再生微粉與礦渣對(duì)水泥性能影響的對(duì)比分析

朱有祿，鄒衛(wèi)雄，殷　明，朱　金

(1.西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院， 陜西西安710021；2.中國(guó)有色金屬工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院， 陜西西安710054)

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再生微粉與礦渣對(duì)水泥性能影響的對(duì)比分析

朱有祿1，2，鄒衛(wèi)雄1，殷明1，朱金1

(1.西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院， 陜西西安710021；2.中國(guó)有色金屬工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院， 陜西西安710054)

為研究再生微粉與礦渣對(duì)水泥性能的影響，進(jìn)行了再生微粉與礦渣對(duì)水泥性能的影響試驗(yàn)，并對(duì)比分析了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(qiáng)度降低，當(dāng)摻量大于50%時(shí)，膠砂強(qiáng)度和強(qiáng)度比均降低較大，且流動(dòng)度呈現(xiàn)逐漸減小；當(dāng)摻量大于30%時(shí)，膠砂流動(dòng)度降低較大，此時(shí)再生微粉的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量增加速度相對(duì)加快，而礦渣標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量增加速度則相對(duì)變慢；再生微粉和礦渣粉的加入使凈漿的初凝時(shí)間縮短，當(dāng)摻量大于10%時(shí)，初凝時(shí)間隨著摻量的增大而緩慢減小，終凝時(shí)間卻沒(méi)有規(guī)律。得出的結(jié)論對(duì)工程選用水泥有一定的參考價(jià)值。

再生微粉；礦渣；水泥；對(duì)比分析

0　引　言

在生產(chǎn)水泥過(guò)程中，熟料的制備需要消耗很多能源，排放的氣體也會(huì)危害大氣。國(guó)內(nèi)很多學(xué)者都對(duì)以礦渣為主要成分的堿激發(fā)礦渣水泥、石膏—石灰激發(fā)礦渣水泥等無(wú)熟料水泥進(jìn)行了一定程度的研究，并進(jìn)行了一些產(chǎn)業(yè)化和工業(yè)化的應(yīng)用，但由于運(yùn)用中發(fā)現(xiàn)存在各種缺陷，大部分建筑已經(jīng)不用這種水泥了。很多建筑垃圾對(duì)環(huán)境都有不同程度的危害，而這類膠凝材料因其環(huán)保而具有廣闊的發(fā)展前景，因此人們一直沒(méi)有停止過(guò)探索和研究[1-8]。據(jù)調(diào)查可知，鋼渣和脫硫石膏在水泥和混凝土中使用的時(shí)間較長(zhǎng)，以前相關(guān)研究中表明，鋼渣和脫硫石膏都是有活性成分的工業(yè)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(xué)者以工業(yè)廢渣為主要原料，摻加外加劑，運(yùn)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(xiàn)狀，本文選取再生微粉與礦渣粉用于性能調(diào)節(jié)輔助膠凝材料生產(chǎn)，依據(jù)再生微粉和礦渣的成分特點(diǎn)，對(duì)再生微粉與生產(chǎn)用的礦渣進(jìn)行了對(duì)水泥性能的對(duì)比試驗(yàn)研究。

1　試驗(yàn)原料及方法

1.1試驗(yàn)原料

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

本試驗(yàn)采用的再生微粉是上海德濱環(huán)保科技有限公司生產(chǎn)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(yàn)中使用SBT-127型數(shù)顯勃氏透氣比表面積儀對(duì)其進(jìn)行比表面積檢測(cè)，其檢測(cè)的結(jié)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(jí)性能指標(biāo)達(dá)到二級(jí)粉煤灰標(biāo)準(zhǔn)，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(chǎn)的水淬高爐礦渣，相對(duì)密度為2 921kg/m3，烘干后磨細(xì)至勃氏比表面積500m2/kg，為了得到再生微粉和礦渣的化學(xué)成分，分別對(duì)再生微粉和礦渣進(jìn)行X射線熒光分析，兩者的化學(xué)成分見表1。

表1　試驗(yàn)材料的化學(xué)成分Tab.1　The chemical composition of test materials　%

1.2試驗(yàn)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(duì)水泥膠砂強(qiáng)度、膠砂流動(dòng)度、標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間和體積安定性的影響。開始試驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)，需先把礦渣和再生微粉粉磨，因?yàn)榉勰ズ罂梢詢?yōu)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(qiáng)度[17-19]。膠凝材料的細(xì)度檢測(cè)嚴(yán)格按照《水泥細(xì)度檢驗(yàn)方法》(GB/T1345—2005)進(jìn)行測(cè)定;對(duì)膠凝材料的膠砂強(qiáng)度測(cè)試按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》(GB/T17671—1999)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)；對(duì)膠凝材料膠砂流動(dòng)度試驗(yàn)按照《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》(GB/T2419-2005)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行；標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法則按照《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》(GB/T1346—2001)進(jìn)行檢驗(yàn)。

