矿渣粉细度分类与优化❋

靳秀芝,赵宏杰,韩 涛,,韩铁宝,李新建,韩建清

(1.中北大学材料科学与工程学院,山西太原 030051;2.天津振兴水泥有限公司,天津 300400;

(3.中北大学-智海企业集团水泥混凝土技术研发中心,山西太原 030031;4.山西淮海机电有限公司,山西长治 046012)

0 引 言

矿渣粉用在混凝土中具有成本低、工作性好、后期强度高、水化热低、耐久性好等优点,使其成为配制高强高性能混凝土的必要组分之一[1-3].矿渣粉性能的好坏主要取决于其粉磨细度.通常情况下,矿渣粉越细,比表面积越大,活性越高.提高矿渣粉细度一度成为提高矿渣粉质量的主要手段[4-5].新国标《GB/T18046-2008用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》也把矿渣粉的比表面积由“S75,S95,S105均不小于 350 m2/kg”改为“S75≥300 m2/kg,S95≥400 m2/kg,S105≥500 m2/kg”.但用在混凝土中的矿渣粉比表面积并不是越高越好,矿渣粉太细会引起工作性变差、粉磨能耗大幅度提高等问题,如何将矿渣粉的细度控制在合理范围成为困扰超细矿渣粉生产企业的主要问题[6].掺矿渣粉胶砂抗压强度比是决定矿渣粉等级的最主要指标,研究矿渣粉细度对抗压强度的影响并在此基础上确定矿渣粉的最佳细度范围,对矿渣粉生产和其在混凝土中的应用具有重要的指导意义.

1 试验原料及试验方法

1.1 试验原料

水淬高炉矿渣为长治钢铁集团公司 3,7号高炉产生,熟料来源于山西双良水泥有限公司.熟料、矿渣的比重分别为 3.16 g/cm3,2.95 g/cm3.原料的化学成分见表 1,性能见表 2.

表2 水泥物理性能表Tab.2 Physical property of cement

利用Φ500×500 mm的标准试验磨机粉磨制备 7种矿渣粉和 1种熟料粉,其粉磨时间与比表面积见表 3.矿渣粉与熟料粉以不同的比例混合成矿渣水泥粉体(石膏掺量固定为 4%).

表3 矿渣粉与熟料粉的粉磨时间与比表面积Tab.3 Grinding time and specific surface area of slag and clinker

1.2 试验方法

1.2.1 比表面积测定

BS-1型勃氏透气法比表面积测试仪,依 GB/T8074-2008进行.

1.2.2 水泥胶砂强度测定

按照 GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》(ISO),测定标准养护试件 3 d,7 d,28 d的试样抗压强度(见表 4～ 表 6).

表4 矿渣水泥的 3d抗压强度Tab.43 d compressive streng th of slag cement

表5 矿渣水泥的 7 d抗压强度Tab.57 d compressive streng th of slag cement

表6 矿渣水泥的 28 d抗压强度Tab.628 d compressive strength of slag cement

2 结果与分析

2.1 矿渣粉对水泥强度影响表述

为了便于分析矿渣粉的质量水平及其对矿渣水泥的影响程度,先采用 GB/T18046-2008规定的强度比法进行数据处理.

2.2 弱化缓冲算子构建

从矿渣粉对水泥水化硬化影响的机理上来看,其细度和掺量引起水泥强度的变化是连续的.由于硬化水泥石是固、液、气组成的多孔体系,孔隙分布的不均匀性和操作人员的偶然误差都会引起强度及强度测定值的波动.这些波动引起的随机误差,会掩盖矿渣粉的细度和掺量对矿渣水泥强度的作用规律.为了消除偶然因素对试验结果的影响,凸显规律性,本文采用弱化缓冲算子对数据进行了处理(以 3 d抗压强度为例,见表 7,表 8和图 1).弱化缓冲算子[7]定义为：设原始数据序列为

令

其中

该算子符合不动点公理、信息充分利用公理、规范化公理等缓冲算子三公理.

