粉煤灰、礦渣的粉磨對水泥性能的影響

曹曉非(徐州市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，江蘇 徐州221006)

1 引言

根據(jù)可持續(xù)發(fā)展理念，近年來我國對水泥行業(yè)提出了節(jié)能減排的要求，這需要通過有效措施減少水泥生產(chǎn)中的能源和資源消耗量。相應(yīng)途徑之一就是減少水泥中熟料的摻量，引入粉煤灰、粒化高爐礦渣等工業(yè)固體廢棄物加以補(bǔ)充。目前，國內(nèi)廠家生產(chǎn)復(fù)合硅酸鹽水泥時多采用熟料、高爐礦渣、粉煤灰等共同粉磨的工藝，但由于礦渣、粉煤灰的易磨性不同于熟料，導(dǎo)致混磨水泥中的工業(yè)廢棄物混合材得不到充分細(xì)磨，平均粒度偏大，相應(yīng)活性得不到有效發(fā)揮，影響了水泥的凝結(jié)時間、早期及后期強(qiáng)度，進(jìn)而限制了混合材的有效摻量[1,2]。而一些發(fā)達(dá)國家則早已采用熟料、混合材分別用不同參數(shù)粉磨后再混合的生產(chǎn)工藝。

本試驗(yàn)研究旨在探討在分別粉磨后混合以及摻量一定的工藝條件下，粉煤灰、高爐礦渣的不同粉磨細(xì)度對復(fù)合硅酸鹽水泥實(shí)際性能的影響，從而在滿足水泥國標(biāo)的條件下，選擇合理的粉磨工藝參數(shù)，改良混合材對水泥實(shí)際性能的貢獻(xiàn)作用，提高其摻入的有效性。

2 試 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)采用的水泥熟料為徐州淮海中聯(lián)水泥提供的52.5 水泥熟料，相應(yīng)混合材包括徐州熱電廠提供的粉煤灰、徐州鋼鐵廠提供的粒化高爐礦渣、徐州淮海中聯(lián)水泥提供的石膏及徐州本地開采的石灰石。各組分的化學(xué)成分如表1 示。

表1 水泥各原料的化學(xué)成分

2.2 試驗(yàn)方法

為考察經(jīng)不同粉磨工藝處理后的粉煤灰及礦渣對水泥性能的影響，將復(fù)合硅酸鹽水泥試樣的組分配比固定設(shè)計(jì)為：熟料56%、高爐礦渣15%、粉煤灰20%、石灰石3%、石膏6%。

將干燥后的粉煤灰、高爐礦渣用Φ500mm×500mm 的試驗(yàn)?zāi)C(jī)分別粉磨2h、5h和10h，制備3 種粉煤灰試樣和3 種高爐礦渣試樣，分 別 記 為A2、A5、A10、B2、B5、B10， 而 未進(jìn)行二次粉磨的粉煤灰和礦渣記為A0 和B0，利用LSC-1 型激光粒度分析儀分別測試以上8 種混合材粉磨樣的顆粒級配。固定粉煤灰或礦渣的粉磨工藝不變，與經(jīng)不同工藝粉磨的另一種混合材按設(shè)計(jì)配比均勻混合，制成不同的復(fù)合水泥試樣，試樣的具體組成如表2 示。

表2 不同復(fù)合水泥試樣的混合材組成

表3 不同粉磨工藝處理所得的混合材試樣的顆粒級配

各水泥試樣凝結(jié)時間的測定按照GB/T1346-2001 的規(guī)定進(jìn)行，而3 天、28 天抗壓強(qiáng)度的測定則按照GB/T17671-1999（ISO 法）的規(guī)定進(jìn)行。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

經(jīng)不同粉磨工藝處理的混合材試樣的顆粒級配如表3 示。

由表3 可知，未經(jīng)粉磨時，粉煤灰的粒徑分布主要集中在10～30μm，而高爐礦渣的粒徑分布主要集中在30μm 以上。隨著粉磨時間的延長，混合材中的粗大顆粒被細(xì)化，顆粒粒徑分布向較小的方向變化，10～20μm 的顆粒開始占主要部分，粉煤灰和礦渣在粉磨5 小時后，10～20μm 范圍的顆粒分布分別達(dá)到90%和79%。而當(dāng)粉磨時間進(jìn)一步延長到10 小時后，顆粒分布又略向大粒徑方向移動，這是由于粉磨到一定程度的混合材細(xì)顆粒，本身具有較大的比表面積和表面活性，在后續(xù)粉磨過程中相互接觸，易發(fā)生團(tuán)聚而形成新的大顆粒[3]。

