO膨胀剂性能的比较分析



旋窑和立窑生产轻烧MgO膨胀剂性能的比较分析

李兆恒1，2，杨永民1，2，侯维红3，王立华1，蔡杰龙1

(1.广东省水利水电科学研究院，广东省水利新材料与结构工程技术研究中心，广东 广州 510635；2.华南理工大学，广东 广州 510640；3.武汉三源特种建材有限责任公司，湖北 武汉 430000)

摘 要：目前MgO膨胀剂已在贵州和广东等省份的水利工程坝体全断面或部分区域应用且效果显著。传统方法采用立窑生产轻烧MgO膨胀剂，容易造成菱镁矿表面死烧，内部欠烧或未烧，导致性质不稳定。该文首先对比分析了立窑和旋转窑生产轻烧MgO膨胀剂工艺，讨论了立窑和旋转窑生产轻烧MgO膨胀剂的活性和基本物理化学性能以及对水泥基本性能的影响。结果表明：旋窑采用回转式的结构转动，在物料进入旋窑前还会进行特殊的预热分解处理，使物料的受热更均匀，煅烧更充分，烧制的轻烧MgO膨胀剂的80 μm方孔筛筛余量更少，MgO含量更高，MgO活性更稳定。对水泥胶砂力学性能与限制膨胀率而言，旋窑的综合效果更好。为保证工程的质量，建议使用旋转窑生产的轻烧MgO膨胀剂。

关键词：轻烧MgO；膨胀剂；旋转窑；立窑

1 概述

自从我国在20世纪70年代的白山大坝使用了4.7% Mg含量的水泥，施工过程没有采用特殊温控措施，建设完成后混凝土未发现贯穿性的裂缝，而且其表面裂缝也很少，运行良好并在多年后仍未出现漏水。此后，大量水利方面的研究学者开始关注利用MgO延迟膨胀性能补偿混凝土的温度收缩。目前MgO膨胀剂已经在贵州、广东多个省份的水利工程中的坝体全断面或部分区域得以应用而且效果显著[1-3]。

MgO膨胀剂主要应用于补偿水工大体积混凝土的温降收缩，从而在工程建设过程中简化温控措施[4]。由于水利工程具有不连续性，所以MgO膨胀剂一直没有能够作为定型产品在市场上得以大面积的应用。在以往的水利工程中，MgO膨胀剂通常以立窑煅烧菱镁矿生产。在立窑生产过程中，由于入窑物料块大，在煅烧过程中，表面的菱镁矿很容易死烧，而内部菱镁矿则为欠烧或未烧，此外立窑的生产工艺过于简陋，工艺参数难以控制，同一批次烧制的MgO质量波动很大[5，6]。这些膨胀剂应用于水利工程中，本身质量不稳定，再加上在混凝土中分散不均匀的问题，造成局部混凝土中要么不能产生预期的膨胀效果，要么过烧或死烧轻烧MgO富集，造成很大的工程隐患[7]。因此，参考水泥行业的生产过程，对MgO膨胀剂的制备工艺进行改良，淘汰落后的立窑生产工艺，取而代之为旋窑的生产工艺，以保证MgO膨胀剂的质量，从而保证水利工程建设质量。

本研究首先对比分析了立窑和旋转窑生产轻烧MgO膨胀剂工艺，选取了2种旋转窑生产的(下文称“旋窑A、旋窑B”)及市面上普通立窑生产的轻烧MgO膨胀剂，依照相关标准分别测试了轻烧MgO膨胀剂的活性及基本物理化学性能，并测试了其对水泥胶砂强度和限制膨胀率的影响。本研究为推广旋转窑生产轻烧MgO膨胀剂工艺，获得性能稳定的轻烧MgO膨胀剂提供技术支撑，从而为工程正确选材提供参考。

2 立窑和旋窑生产轻烧MgO工艺简介

2.1 立窑生产轻烧MgO工艺简介

我国使用的立窑制备粉体材料主要有2种类型：普通立窑和机械立窑。普通立窑是人工加料和人工卸料或机械加料，人工卸料；机械立窑是机械加料和机械卸料。机械立窑是连续操作的，它的生产质量及劳动生产率都比普通立窑高。在传统立窑系统中，物料自上而下动力，助燃空气自下而上动力，高温物料携带的热量对助燃空气进行了预热，煅烧和分解，但传统立窑的不足是燃烧条件差，因为料饼及大料球内部煅烧容易缺氧从而发生不完全燃烧，而表面容易死烧，造成轻烧MgO均匀性较差。立窑生产MgO过程如图1和图2。