表7 矿渣水泥 3 d抗压强度比Tab.7 Ratio of3d compressive strength of slag cement

表8 矿渣水泥修正后的 3d抗压强度比Tab.8 Ratio of 3 d compressive streng th of slag cement after adjusting

利用公式(4)对表 7中数据进行处理可得表 8.矿渣水泥修正后的 3 d抗压强度比与矿渣粉比表面积、矿渣粉掺量的关系如图 1所示.对比表 7、表 8及图 1可以看出,修正后的数据比修正前的数据曲线光滑了许多.表 8中由于偶然因素引起的数据间的差别比表7中的小很多,说明偶然因素对规律的影响小了.弱化算子确实起到了淡化扰动对数据的影响,但同时也降低了强度的增长率,分析水泥强度变化时应注意.

图1 掺矿渣粉水泥 3 d的抗压强度比Fig.1 Ratio of 3 d compressive strength of slag cement

2.3 矿渣粉比表面积对水泥强度的影响

2.3.1 矿渣粉比表面积对水泥早期(3 d)抗压强度的影响

由图 1(b)知,不同比表面积矿渣粉在不同掺量下对水泥 3 d抗压强度的影响规律可分成 3类：

第一类矿渣粉(粗矿渣粉)是比表面积为 350～400 m2/kg(＜400 m2/kg).此类矿渣粉的比表面积与常用水泥粉体比表面积相当,掺入水泥中,造成矿渣水泥 3 d抗压强度比大都低于 100,说明掺入此类矿渣粉后,会造成水泥 3天抗压强度降低;同时,3 d抗压强度比值随着矿渣粉掺量的增加而迅速下降,说明掺入此类矿渣粉水泥的 3 d抗压强度会随着矿渣粉掺量的增加而迅速减小;掺 414(400)m2/kg矿渣粉水泥的强度比都大于掺 344(350)m2/kg矿渣粉水泥的强度比,说明掺此类矿渣水泥的 3 d抗压强度随着矿渣比表面积的增大而增大.

第二类矿渣粉(细矿渣粉)的比表面积为 450～ 550 m2/kg.掺此类矿渣粉水泥的 3 d抗压强度比值基本上都在 100～ 115之间波动,说明掺入此类矿渣粉,不会引起矿渣水泥 3 d强度降低,对矿渣水泥 3 d抗压强度提高也不明显.掺 441 m2/kg,500 m2/kg,549 m2/kg矿渣粉水泥的 3 d抗压强度比值缠绕在一起,说明在比表面积 441(450)～ 549(550)m2/kg范围内,通过增加矿渣粉的细度对提高水泥的 3d抗压强度作用不明显.3 d抗压强度比值随矿渣掺量变化比较平缓,说明掺此类矿渣粉水泥的 3 d抗压强度随矿渣掺量变化不大.

第三类矿渣粉(超细矿渣粉)的比表面积为 600～ 650 m2/kg(＞ 600 m2/kg).掺此类矿渣粉水泥的3 d抗压强度比值远高于 100,说明此类矿渣粉掺入水泥可大大提高 3 d抗压强度.可以明显看出,矿渣粉比表面积在 603(600)～ 640(650)m2/kg范围内,矿渣水泥的 3 d抗压强度随着矿渣比表面积的增大而增大.3d抗压强度比值随着矿渣粉掺量的增加而迅速上升,且随着矿渣掺量的增加两者差距变大,掺此类矿渣粉水泥的 3d抗压强度随着矿渣粉掺量的增加而迅速增加,且比表面积越大,3 d抗压强度随掺量增加得越快.

