再生微粉與礦渣對水泥性能影響的對比分析

朱有祿，鄒衛雄，殷　明，朱　金

(1.西安工業大學建筑工程學院， 陜西西安710021；2.中國有色金屬工業勘察設計研究院， 陜西西安710054)

?

再生微粉與礦渣對水泥性能影響的對比分析

朱有祿1，2，鄒衛雄1，殷明1，朱金1

(1.西安工業大學建筑工程學院， 陜西西安710021；2.中國有色金屬工業勘察設計研究院， 陜西西安710054)

為研究再生微粉與礦渣對水泥性能的影響，進行了再生微粉與礦渣對水泥性能的影響試驗，并對比分析了實驗數據。實驗結果顯示：隨著再生微粉和礦渣摻量的增加各齡期水泥膠砂強度降低，當摻量大于50%時，膠砂強度和強度比均降低較大，且流動度呈現逐漸減小；當摻量大于30%時，膠砂流動度降低較大，此時再生微粉的標準稠度用水量增加速度相對加快，而礦渣標準稠度用水量增加速度則相對變慢；再生微粉和礦渣粉的加入使凈漿的初凝時間縮短，當摻量大于10%時，初凝時間隨著摻量的增大而緩慢減小，終凝時間卻沒有規律。得出的結論對工程選用水泥有一定的參考價值。

再生微粉；礦渣；水泥；對比分析

0　引　言

在生產水泥過程中，熟料的制備需要消耗很多能源，排放的氣體也會危害大氣。國內很多學者都對以礦渣為主要成分的堿激發礦渣水泥、石膏—石灰激發礦渣水泥等無熟料水泥進行了一定程度的研究，并進行了一些產業化和工業化的應用，但由于運用中發現存在各種缺陷，大部分建筑已經不用這種水泥了。很多建筑垃圾對環境都有不同程度的危害，而這類膠凝材料因其環保而具有廣闊的發展前景，因此人們一直沒有停止過探索和研究[1-8]。據調查可知，鋼渣和脫硫石膏在水泥和混凝土中使用的時間較長，以前相關研究中表明，鋼渣和脫硫石膏都是有活性成分的工業廢渣，但由于鋼渣的活性較低，所以在水泥基材料中摻入鋼渣和脫硫石膏的量是有限的[9-12]。目前，有學者以工業廢渣為主要原料，摻加外加劑，運用制備陶粒工藝，制備膠凝性能的材料[13-15]。基于目前研究現狀，本文選取再生微粉與礦渣粉用于性能調節輔助膠凝材料生產，依據再生微粉和礦渣的成分特點，對再生微粉與生產用的礦渣進行了對水泥性能的對比試驗研究。

1　試驗原料及方法

1.1試驗原料

圖1　堆積狀的再生微粉Fig.1　The accumulation of recycled powder

本試驗采用的再生微粉是上海德濱環保科技有限公司生產的再生微粉，圖1為堆積狀的再生微粉。再生微粉的堆積密度為917kg/m3，密度為2 651kg/m3，本試驗中使用SBT-127型數顯勃氏透氣比表面積儀對其進行比表面積檢測，其檢測的結果是1 275m2/kg，其粒徑是小于0.08mm的再生磚粉和再生水泥石粉混合微粉，具有水化活性，各級性能指標達到二級粉煤灰標準，能夠部分代替水泥起到輔助膠凝材料作用，適用于水泥混合材。礦渣為上海寶鋼生產的水淬高爐礦渣，相對密度為2 921kg/m3，烘干后磨細至勃氏比表面積500m2/kg，為了得到再生微粉和礦渣的化學成分，分別對再生微粉和礦渣進行X射線熒光分析，兩者的化學成分見表1。