图1 传统立窑煅烧轻烧MgO膨胀剂工艺流程

图2 传统立窑煅烧轻烧MgO膨胀剂工艺示意

2.2 旋窑生产轻烧MgO工艺简介

旋窑采用回转式的结构转动，并且在物料进入旋窑前会进行特殊的预热分解处理，使物料的受热更均匀，煅烧更充分(如图3和图4所示)。以武汉三源特种建材有限公司辽宁旋窑生产基地为例，旋窑生产轻烧MgO生产工艺如下：菱镁石矿石在堆场按照进厂标准进行存放，合格的菱镁石矿石经皮带输送机输送并送入预热器顶部料仓，通过下料管将菱镁石矿石均匀分布到预热器各个室内。菱镁石矿石在预热器被烟气加热到500 ℃左右，约有30%分解，经液压推杆推入旋窑内，菱镁石矿石在旋窑内在清洁能源天然气精确的温度控制下进行煅烧，分解为氧化镁和二氧化碳。分解后生成的活性氧化镁进入冷却器，在冷却器内被自然冷却。经热交换的200 ℃热空气进入窑内。废气在兑入冷风经引风机进入袋式除尘器，再经排风机进入烟囱。出冷却器的活性氧化镁经振动喂料机，链斗输送机、胶带输送机输送进入熟料存储库。化验室检测人员每隔30 min对出冷却器熟料进行取样检测，根据检测情况进行分别存放。煅烧生产使用燃料为清洁能源天然气，通过天然气运输车运送至厂区，通过调压设置和燃烧器阀组控制，为窑体煅烧输送燃料。用天然气燃料大大简化了燃料制成工艺带的工序。相比于传统煤粉燃料，具有能耗小、污染小、工艺简单、利用率高、发热量稳定等优点。

图3 旋转窑煅烧轻烧MgO膨胀剂工艺

图4 旋窑煅烧煅烧轻烧MgO膨胀剂示意

3 旋窑和立窑生产轻烧MgO膨胀剂性能对比

3.1 试验方法

MgO活性反应时间检测步骤执行《水工混凝土掺用MgO技术规范》DL/T 5296—2013；MgO含量、f-CaO含量、SiO2含量、烧失量检测步骤执行《水泥化学分析方法》GB/T 176—2008；MgO含水量检测步骤执行《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范标准》DL/T 5055—2007；MgO细度检测步骤执行《水泥细度检验方法筛析法》GB/T 1345—2005；凝结时间检测步骤执行《水泥标准用水量、凝结时间、安定性检验方法》GB/T 1345—2005；限制膨胀率检测步骤执行《混凝土膨胀剂》GB 23439—2009；强度检测步骤执行《水泥胶砂强度试验》GB/T 17671—1999。

3.2 轻烧MgO膨胀剂的物理化学性能

3.2.1 轻烧MgO膨胀剂的物理性能

3种轻烧MgO膨胀剂的物理性能如表1所示。立窑样品的80 μm方孔筛筛余为2.8%，烧失量为2.34%，含水率为0.13%；旋窑A的80 μm方孔筛筛余为1.2%，烧失量为1.86%，含水率为0.09%；旋窑B的80 μm方孔筛筛余为1.6%，烧失量为2.22%，含水率为0.13%。其中立窑样品的筛余量较大，旋窑MgO的烧失量和含水率偏差较小，质量相对立窑稳定。

表1 轻烧MgO膨胀剂的物理性能 %

样品编号80μm方孔筛筛余烧失量含水率立窑28184287004022旋窑A12185187010008旋窑B16201243016010

3.2.2 轻烧MgO膨胀剂的化学成分

轻烧MgO膨胀剂的MgO和f-CaO的含量与其煅烧制度有关，也直接影响其膨胀特性。如表2所示，立窑样品的MgO含量为90.04%，f-CaO含量为0.42%；旋窑A样品的MgO含量为93.09%，f-CaO含量为0.29%；旋窑B样品的MgO含量为92.06%，f-CaO含量为0.39%。立窑生产轻烧MgO膨胀剂中MgO低于旋窑生产轻烧MgO膨胀剂，f-CaO含量高于旋窑生产轻烧MgO膨胀剂。

