一种磷含量对水泥原料配伍及强度影响的预测方法

本发明属于水泥领域，更具体地，涉及一种磷含量对水泥原料配伍及强度影响的预测方法，尤其可用于固废处理与处置，将固废再利用于水泥的制备。

背景技术：

1、

2、中国发明专利(cn 115724603 a)提出了一种水泥窑协同处置固体废物的水泥生料配伍方法和系统，使用常规三率值进行生料配伍，并未考虑磷元素对水泥的影响。中国发明专利(公开号cn 112598254 a)公开了一种水泥窑前危废物料配伍方法，其中提到了利用线性回归算法对入窑危废中的p2o5进行限制，但其p2o5含量仅为预设的固定值，用于入库危废的筛选；且此专利仅在数据库中给出了p2o5含量准入上限以控制原料或水泥生料中p2o5含量低于预设值，并未建立p2o5与熟料性能或矿物相含量的定量关系，无法依据p2o5含量预测熟料性能，因此无法进行熟料产品设计。因此，目前需要一种定量评价磷元素对水泥熟料矿物相含量和力学强度影响的方法。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种磷含量对水泥原料配伍及强度影响的预测方法，利用各个原料中的氧化物p2o5含量(pi，以及水泥生料中对应的p生、水泥熟料中对应的p熟)，配合烧失量和其他氧化物的含量，利用规划求解，除了现有技术已关注的水泥熟料三率值kh、sm、im外，还以ηc3s、ηc2s、p为目标，建立水泥生料中p2o5含量与水泥熟料矿物相含量、净浆强度的定量关系，通过水泥生料p2o5含量预测水泥熟料中c3s、c2s矿物相的含量、养护28天的水泥净浆强度，结合预测结果重新调整水泥生料中的p2o5含量直至熟料性能达标。本发明能够根据水泥生料中磷含量对水泥熟料矿物相含量及28天净浆抗压强度的影响规律，从而优化设计水泥生料配料，为现有水泥窑协同处置含磷废物的配伍设计提供支撑。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于磷含量的水泥原料配伍方法，其特征在于，包括以下步骤：

3、(s1)预先选择参与配料的多种水泥原料，测定参与配料的每种水泥原料在空气气氛中1200℃的温度下煅烧2小时后的质量损失率，得到的百分数记为烧失量；同时，测定参与配料的每种水泥原料中氧化物cao、sio2、al2o3、fe2o3、p2o5和so3的质量百分含量；

4、(s2)记参与配料的水泥原料共有n种，n为自然数，将其中的第i种水泥原料在水泥生料中的质量分数记为wi，单位为％，1≤i≤n；然后，构建矩阵(w1 w2 w3 … wn)t，并赋初始值，使0≤wi≤100；

5、同时，将第i种水泥原料的烧失量记为li，单位为％；将第i种水泥原料中氧化物cao、sio2、al2o3、fe2o3、p2o5和so3含量分别记为ci、si、ai、fi、pi和mi，单位均为％，构建矩阵xi＝(li ci si ai fi pi mi)；

6、(s3)将(x1t x2t x3t … xnt)和(w1 w2 w3 … wn)t两个矩阵相乘，得到水泥生料烧失量及水泥生料中氧化物含量矩阵(l生 c生 s生 a生 f生 p生 m生)t，矩阵中任意一个元素的单位均为％；

7、(s4)对于矩阵(l生 c生 s生 a生 f生 p生 m生)t，将水泥生料中烧失量l生扣除，并将其他各个矩阵元素除以[(100-l生)/100]，得到水泥熟料中氧化物含量矩阵(c熟 s熟 a熟 f熟 p熟m熟)，矩阵中任意一个元素的单位均为％；

8、(s5)以水泥熟料三率值kh、sm、im，水泥熟料中矿物相c3s和c2s的质量百分占比之和ηc3s+ηc2s，水泥熟料28天净浆抗压强度p为目标，设定目标值，利用规划求解，调整(w1 w2w3 … wn)t矩阵的元素取值，在满足且0≤wi≤100的要求下，使水泥熟料三率值kh、sm、im的计算结果等于目标值，水泥熟料中矿物相c3s和c2s的质量百分占比之和ηc3s+ηc2s的计算结果大于等于目标值，水泥熟料28天净浆抗压强度p的计算结果大于等于目标值；规划求解后得到的(w1 w2 w3 … wn)t矩阵即对应水泥原料配伍结果，其中，

9、水泥熟料三率值kh、sm、im的计算结果是按如下公式计算得到的：

10、

11、

12、

13、水泥熟料中矿物相c3s的质量百分占比ηc3s，水泥熟料中矿物相c2s的质量百分占比ηc2s，水泥熟料中除矿物相c3s和c2s外其他矿物相的质量百分占比η其他相，ηc3s、ηc2s、η其他相三者的单位均为％，ηc3s、ηc2s、η其他相三者的计算结果是按如下公式计算得到的：

14、ηc3s＝-4.66×p生+53.25

15、ηc2s＝5.97×p生+13.76

16、η其他相＝100-ηc3s-ηc2s

17、水泥熟料28天净浆抗压强度p，p的单位为mpa，p的计算结果是按如下公式计算得到的：

18、p＝-11.49×p生+96.21。

19、作为本发明的进一步优选，所述步骤(s1)中，所述参与配料的多种水泥原料包括干燥的有机固废材料。

20、作为本发明的进一步优选，所述步骤(s1)中，所述参与配料的多种水泥原料包括干燥的市政污泥。

21、作为本发明的进一步优选，所述步骤(s5)中，在调整(w1 w2 w3 … wn)t矩阵的元素取值时，干燥的市政污泥在水泥生料中的质量分数w市政污泥保持不变，为预先设定的取值。