表1　試驗材料的化學成分Tab.1　The chemical composition of test materials　%

1.2試驗方法

本文將再生微粉和礦渣以不同比例[16](替代量 0～50%)替代水泥，以研究其對水泥膠砂強度、膠砂流動度、標準稠度用水量、凝結時間和體積安定性的影響。開始試驗準備時，需先把礦渣和再生微粉粉磨，因為粉磨后可以優化膠凝材料的孔隙，降低膠凝材料水化熱，提高體系的后期強度[17-19]。膠凝材料的細度檢測嚴格按照《水泥細度檢驗方法》(GB/T1345—2005)進行測定;對膠凝材料的膠砂強度測試按照《水泥膠砂強度檢驗方法》(GB/T17671—1999)標準進行膠砂強度試驗；對膠凝材料膠砂流動度試驗按照《水泥膠砂流動度測定方法》(GB/T2419-2005)的標準進行；標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法則按照《水泥標準稠度用量、凝結時間、安定性檢驗方法》(GB/T1346—2001)進行檢驗。

2　試驗結果及分析

2.1再生微粉與礦渣對水泥膠砂強度的影響對比

運用實驗的手段研究再生微粉對水泥膠砂強度的影響時，依據《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》版本《GB/T17671-1999》的規定進行膠砂試驗，并以礦粉作為對比。水泥采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥。再生微粉替代水泥的膠砂試驗方案及抗折和抗壓結果分別列于表2和表3。

表2　再生微粉與礦渣替代水泥的膠砂強度試驗方案及抗折強度試驗結果Tab.2　For recycled powder and slag cement mortar strength testing scheme and the test result of flexural strength

表3　再生微粉與礦渣替代水泥的膠砂強度試驗方案及抗壓強度試驗結果Tab.3　For recycled powder and slag cement mortar strength testing scheme and the test result of compressive strength

從表2和表3中可以看出：①隨著再生微粉和礦渣粉摻量的比例增，大不同齡期的水泥膠砂強度逐漸降低。這是由于等比例條件下，再生微粉和礦渣粉中CaO較水泥中的少，生成的2CaO·SiO2的比例在增大，而2CaO·SiO2的早期強度較低，后期強度高。在同一齡期時，摻量比例越大，其膠砂強度下降越快；在相同摻量和相同齡期時，礦渣中的CaO含量比再生微粉高，生成的3CaO·SiO2相對較多些，3CaO·SiO2的強度高，因此再生微粉替代水泥時的強度均小于礦渣粉，其在同齡期的強度下降趨勢亦比礦渣粉快。由此可見，再生微粉的膠凝性能低于礦渣粉。②兩種摻合料中，再生微粉膠砂強度比在各個齡期段都不同。因再生微粉中的CaO相對同等質量的水泥含量少，而Al2O3、Fe2O3含量比水泥高，生成的4CaO·Al2O3·Fe2O3多，4CaO·Al2O3·Fe2O3強度低，所以再生微粉的摻量越多，水泥抗折強度比和抗壓強度比越小。3～7d，水泥抗折強度比基本上不變，而抗壓強度比緩慢增大；7～28d，水泥抗折強度比隨著齡期的增長而緩慢增大，而抗壓強度比增長幅度較小。③兩種摻合料中，礦渣粉膠砂強度比在各個齡期段也都不同。因礦渣粉中的CaO相對同等質量的水泥含量少，而Al2O3含量比水泥高，生成部分4CaO·Al2O3·Fe2O3，4CaO·Al2O3·Fe2O3強度低，所以礦渣粉的摻量越多，水泥抗折強度比和抗壓強度比越小。水泥抗折強度比從3～7d時，隨著齡期的增加基本上不變，抗壓強度比隨著齡期的增長緩慢增長；而在7～28d時，隨著齡期的增加，抗折強度比有所增加，摻量越多，抗折強度比增長越快，而抗壓強度比略有所減小。可見其抗壓強度比在不同齡期呈現出不同的變化態勢。④再生微粉在相同摻量替代水泥時的強度比均小于礦渣粉，因為同等質量下，再生微粉中SiO2和Fe2O3含量較礦渣多，生成2CaO·SiO2和4CaO·Al2O3·Fe2O3較多，二者的強度都低，所以再生微粉在同齡期的強度比下降趨勢比礦渣粉快。摻量越大，再生微粉和礦渣粉的強度比的差距越大，隨著齡期的增加，兩者強度比差距慢慢縮小，齡期繼續增大，兩者強度比差距又慢慢增大。可見再生微粉的活性及膠凝性能和礦渣粉不相同，礦渣粉的活性及膠凝性能大于再生微粉。當摻量在20%以內時，再生微粉膠砂的強度下降比例在30%以內；當摻量達到50%時，再生微粉膠砂的強度下降比例較大，可達60%以上。