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1再生微粉與礦渣對(duì)水泥膠砂強(qiáng)度的影響對(duì)比

運(yùn)用實(shí)驗(yàn)的手段研究再生微粉對(duì)水泥膠砂強(qiáng)度的影響時(shí)，依據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》版本《GB/T17671-1999》的規(guī)定進(jìn)行膠砂試驗(yàn)，并以礦粉作為對(duì)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(yàn)方案及抗折和抗壓結(jié)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(qiáng)度試驗(yàn)方案及抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)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(qiáng)度試驗(yàn)方案及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)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(qiáng)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(qiáng)度較低，后期強(qiáng)度高。在同一齡期時(shí)，摻量比例越大，其膠砂強(qiáng)度下降越快；在相同摻量和相同齡期時(shí)，礦渣中的CaO含量比再生微粉高，生成的3CaO·SiO2相對(duì)較多些，3CaO·SiO2的強(qiáng)度高，因此再生微粉替代水泥時(shí)的強(qiáng)度均小于礦渣粉，其在同齡期的強(qiáng)度下降趨勢(shì)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(qiáng)度比在各個(gè)齡期段都不同。因再生微粉中的CaO相對(duì)同等質(zhì)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(qiáng)度低，所以再生微粉的摻量越多，水泥抗折強(qiáng)度比和抗壓強(qiáng)度比越小。3～7d，水泥抗折強(qiáng)度比基本上不變，而抗壓強(qiáng)度比緩慢增大；7～28d，水泥抗折強(qiáng)度比隨著齡期的增長(zhǎng)而緩慢增大，而抗壓強(qiáng)度比增長(zhǎng)幅度較小。③兩種摻合料中，礦渣粉膠砂強(qiáng)度比在各個(gè)齡期段也都不同。因礦渣粉中的CaO相對(duì)同等質(zhì)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(qiáng)度低，所以礦渣粉的摻量越多，水泥抗折強(qiáng)度比和抗壓強(qiáng)度比越小。水泥抗折強(qiáng)度比從3～7d時(shí)，隨著齡期的增加基本上不變，抗壓強(qiáng)度比隨著齡期的增長(zhǎng)緩慢增長(zhǎng)；而在7～28d時(shí)，隨著齡期的增加，抗折強(qiáng)度比有所增加，摻量越多，抗折強(qiáng)度比增長(zhǎng)越快，而抗壓強(qiáng)度比略有所減小。可見其抗壓強(qiáng)度比在不同齡期呈現(xiàn)出不同的變化態(tài)勢(shì)。④再生微粉在相同摻量替代水泥時(shí)的強(qiáng)度比均小于礦渣粉，因?yàn)橥荣|(zhì)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(qiáng)度都低，所以再生微粉在同齡期的強(qiáng)度比下降趨勢(shì)比礦渣粉快。摻量越大，再生微粉和礦渣粉的強(qiáng)度比的差距越大，隨著齡期的增加，兩者強(qiáng)度比差距慢慢縮小，齡期繼續(xù)增大，兩者強(qiáng)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(dāng)摻量在20%以內(nèi)時(shí)，再生微粉膠砂的強(qiáng)度下降比例在30%以內(nèi)；當(dāng)摻量達(dá)到50%時(shí)，再生微粉膠砂的強(qiáng)度下降比例較大，可達(dá)60%以上。

2.2再生微粉與礦渣對(duì)水泥膠砂流動(dòng)度的影響對(duì)比分析

研究再生微粉對(duì)水泥膠砂流動(dòng)度的影響時(shí)，其試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)按照《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》(GB/T2419-2005)的規(guī)定進(jìn)行，并以礦粉作為對(duì)比。對(duì)于試驗(yàn)的基準(zhǔn)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(dòng)度試驗(yàn)方案及其膠砂流動(dòng)度列于表4。

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

由試驗(yàn)結(jié)果表4可以看出，水泥膠砂流動(dòng)度隨著再生微粉和礦渣粉摻量的增加而呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。摻量越大，水泥膠砂流動(dòng)度下降越快。在相同摻量下，再生微粉水泥膠砂流動(dòng)度比礦渣水泥膠砂流動(dòng)度小。當(dāng)摻量大于30%時(shí)，膠砂流動(dòng)度降低較大。由于再生微粉中含Al2O3較多，標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量更大，所以再生微粉的膠砂流動(dòng)度相比礦渣降低幅度更大。由表4還可看出水泥膠砂流動(dòng)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(dòng)度比呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。摻量越大，水泥膠砂流動(dòng)度比下降越快。在相同摻量下，再生微粉水泥膠砂流動(dòng)度比要比礦渣水泥膠砂流動(dòng)度比小，說(shuō)明在相同摻量下再生微粉膠砂流動(dòng)度下降大于礦渣粉，也說(shuō)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(duì)水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量的影響對(duì)比分析