所摻混合材經(jīng)不同粉磨工藝處理的水泥試樣的凝結(jié)時間變化如圖1 示。

圖1 混合材經(jīng)不同粉磨工藝處理的水泥試樣的凝結(jié)時間變化

由圖1 可知，在其他條件不變的情況下，當(dāng)復(fù)合水泥中的粉煤灰的粉磨時間延長時，試樣的初凝、終凝時間都有所延長。而隨著復(fù)合水泥中的高爐礦渣的粉磨時間增加，相應(yīng)水泥試樣的凝結(jié)時間有所縮短。

所摻混合材經(jīng)不同粉磨工藝處理的水泥試樣的3 天及28 天抗壓強(qiáng)度變化如圖2 示。

圖2 混合材經(jīng)不同粉磨工藝處理的水泥試樣的3 天及28 天抗壓強(qiáng)度變化

由圖2 可知，組分中的粉煤灰粉磨時間延長后，復(fù)合水泥試樣的3 天抗壓強(qiáng)度基本無變化，而28 天抗壓強(qiáng)度則有較明顯的增加。但粉磨時間延長到10h，試樣的抗壓強(qiáng)度不增反減。而增加了礦渣組分的粉磨時間后，試樣的3 天抗壓強(qiáng)度有所提升，28 天抗壓強(qiáng)度則增幅不大。

分析產(chǎn)生上述結(jié)果的原因，是由于水泥本身可視為一種緊密堆積體系，各組分顆粒的粒徑分布、活性等特性對產(chǎn)品的實(shí)際性能都會產(chǎn)生影響。增加粉煤灰及高爐礦渣的粉磨時間后，其顆粒粒徑減小，進(jìn)入水泥顆粒間隙的顆粒數(shù)量增多。但粉煤灰屬于火山灰混合材，無法自發(fā)產(chǎn)生水化反應(yīng)，進(jìn)入水泥顆粒間隙的顆粒量越多，對其在水化反應(yīng)中相互接觸的阻礙作用越大，相當(dāng)于“稀釋”作用，因而試樣的凝結(jié)時間有所延長。同時粉煤灰微細(xì)顆粒在前期只能發(fā)揮其物理填充作用，而水化一段時間后，粉煤灰磨細(xì)后的高表面活性大幅促進(jìn)了其在堿性液相環(huán)境中的水化反應(yīng)，因而對試樣的28 天后期強(qiáng)度增幅較明顯。相對的，高爐礦渣屬于潛在水硬性混合材，粉磨時間增加后，其水硬活性得到增強(qiáng)。礦渣微細(xì)顆粒進(jìn)入水泥顆粒間隙后，其由誘導(dǎo)激活、表面微晶化以及界面耦合組成的復(fù)合膠凝效應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng)了水泥顆粒水化反應(yīng)的速率，同時與水泥顆粒的緊密接觸也變相增加了整體的水化反應(yīng)面積，在宏觀上表現(xiàn)為試樣凝結(jié)時間的縮短和3 天早期強(qiáng)度的明顯增加。而到28 天時，礦渣微粉的水化激發(fā)作用已基本發(fā)揮完畢，因此對強(qiáng)度的改善作用較微弱[4-7]。另外，若粉磨時間過長，混合材顆粒過細(xì)，高活性表面使其易產(chǎn)生新的團(tuán)聚。由于該團(tuán)聚不易打破，反而會進(jìn)一步阻礙水泥的水化反應(yīng)，影響產(chǎn)品的實(shí)際性能。

4 結(jié)論

（1）增加粉煤灰的粉磨時間，相應(yīng)復(fù)合水泥的凝結(jié)時間有所延長，早期強(qiáng)度變化不大，而后期強(qiáng)度會有較大幅度的提高。而高爐礦渣的粉磨時間延長后，水泥試樣的凝結(jié)時間縮短，同時早期強(qiáng)度得到改善，而后期強(qiáng)度基本無影響。

（2）混合材的粉磨時間不宜過久，否則易產(chǎn)生過粉磨而使微細(xì)顆粒重新產(chǎn)生團(tuán)聚，進(jìn)而對水泥實(shí)際性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

由于水泥的初、終凝時間影響到產(chǎn)品的工藝應(yīng)用性能，而早期、晚期強(qiáng)度則影響到其安全性能。因此，在制備復(fù)合硅酸鹽水泥時，應(yīng)根據(jù)顆粒堆積理論以及各組份材料的不同特性，選擇不同的粉磨工藝分別處理，以便產(chǎn)品性能得到最大優(yōu)化。

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