表2 轻烧MgO膨胀剂放的化学成分 %

样品MgO含量f-CaO含量立窑9004042旋窑A9309029旋窑B9206039

3.3 轻烧MgO膨胀剂的活性反应时间

3种轻烧MgO膨胀剂活性反应时间如表3所示，每个样品测试5个平行样。立窑样品的反应活性时间为288 s，极限偏差为23 s；旋窑A样品的反应活性时间为229 s，极限偏差为13 s；旋窑B样品的反应活性时间为227 s，极限偏差为15 s。对比立窑和旋窑样品的活性反应时间可知，立窑轻烧MgO的活性较低、偏差大，而旋窑轻烧MgO活性较高、偏差小，说明旋窑轻烧MgO的均匀性比立窑要好。

表3 轻烧MgO膨胀剂MgO反应活性时间 s

样品编号反应时间平均值极限偏差12992276立窑3279288234293529512252229旋窑A3238229134228522712362226旋窑B32212271542245228

3.4 轻烧MgO膨胀剂对水泥基本性能的影响

3.4.1 轻烧MgO膨胀剂对水泥凝结时间的影响

3种轻烧MgO膨胀剂对水泥凝结时间的影响如表4所示。立窑样品加入水泥后的初凝时间为211 min，终凝时间为284 min；旋窑A样品加入水泥后的初凝时间为200 min，终凝时间为273 min；旋窑B样品加入水泥后的初凝时间为221 min，终凝时间为277 min。由上述可知，立窑轻烧MgO对水泥凝结时间的影响与旋窑轻烧MgO的相差不大。

表4 轻烧MgO膨胀剂-水泥的凝结时间 min

样品编号初凝时间终凝时间立窑211284旋窑A200273旋窑B221277

3.4.2 轻烧MgO膨胀剂对水泥胶砂强度的影响

3种轻烧MgO膨胀剂对水泥力学性能的影响如表5所示。立窑轻烧MgO膨胀剂加入到水泥后，7 d抗折强度为6.4 MPa，抗压强度为36.3 MPa，28 d抗折强度为7.0 MPa，抗压强度为43.8 MPa；旋窑A样品加入到水泥后7 d抗折强度为6.9 MPa，抗压强度为36.1 MPa，28 d抗折强度为7.7 MPa，抗压强度为47.6 MPa；旋窑B样品加入到水泥后7 d抗折强度为7.0 MPa，抗压强度为35.1 MPa，28 d抗折强度为7.7 MPa，抗压强度为47.2 MPa。由上述可知，旋窑轻烧MgO膨胀剂提高了水泥的胶砂强度，且强度发展更为协调，明显优于立窑生产轻烧MgO膨胀剂。

表5 轻烧MgO膨胀剂-水泥的胶砂强度 MPa

类型立窑旋窑A旋窑B抗折强度7d64697028d707777抗压强度7d36336135128d438476472

3.4.3 轻烧MgO膨胀剂对水泥胶砂限制膨胀率的影响

3种轻烧MgO膨胀剂对水泥膨胀率的影响如表6所示。立窑样品加入水泥胶砂后在水中养护7 d的限制膨胀率为0.020%，在空气中养护21 d的限制膨胀率为-0.031%；旋窑A样品加入水泥胶砂后在水中养护7 d的限制膨胀率为0.038%，在空气中养护21 d的限制膨胀率为-0.020%；旋窑B样品加入水泥胶砂后在水中养护7 d的限制膨胀率为0.030%，在空气中养护21 d的限制膨胀率为-0.024%。当采用水中养护，旋窑MgO的限制膨胀率比立窑MgO的大，当采用空气养护，旋窑MgO的限制膨胀率比立窑MgO的小，即旋窑生产轻烧MgO膨胀剂的补偿体积收缩的效果较好。