研究再生微粉對(duì)水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量的影響，進(jìn)行試驗(yàn)依據(jù)《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》(GB/T1346-2001)的規(guī)定來(lái)進(jìn)行，并以礦粉作為對(duì)比。試驗(yàn)通過(guò)測(cè)出不同含水量水泥凈漿的穿透性，確定水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度凈漿中所需加入的水量。圖2為水泥凈漿制作過(guò)程及標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量的測(cè)定。再生微粉和礦渣粉替代水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量的試驗(yàn)方案及結(jié)果列于表5中。

(a) 水泥漿攪拌及制作

項(xiàng)目摻合料類型摻量/%01020304050標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)結(jié)果表5可見，水泥凈漿標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(shí)的需水量(34.0%)比純水泥凈漿(29.2%)多4.8%。在相同摻量時(shí)，再生微粉中含F(xiàn)e2O3較礦渣多，生成4CaO·Al2O3·Fe2O3較多，因此再生微粉標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量比礦渣粉標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量大些。在摻量超過(guò)30%時(shí)，再生微粉的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量增加速度相對(duì)變快，而礦渣標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量增加速度相對(duì)變慢。

2.4再生微粉與礦渣對(duì)水泥凝結(jié)時(shí)間的影響對(duì)比

實(shí)驗(yàn)通過(guò)記錄試針沉入水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度凈漿至一定深度所需的時(shí)間來(lái)推定水泥凝結(jié)時(shí)間。用再生微粉和礦渣粉替代水泥凝結(jié)時(shí)間測(cè)定實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果列于表6。

表6　再生微粉和礦渣粉替代水泥凝結(jié)時(shí)間測(cè)定的試驗(yàn)方案Tab.6　Recycled powder and slag powder to replace cement setting time determination test scheme

由試驗(yàn)結(jié)果表6可見，再生微粉和礦渣粉的加入使凈漿的初凝時(shí)間縮短，且初凝時(shí)間隨著摻量的增大而減小。與純水泥凈漿的初凝時(shí)間(192min)相比，當(dāng)摻量為50%時(shí)，再生微粉使凈漿初凝時(shí)間縮短了32min，礦渣粉使凈漿初凝時(shí)間縮短了24min。由于再生微粉中含F(xiàn)e2O3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(shí)間較礦渣膠凝砂漿初凝時(shí)間短。再生微粉和礦渣粉的加入使凈漿終凝時(shí)間沒(méi)有明顯的變化規(guī)律，但其變化幅度均不大，圍繞著凈漿終凝時(shí)間上下波動(dòng)，摻合料的加入對(duì)終凝時(shí)間沒(méi)有顯著的影響。

3　結(jié)　論

通過(guò)對(duì)再生微粉與礦渣進(jìn)行的對(duì)比試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)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(qiáng)度下降越快。在低摻量條件下，再生微粉對(duì)膠砂強(qiáng)度影響較小，當(dāng)再生微粉摻量大于50%時(shí)，膠砂強(qiáng)度降低較大；各齡期水泥膠砂強(qiáng)度隨著再生微粉和礦渣摻量的增加而降低，但強(qiáng)度比隨著齡期的增長(zhǎng)而增大，可見隨著齡期的增長(zhǎng)，其強(qiáng)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(dòng)度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)；摻量越大，水泥膠砂流動(dòng)度下降越快；在低摻量條件下，再生微粉和礦渣對(duì)膠砂流動(dòng)度影響較小，當(dāng)摻量大于30%時(shí)，膠砂流動(dòng)度降低較大。

③在相同摻量時(shí)，再生微粉標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量比礦渣粉標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量大。在摻量超過(guò)30%時(shí)，再生微粉的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量增加速度相對(duì)加快，而礦渣標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量增加速度相對(duì)變慢。從以上結(jié)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)稠度用水帶來(lái)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(shí)間縮短，且初凝時(shí)間隨著摻量的增大而減小；但其加入使凈漿終凝時(shí)間沒(méi)有明顯的變化規(guī)律，其變化幅度均不大，圍繞著凈漿終凝時(shí)間上下波動(dòng)，摻合料的加入對(duì)終凝時(shí)間沒(méi)有顯著影響。

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(責(zé)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(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013K-04-12)

朱有祿(1969—)，男，甘肅會(huì)寧人，中國(guó)有色金屬工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院高級(jí)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(wèi)雄，朱金.再生微粉與礦渣對(duì)水泥性能影響的對(duì)比分析[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，41(4)：1214-1219.