矿渣混合水泥粒度分布研究❋

韩 涛,靳秀芝,崔冬梅

(1.中北大学 材料科学与工程学院,山西太原 030051;2.太原科技大学化学与生物工程学院,山西太原 030021)

众所周知,除细度外水泥粉体的粒度分布也是影响其性能的重要因素之一[1].细度相同的水泥,其性能可能有较大差异.在水泥水化早期,水泥各种颗粒的水化程度都较小,影响水泥性能的因素主要是粉体的堆积状态[2].而粉体的堆积状态主要是由水泥粉体的粒度分布决定的.只要水泥的粒度分布合理,在某一程度上可以获得较好的水泥性能.

矿渣粉对水泥强度、流动性等性能都有很大影响[3-5].掺入矿渣粉可改善水泥和混凝土的和易性,提高水泥浆体的密实度和后期强度.矿渣粉对水泥早期性能的影响主要是通过对水泥粉体的粒度分布影响进行的.目前,研究矿渣粉粒度分布对水泥性能影响的文献较多,而对矿渣粉粒度分布对矿渣水泥粒度分布影响的研究还未见报导.本文通过对矿渣粉粒度分布与矿渣水泥粒度分布表征参数之间关系的研究,揭示了矿渣粉粒度分布对水泥粒度分布的影响,为解释矿渣粉粒度分布对水泥性能的影响打下基础.

1 试验原料及试验方法

1.1 试验原料

熟料来源于山西双良水泥有限公司.高炉矿渣为长治钢铁集团公司 3,7号高炉产生的水淬矿渣.石膏来源于长治市.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.

表1 物料的化学成分Tab.1 Chemical composition of materials(wt/%)

利用Φ500 mm×500 mm的标准试验磨机粉磨制备 7种矿渣粉和两种熟料粉,矿渣粉与熟料粉以不同的比例混合成矿渣水泥粉体.

1.2 试验方法

①粉体比表面积测定.BS-1型勃氏透气法比表面积测试仪,依 GB/T8074-2008进行;②粉体比重测定.按 GB/T208-1994进行;③矿渣、熟料粉体粒度分布测定.Malvern激光粒度测试仪.

1.3 试验结果

矿渣粉与熟料粉的比表面积见表 2.矿渣粉与熟料粉的粒度分布见表 3.

表2 矿渣粉与熟料粉的比表面积Tab.2 Specific surface area of slag and clinker(m2/kg)

表3 熟料粉和矿渣粉颗粒群粒度分布Tab.3 PSD of slag and clinker powder(%)

2 结果分析与讨论

2.1 矿渣粉与熟料粉的分布特征

以 ln(ln(100/R(d)))为纵轴,ln(d)为横轴,利用 Origin软件作图,并对水泥熟料和矿渣粉的粒度分布进行拟合.其中：d为颗粒直径,μ m;R(d)为粒径为d的累积筛下,%.

拟合结果见表 4和图 1.由图 1和表 4可知,

1)由球磨机制备的矿渣粉和熟料粉都服从RRSB分布(R2都在 0.99以上).

2)熟料粉的 n值随着比表面积的增加而变大,即熟料粉越细,其粒度分布越窄.

3)矿渣粉的 n值随着比表面积的增加而变小,即矿渣粉越细,其粒度分布越宽.

4)矿渣粉的n值都大于熟料S1,都小于熟料S2.

5)无论熟料粉还是矿渣粉,粉体越细特征粒径De越小.

图1 矿渣粉与熟料粉的粒度分布图Fig.1 PSD of slag and clinker powder

表4 熟料粉和矿渣粉的分布参数Tab.4 PSD parameter of slag and clinker powder

2.2 矿渣粉粒度分布均匀性系数 n对水泥均匀性系数 n的影响

颗粒群粒度组成由其体积分数来表征.假设石膏粉与熟料粉为均匀混合物,即其粒度分布相同.混合水泥的粒度组成可利用式(1)计算

表5 混合水泥的分布指数nTab.5 Distribution index n of slag blend cement

以矿渣掺入量为横坐标,混合水泥粉体 n值作为纵坐标,并对掺不同细度矿渣粉的混合水泥的 n作拟合,如图 2,图 3所示.