2.2再生微粉與礦渣對水泥膠砂流動度的影響對比分析

研究再生微粉對水泥膠砂流動度的影響時，其試驗標準按照《水泥膠砂流動度測定方法》(GB/T2419-2005)的規定進行，并以礦粉作為對比。對于試驗的基準配合比[15]按水泥∶砂∶水=450∶1 350∶225。再生微粉和礦渣粉替代水泥的膠砂流動度試驗方案及其膠砂流動度列于表4。

表4　再生微粉和礦渣粉替代水泥的膠砂流動度試驗方案及結果Tab.4　Recycled powder and slag powder instead of fluidity of cement mortar test scheme and results

由試驗結果表4可以看出，水泥膠砂流動度隨著再生微粉和礦渣粉摻量的增加而呈現逐漸減小的趨勢。摻量越大，水泥膠砂流動度下降越快。在相同摻量下，再生微粉水泥膠砂流動度比礦渣水泥膠砂流動度小。當摻量大于30%時，膠砂流動度降低較大。由于再生微粉中含Al2O3較多，標準稠度需水量更大，所以再生微粉的膠砂流動度相比礦渣降低幅度更大。由表4還可看出水泥膠砂流動度比的變化，隨著再生微粉和礦渣粉摻量的增加，水泥膠砂流動度比呈現逐漸下降的趨勢。摻量越大，水泥膠砂流動度比下降越快。在相同摻量下，再生微粉水泥膠砂流動度比要比礦渣水泥膠砂流動度比小，說明在相同摻量下再生微粉膠砂流動度下降大于礦渣粉，也說明相同稠度下再生微粉的需水量更大。

2.3再生微粉與礦渣對水泥標準稠度用水量的影響對比分析

研究再生微粉對水泥標準稠度用水量的影響，進行試驗依據《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》(GB/T1346-2001)的規定來進行，并以礦粉作為對比。試驗通過測出不同含水量水泥凈漿的穿透性，確定水泥標準稠度凈漿中所需加入的水量。圖2為水泥凈漿制作過程及標準稠度用水量的測定。再生微粉和礦渣粉替代水泥標準稠度用水量的試驗方案及結果列于表5中。

(a) 水泥漿攪拌及制作

項目摻合料類型摻量/%01020304050標準稠度用水量/%再生微粉29.231.632.433.234.836.4礦渣粉29.229.630.832.433.434.0

由試驗結果表5可見，水泥凈漿標準稠度需水量隨再生微粉和礦渣粉摻量的增加逐漸增加。其中，再生微粉在摻量為50%時的需水量(36.4%)比純水泥凈漿(29.2%)多7.2%，礦渣粉在摻量為50%時的需水量(34.0%)比純水泥凈漿(29.2%)多4.8%。在相同摻量時，再生微粉中含Fe2O3較礦渣多，生成4CaO·Al2O3·Fe2O3較多，因此再生微粉標準稠度用水量比礦渣粉標準稠度用水量大些。在摻量超過30%時，再生微粉的標準稠度用水量增加速度相對變快，而礦渣標準稠度用水量增加速度相對變慢。

2.4再生微粉與礦渣對水泥凝結時間的影響對比

實驗通過記錄試針沉入水泥標準稠度凈漿至一定深度所需的時間來推定水泥凝結時間。用再生微粉和礦渣粉替代水泥凝結時間測定實驗方案及結果列于表6。

表6　再生微粉和礦渣粉替代水泥凝結時間測定的試驗方案Tab.6　Recycled powder and slag powder to replace cement setting time determination test scheme