22、作为本发明的进一步优选，所述步骤(s5)中，水泥熟料三率值kh、sm、im的目标值分别为0.92、2.6、1.4。

23、按照本发明的另一方面，本发明提供了基于上述水泥原料配伍方法的水泥熟料28天净浆抗压强度的预测方法，其特征在于，步骤(s5)中，规划求解后，利用公式p＝-11.49×p生+96.21，能够预测该配伍结果下水泥熟料和二水石膏以20:1的质量比例混合形成水泥，将水和水泥以0.35的质量比例混合形成水泥净浆，水泥净浆标准养护28天后的抗压强度。

24、按照本发明的再一方面，本发明提供了一种基于水泥原料配伍预测水泥熟料28天净浆抗压强度的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

25、(1)根据预先确定的水泥原料配伍方案，测定参与配料的每种水泥原料在空气气氛中1200℃的温度下煅烧2小时后的质量损失率，得到的百分数记为烧失量；同时，测定参与配料的每种水泥原料中氧化物cao、sio2、al2o3、fe2o3、p2o5和so3的质量百分含量；

26、(2)根据预先确定的水泥原料配伍方案，记参与配料的水泥原料共有n种，n为自然数，将其中的第i种水泥原料在水泥生料中的质量分数记为wi，单位为％，1≤i≤n；然后，构建矩阵(w1 w2 w3 … wn)t，并根据预先确定的水泥原料配伍方案对wi赋值；其中，0＜wi≤100；

27、同时，将第i种水泥原料的烧失量记为li，单位为％；将第i种水泥原料中氧化物cao、sio2、al2o3、fe2o3、p2o5和so3含量分别记为ci、si、ai、fi、pi和mi，单位均为％，构建矩阵xi＝(li ci si ai fi pi mi)；

28、(3)将(x1t x2t x3t … xnt)和(w1 w2 w3 … wn)t两个矩阵相乘，得到水泥生料烧失量及水泥生料中氧化物含量矩阵(l生 c生 s生 a生 f生 p生 m生)t，矩阵中任意一个元素的单位均为％；

29、(4)预测与预先确定的水泥原料配伍方案对应的水泥熟料28天净浆抗压强度p，p的单位为mpa，p的计算结果是按如下公式计算得到的：

30、p＝-11.49×p生+96.21

31、从而预测预先确定的水泥原料配伍方案下水泥熟料和二水石膏以20:1的质量比例混合形成水泥，将水和水泥以0.35的质量比例混合形成水泥净浆，水泥净浆标准养护28天后的抗压强度。

32、通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

33、(1)本发明方法基于各个原料中的氧化物p2o5含量(pi，以及水泥生料中对应的p生、水泥熟料中对应的p熟)，配合烧失量和其他氧化物的含量，能够计算预测得到水泥熟料中矿物相c3s的质量百分占比ηc3s、水泥熟料中矿物相c2s的质量百分占比ηc2s以及水泥熟料28天净浆抗压强度p，其中：

34、ηc3s＝-4.66×p生+53.25

35、ηc2s＝5.97×p生+13.76

36、p＝-11.49×p生+96.21

37、利用规划求解，以水泥熟料三率值kh、sm、im，水泥熟料中矿物相c3s和c2s的质量百分占比之和ηc3s+ηc2s，水泥熟料28天净浆抗压强度p为目标，规划求解后得到的各种原料的质量百分占比wi，即对应优化后的水泥原料配伍结果，从而实现对水泥原料配伍的优化。

38、(2)本发明建立了水泥生料中p2o5含量与熟料中c3s、c2s矿物相含量及水泥28天净浆强度的量化公式，在传统水泥配料三率值的基础上增加了p2o5含量作为配伍计算变量之一，通过以熟料性能的目标值建立约束条件，通过优化水泥生料中p2o5含量从而优化配伍结果，使本发明中配伍结果的科学性和应用性优于传统三率值配伍方法。

39、(3)本发明方法尤其可针对磷含量高的有机固废(如市政污泥等)，既可以得到不同目标下允许的市政污泥在水泥生料中的用量占比，也可以在市政污泥在水泥生料中的质量分数w市政污泥满足预设要求的情况下，对相应的水泥性能进行优化、预测。

40、例如，在水泥生料中p2o5含量已知的情况下，可以进行水泥熟料矿物相含量和28天净浆强度预测，因此可根据实际应用条件设计熟料性能，如后文实施例所示例的，矿物相含量之和预测绝对误差低于±5％，强度预测绝对误差低于±2mpa。可见，本发明为水泥窑协同处置含磷有机废物提供了一种新的思路及相关数据支撑。

41、(4)本发明中公式系数(尤其是ηc3s、ηc2s、η其他相和28天抗压强度p计算公式)，基于系列实验数据得出，实验证明有机固废中磷主要以无机磷形式存在，无机磷在水泥烧制过程中不挥发，全部留存于固相中，因此计算得到的磷含量与实际参与反应的磷含量相同；实验以市政污泥等有机固废为研究对象，与国内大多数水泥窑协同处置对象相同，并以单因素实验排除其他元素干扰，因此实验设计贴合工程实际，实验结果可信度高。

42、(5)本发明中各原料、水泥生料及水泥熟料中p2o5含量均可利用水泥厂现有xrf设备进行测定，无需额外添置检测设备；本发明中的相关计算过程均可使用常见办公软件实现，无需额外学习成本。因此，本发明具有操作简单易实施的特点。