由图 2可得,当熟料粉较粗时(比表面积为 356 kg/m2),n值较小,分布较宽.混合水泥粉体分布参数随矿渣粉细度与掺量的变化有以下规律：

图2 掺熟料粉 1的矿渣混合水泥的 n值Fig.2 n of slag blend cement with S1

图3 掺熟料粉 2的矿渣混合水泥的 n值Fig.3 n of slag blend cement with S2

1)混合水泥粉体的 n值随矿渣粉 n值的变化而变化.矿渣粉的 n值越小,混合水泥粉体的 n值也越小,即掺入到混合水泥中的矿渣粉的粒度分布越宽,得到的混合水泥的粒度分布也越宽.

2)在矿渣粉掺入量为 0%～ 70% 范围内,随矿渣粉的掺量不同,引起混合水泥粉体的n值变化规律分为两类：①矿渣粉粒度分布与水泥熟料粒度分布相近时,矿渣粉(如 K1,K2)的 n值较大,混合水泥的n值随矿渣粉的掺量变化符合线性关系.掺入这类矿渣粉越多,混合水泥的 n值越大,其粒度分布就越窄.②当矿渣粉的细度与水泥熟料粉的细度相差较大时,矿渣粉(如 K3～K7)的 n值较小,混合水泥的n值随矿渣粉的掺量增加先减小后增加,n值都有最小值点,此时混合水泥粒度分布最宽.达到最宽粒度分布时的矿渣粉掺量随着矿渣粉 n值的减小而增大.

3)熟料粉和矿渣粉共同决定着混合水泥粒度分布的宽窄,并不是两种粉体在一起混合就一定会增加矿渣水泥的粒度分布宽度,而是与它们间的比例和相对粗细程度有关.

由图 3可得,当熟料粉较细时(比表面积为 500 kg/m2),n值较大,分布较窄.水泥粉体随矿渣粉细度与掺量的变化规律与上面的分析有差别：水泥的 n值都是下降的,随矿渣粉掺量的增加,呈二次多项式关系,在 0%～70% 范围内无极值点,且下降幅度较小.

图4 混合水泥特征粒径 DeFig.4 De of slag blend cement

图5 混合水泥特征粒径 D50Fig.5 D50of slag blend cement

2.3 矿渣粉颗粒总体粗细程度对水泥颗粒总体粗细程度的影响

2)随着矿渣粉细度的增加,各曲线斜率的绝对值增加,说明矿渣粉的 De,D50,De◦n值越小,混合水泥的 De,D50,De◦n值越小,即掺入到混合水泥中的矿渣粉的粒度越细,得到的矿渣水泥的粒度越细.在相同的掺量下,矿渣粉的 De越小,引起混合水泥的 De降低越快.

3)De◦n曲线斜率的绝对值基本上都大于 D50曲线斜率的绝对值,说明 De◦n能更好地反映粉体之间的差别.

图6 混合水泥的 De◦nFig.6 De◦n of slag blend cement

3 结 论

1)熟料粉和矿渣粉都符合 RRSB分布.在一定范围内矿渣粉的粒度分布随比表面积的增加而变宽.

2)粉体的比表面积和中位径、De,De◦n都有较好的相关性.比表面积、中位径、De,De◦n都可以表征粉体颗粒的总体粗细程度,其中以 De◦n最好.可采用 De◦n控制水泥粉体粉磨细度,制备高性能矿渣混合水泥.

3)水泥混合粉体的粒度分布由矿渣粉的粒度分布、熟料粉的粒度分布及它们间的相对含量共同决定.掺矿渣粉水泥的 De,D50,De◦n随矿渣粉的掺量变化规律都符合线性变化规律,当两种粉体的比例合适时,可以得到分布宽度最大的混合水泥粉体.

[1]周双喜,陈益民,张文生.颗粒分布、比表面积、化学组成对水泥强度的影响[J].硅酸盐通报,2006(1)：81-85.Zhou Shuangxi,Chen Yimin,Zhang Wensheng.Effect of the particle size distribution,surface area and chemical composition on the cement strength[J].Bulletin of the Chinese Cerrmic Society,2006(1)：81-85.(in Chinese)

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[3]牛全林,冯乃谦,杨静.矿渣超细粉作用机理的探讨 [J].建筑材料学报,2002,5(1)：84-89.Niu Quanlin,Feng Naiqian,Yang Jing.Mechanism of superfine slag powde[J].Journal of Building Materials,2002,5(1)：84-89.(in Chinese)

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