由試驗結果表6可見，再生微粉和礦渣粉的加入使凈漿的初凝時間縮短，且初凝時間隨著摻量的增大而減小。與純水泥凈漿的初凝時間(192min)相比，當摻量為50%時，再生微粉使凈漿初凝時間縮短了32min，礦渣粉使凈漿初凝時間縮短了24min。由于再生微粉中含Fe2O3比礦渣高，生成4CaO·Al2O3·Fe2O3較多，其硬化速度快，故再生微粉膠砂漿初凝時間較礦渣膠凝砂漿初凝時間短。再生微粉和礦渣粉的加入使凈漿終凝時間沒有明顯的變化規律，但其變化幅度均不大，圍繞著凈漿終凝時間上下波動，摻合料的加入對終凝時間沒有顯著的影響。

3　結　論

通過對再生微粉與礦渣進行的對比試驗研究，得出如下結論：

①再生微粉的活性及膠凝性能均小于礦渣粉；再生微粉摻量越大，水泥膠砂強度下降越快。在低摻量條件下，再生微粉對膠砂強度影響較小，當再生微粉摻量大于50%時，膠砂強度降低較大；各齡期水泥膠砂強度隨著再生微粉和礦渣摻量的增加而降低，但強度比隨著齡期的增長而增大，可見隨著齡期的增長，其強度下降幅度變小。

②相同稠度下再生微粉的耗水量大于礦渣粉；且隨著再生微粉和礦渣粉摻量的不斷增加，水泥膠砂流動度呈現逐漸減小的趨勢；摻量越大，水泥膠砂流動度下降越快；在低摻量條件下，再生微粉和礦渣對膠砂流動度影響較小，當摻量大于30%時，膠砂流動度降低較大。

③在相同摻量時，再生微粉標準稠度用水量比礦渣粉標準稠度用水量大。在摻量超過30%時，再生微粉的標準稠度用水量增加速度相對加快，而礦渣標準稠度用水量增加速度相對變慢。從以上結果可見，隨著再生微粉和礦粉的加入，水泥凈漿用水量變化較大，其中再生微粉的加入對標準稠度用水帶來的影響更為顯著。

④再生微粉和礦渣粉的加入使凈漿的初凝時間縮短，且初凝時間隨著摻量的增大而減小；但其加入使凈漿終凝時間沒有明顯的變化規律，其變化幅度均不大，圍繞著凈漿終凝時間上下波動，摻合料的加入對終凝時間沒有顯著影響。

[1]王玉江,程麟,李東旭等.礦渣粉煤灰的優勢互補效應[J]. 南京化工大學學報，2000,22 (3):26-30.

[2]李東旭.少熟料礦渣粉煤灰復合水泥的性能研究[J]. 材料科學與工程，2001,19 (3):74-75.

[3]姜奉華,徐德龍.少熟料礦渣水泥的理論與實踐[J]. 房材與應用，2006(34):5-7.

[4]孫巖,孫可偉,郭遠臣.再生混凝土的利用現狀及性能研究[J]. 混凝土,2010(3)：105-107.

[5]石峰,寧利中,劉曉峰,等.建筑固體廢物資源化綜合利用[J]. 水資源與水工程學報，2007,18(5)：39-41.

[6]邱樹恒,王軍,馮慶革,等.建筑垃圾再生粗細骨料對混凝土強度的影響[J]. 廣西大學學報(自然科學版),2011,36(3):518-524.

[7]張景富,丁虹,代奎.礦渣—粉煤灰混合材料水化產物微觀結構和性能[J]. 硅酸鹽學報，2007,35(5):633-637.

[8]王薇,倪文,張旭芳,等.無熟料礦渣粉煤灰膠凝材料強度影響因素研究[J]. 新型建筑材料，2007,34(12): 8-11.