表6 轻烧MgO膨胀剂-水泥的限制膨胀率 %

类型立窑旋窑A旋窑B限制膨胀率水中7d002000380030空气中21d-0031-0020-0024

4 结语

1) 对比旋窑与立窑生产轻烧MgO膨胀剂的工艺可知，传统立窑的燃烧条件差，菱镁矿容易死烧或欠烧，加之立窑的生产工艺过于简陋，工艺参数难以控制，导致MgO的均匀性差，而旋窑采用回转式的结构转动，在物料进入旋窑前还会进行特殊的预热分解处理，使物料的受热更均匀，煅烧更充分，烧制的轻烧MgO膨胀剂的均匀性更好。

2) 旋窑和立窑轻烧MgO的含水量、烧失量、f-CaO含量、SiO2 含量相差不大，但旋窑轻烧MgO 80 μm方孔筛筛余量更少，MgO含量更高，MgO活性更稳定。旋窑和立窑轻烧MgO对水泥的凝结时间影响相差不大，对水泥胶砂力学性能与限制膨胀率而言，旋窑的综合效果更好。为保证工程的质量，建议使用旋转窑生产的轻烧MgO膨胀剂。

参考文献：

[1] 刘振威. 筑坝外掺MgO砼安定掺量标准问题的探讨[J]. 广东水利水电， 2003 (5): 1-3．

[2] 杨永民， 李兆恒， 王立华， 等. 制备工艺参数对轻烧MgO反应活性的影响[J]. 广东水利水电， 2016 (3): 41-45．

[3] 杨永民， 侯维红， 李兆恒， 等. 轻烧MgO补偿收缩混凝土研究与工程应用进展[J]. 广东水利水电， 2016 (1): 1-6．

[4] 谢立国， 陈理达， 袁明道， 等. 外掺MgO砼在变温条件下的膨胀特性试验研究[J]. 广东水利水电，2005(2)：43-45．

[5] 李承木. 论我国MgO混凝土筑坝技术的发展历史与现状[J]. 广东水利水电， 2012 (9): 1-7．

[6] 王立华， 陈理达. 长沙拱坝外掺MgO混凝土材料性能试验研究[J]. 广东水利水电， 2004 (6): 23-24．

[7] 陈理达， 谢立国， 李红彦. 外掺MgO水泥砂浆配比对压蒸膨胀值的影响[J]. 广东水利水电， 2003 (3): 4-5．

(本文责任编辑 马克俊)

Characteristic Comparisons of Rotary and Shaft Kiln Light-burned MgO Expansive Agent

LI Zhaoheng1, 2, YANG Yongmin1, 2,HOU Weihong3, WANG Lihua1, CAI Jielong1

(1. Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower; Guangdong Provincial Engineering Research Center for Water Conservancy Advancedmaterial and Structure, Guangzhou 510635, China; 2. South China University of Technology, Guangzhou 510640, China; 3. Wuhan Sanyuan Special Building Materials Co.,Ltd., Wuhan 430000, China)

Abstract：The MgO expansive agent has been used in water conservancy dam and the effect is remarkable in Guizhou and Guangdong Province. Traditional methods adopted shaft kiln light-burned MgO expansion agent, which causes the under-burning or over-burning of MgO, leading to poor uniformity. In order to improve the quality of MgO expansion agent and ensure the quality of water conservancy project construction. The shaft kiln and rotary kiln light-burned MgO expansion agent is analyzed, and the properties of light-burned MgO is discussed. Effects of light-burned MgO expansion agent on the properties of cement are characterized. Results indicate that the rotary kiln adopted the preheating and precalcining technology, and magnesite is heated more evenly. The properties of rotary kiln light-burned MgO expansion agent are more stable than shaft kiln light-burned MgO expansion agent. To guarantee the quality of the project, the rotary kiln light-burned MgO expansion agent is recommended.

Keywords：light-burned MgO; expansive agent; rotary kiln; shaft kiln

收稿日期：2017-03-28;

修回日期：2017-04-21 基金项目：广东省水利科技创新项目(编号：2015-10)；中国博士后科学基金(编号：2016 M 590776)。 作者简介：李兆恒(1988)，男，博士，助理研究员，主要从事镁基胶凝材料和碱激发胶凝材料研究工作。

中图分类号：TV431

文献标识码：A

文章编号：1008-0112(2017)006-0029-04