2.3.2 矿渣粉比表面积对水泥中后期(7 d,28 d)抗压强度的影响

根据表 5,表 6利用公式(1),(4)可得矿渣水泥 7 d,28 d的抗压强度比图(图 2和图 3).考虑 7 d,28 d抗压强度时,矿渣粉按比表面积也可以分成同样的 3类.其中矿渣粉细度和掺量对水泥 7 d抗压强度的影响规律与其对水泥3天抗压强度的影响规律极为相似.矿渣粉细度和掺量对水泥 28 d抗压强度的影响规律与其对水泥 3 d,7 d抗压强度的影响规律也较为相似,与 3 d强度影响规律不同的是第一类矿渣粉掺入水泥后,其 28 d抗压强度大于不掺矿渣粉的水泥 28 d抗压强度,这又一次证明矿渣粉对水泥后期有增强作用.

图2 掺矿渣粉水泥修正后的 7 d抗压强度比Fig.27 d compressive strength ratio of slag cement after adjusting

图3 掺矿渣粉水泥修正后的 28 d抗压强度比Fig.328 d compressiv e streng th ratio of slag cement after adjusting

2.3.3 矿渣粉比表面积对各龄期水泥抗压强度增强效果的对比

固定矿渣粉的掺量为 50%,作掺矿渣水泥各龄期抗压强度比随矿渣粉比表面积变化图(图 4).用直线分别拟合 3 d,7 d,28 d抗压强度比随矿渣粉比表面积变化,得到直线的斜率分别为 0.1167,0.1282,0.0953.说明提高矿渣粉细度更有利于提高矿渣水泥的早期强度,可以解决掺矿渣粉水泥基材料早期强度低的问题.

2.4 矿渣粉细度最优设计

在研究涉及的范围内,随着矿渣粉比表面积的提高,矿渣粉的品质有两次飞跃.一是比表面积由400 m2/kg提高到 450或 500 m2/kg,即由第一类矿渣粉转化为第二类矿渣粉,矿渣粉磨时间增加了10 min,在矿渣粉掺量为 50% 时,矿渣水泥 3 d,7 d,28 d抗压强度比分别增加 13.8%,14.8%,13.9%.一是比表面积由 550 m2/kg提高到600 m2/kg,由第二类矿渣粉转化为第三类矿渣粉,粉磨时间增加了 24 min,在矿渣粉掺量为 50% 时,矿渣水泥 3 d,7 d,28 d抗压强度比分别增加11.5%,12.3%,8.4%.而比表面积由 450 m2/kg提高到 550 m2/kg(第二类矿渣粉),粉磨时间增加了31 min,在矿渣粉掺量为 50% 时,矿渣水泥 3 d,7 d,28 d抗压强度比仅分别增加 0.8%,5.3%,2.4%.当矿渣粉较粗时(第一类矿渣粉)不能充分发挥矿渣粉的增强作用,矿渣粉太细时(第三类矿渣粉)粉磨能耗大幅度提高(140 min/66 min),在满足要求的条件下,第二类矿渣粉细度比较合适.结合细度对抗压强度的影响规律,比表面积控制在 450～ 500 m2/kg可望达到最佳性能经济指标.

图4 矿渣粉比表面积对水泥抗压强度比影响Fig.4 Effects of specificl area of gg bs on compressive streng th ratio

3 结 论

1)按矿渣粉细度和掺量对水泥强度的影响规律可以把矿渣粉分成 3类：第一类矿渣粉是比表面积为 350～ 400 m2/kg(＜400 m2/kg),不能充分发挥矿渣粉的增强作用;第三类矿渣粉是比表面积为600～ 650 m2/kg(＞600 m2/kg),增强效果好,但粉磨能耗高,生产成本高;第二类矿渣粉的比表面积为450～550 m2/kg,增强效果较好,粉磨能耗较低.

2)提高矿渣粉细度有利于提高矿渣水泥的早期强度,可解决掺矿渣粉水泥基材料早强低的问题.

3)矿渣粉比表面积控制在 450～500 m2/kg范围内,可望达到最佳性能经济指标.

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