[9]陳福旦,孫家瑛,車乘乘.脫硫石膏無熟料鋼渣基膠材料的試驗研究[J]. 混凝土，2012(2):83-85.

[10]胡術剛,牛海麗,呂憲俊.脫硫石膏綜合利用研究[J]. 混凝土，2009(5):95-98.

[11]朱明,胡曙光,丁慶軍.鋼渣用作水泥基材料的問題研討[J]. 武漢理工大學學報，2005,27(6):48-52.

[12]PANGXM，XUMX，LINGH.Rhcologicalpropertiesandthixotropymodelofconcentratedaqueoussiliconslurryforgelcasting[J].ColloidsandSurfacesA:PhysicoChem.Eng,2008,5:136-145.

[13]周君生.利用工業廢渣制備多微孔膠凝材料的研究[D]. 南寧:廣西大學,2012.

[14]田洪臣,段緒勝,王福忠,等.建筑垃圾的綜合應用[J]. 山東農業大學學報：自然科學版，2006，37(1):109-112.

[15]李貞.混凝土廢棄物制備高品質再生骨料與再生混凝土及其性能研究[D]. 南寧:廣西大學,2011.

[16]孫麗蕊.再生微粉材性及其對再生制品影響的研究[D]. 北京:北京建筑工程學院, 2012.

[17]KUMARS,KUMARR,BANDOPADHYY,etal.Mechanicalactivationofgranulatedblastfurnaceslaganditseffectonthepropertiesandstructureofportlandslagcement[J].CementandConcreteComposites, 2008,30(8):679-685.

[18]BINICIH,TEMIZM,KOSEM.Theeffectoffinenessonthepropertiesoftheblendedcementsincorporatinggroundgranulatedblastfurnaceslagandgroundbasalticpumice[J].ConstructionandBuildingMaterials,2007,21(5):1122-1128.

[19]邵江.利用再生骨料制備再生混凝土及其性能的研究[D]. 南寧:廣西大學,2013.

(責任編輯唐漢民梁健)

Influences of recycled powder and slag on cement performance

ZHU You-lu1，2， ZOU Wei-xiong1, YIN Min1, ZHU Jin1

( 1.SchoolofCivilEngineering，Xi’anTechnologyUniversity,Xi’an710021，China；2.TheChinaNonferrousMetalsIndustrySurveyandDesignInstitute,Xi’an710054，China)

Toresearchtheinfluencesofrecycledpowderandslagoncement,relevantexperimentswereconducted,andtheresultswerecomparedandanalyzed.Theexperimentalresultsindicatethatthestrengthofcementofdifferentagesdecreaseswiththeincreaseofrecycledpowderandslag;thatthemortarstrengthandintensityratiodecreasedgreatlyasthecontentsurpassed50%;that,whenthecontentishigherthan30%,thefluidityofthecementmortargraduallydecreaseswiththeincreaseofrecycledpowderandslag,andtheincrementofwaterrequirementfornormalconsistencyofrecycledpowderacceleratedrelatively,whiletheincrementofwaterrequirementfornormalconsistencyofslagdecreasedrelatively.Themixingofrecycledpowderandslagshortenedtheinitialsettingtime,andtheinitialsettingtimedecreasedwiththeincreaseofthecontentwhenitislargerthan10%.Thevariationoffinalsettingtimehasnoregularity.Theconclusionshaveacertainreferencevaluefortheselectionofcementinpracticalengineering.

recycledpowder;slag;cement;comparativeanalysis

2015-12-30；

2016-05-23

陜西省科學技術研究發展計劃項目(2013K-04-12)

朱有祿(1969—)，男，甘肅會寧人，中國有色金屬工業勘察設計研究院高級工程師;E-mail：934290083@qq.com。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1214

TU528.59

A

1001-7445(2016)04-1214-06

引文格式：朱有祿，鄒衛雄，朱金.再生微粉與礦渣對水泥性能影響的對比分析[J].廣西大學學報(自然科學版)，2016，41(4)：1214-1219.