磨细矿渣粉粒径特征对水泥砂浆性能的影响

李海豹，丰曙霞

（1.江苏省建筑材料研究设计院有限公司，江苏 南京 210009；2.山东英才学院建筑工程学院， 山东 济南 250104）

0 引言

在工程建设中，水泥是重要的原材料之一，随着我国经济建设规模的扩大，其用量也日益增大。2010 年，我国水泥的产量已达18.68 亿t，占世界总产量的60%左右。 因此工业废渣再利用，减少水泥熟料的生产及消耗成为重要的研究内容。

矿渣是冶铁工业的副产品，常作为混合材或掺合料用于水泥及混凝土的制备。 经过急冷处理的矿渣90%以上为具有潜在反应活性的玻璃体，化学组成主要为Ca0、Mg0、Si02和A1203，与水泥熟料相比，钙含量较低，Mg 含量较高。 用于水泥基材料制备的矿渣一般需要经过粉磨处理，通过粉磨降低矿渣颗粒的粒径，增大比表面积从而提高矿渣的反应活性。因此，磨细矿渣粉的颗粒群特征(包括颗粒大小、分布状态和形貌指数等)对水泥基材料的性能有显著的影响作用。 一般认为矿渣粉体中位径小于10 μm 的颗粒对早期活性(3～7 d) 的影响最大， 10～20 μm 的矿渣颗粒对后期活性(28 d)的贡献较大。 Wang PZ 等认为要获得较高的28 d 抗压强度，需要将矿渣微粉的粒径控制在40 μm 以内。另有多位学者根据R-R-B 分析矿渣颗粒粒度分布宽窄与抗压强度的关系，普遍认为，当特征粒径相近时，宽分布较窄分布具有较高的早期强度。

目前研究较多的是颗粒群特征对抗压强度的影响，对于颗粒特征对其他性能如新拌砂浆或混凝土的流动性以及耐久性研究较少。本文系统分析了不同粒径区间的磨细矿渣粉对水泥砂浆流动性、抗压强度及抗渗性的影响。

1 试验原材料及方法

海螺水泥P.II 52.5，上海宝田矿渣，化学组成如表1 所示；ISO 标准砂，拌合及养护水为自来水。

根据 《水泥胶砂强度检验方法》GB/T17671-1999(ISO 679：1989)制备水泥砂浆，纯水泥砂浆标记为PC，掺磨细矿渣粉水泥砂浆标记为SC，其中矿渣粉50%等量替代水泥，灰砂比为3，水灰比为0.5； 分别根据 《水泥胶砂流动度测定方法》GB/T2416-2005、《水泥胶砂强度检验方法(ISO 法)》GB/T 17671-1999 测试新拌砂浆的流动度及硬化砂浆的抗压强度； 参照 《水工混凝土试验工程》DL/T 5150-2001 和《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》GBJ 82-2009 测试砂浆抗渗性能。

2 试验结果与分析

表1 水泥和矿渣的化学组成 （w/%）

2.1 不同粒径特征矿渣粉的组成及粒度分布

将原状矿渣经过粉磨、 气流分选等操作制备出五种不同粒径区间的矿渣粉， 分别记作S1、S2、S3、S4、S5， 激光粒度仪分析其粒度分布如图1 所示，粒径特征参数如表2 所示。 磨细矿渣粉的粒度分析结果显示，从S1 到S5 粒径分布曲线逐渐左移，说明颗粒群的细度逐渐增大， 平均粒径、 中位径从S1 的58.20 μm、51.97 μm 下降到S5 的2.05 μm、1.86 μm，比表面积从160 m2/kg 增大至1 102 m2/kg。

2.2 矿渣粉粒径特征对水泥砂浆性能的影响

图2 中PC 表示纯水泥砂浆，S1C 表示掺50%S1 矿渣粉的水泥砂浆，同理解释S2C-S5C。

图1 S1-S5 的粒径分布曲线

图2 是不同粒径区间的磨细矿渣粉对新拌水泥砂浆流动度的影响。 由图2 可知，磨细矿渣粉的粒径特征对砂浆性能有显著的影响。随着比表面积的增大， 掺磨细矿渣粉的水泥砂浆流动度降低，原因在于比表面积增大， 颗粒表面的吸附水量增加，浆体中的自由水量降低，使得浆体流动度下降。 当矿渣粉的比表面积小于410 m2/kg 时，SC 的流动度大于PC， 说明较粗的矿渣粉有利于提高水泥砂浆的流动度。

图2 磨细矿渣粉粒径特征对新拌砂浆流动度的影响

表2 S1-S5 的粒径特征参数

图3 是不同粒径区间的磨细矿渣粉对硬化水泥砂浆各龄期抗压强度的影响。 试验结果表明，相同龄期的掺磨细矿渣粉水泥砂浆的抗压强度随矿渣微粉比表面积的增大而增大，说明细度的增大有利于矿渣颗粒的反应活性的提高，促进其在水泥浆体中的反应进程，从而提高砂浆的力学性能。另外，7 d 龄期之前PC 的抗压强度最高，28 d 之后掺有较细矿渣微粉的S3-S5 的抗压强度超过PC， 说明细度对矿渣颗粒活性的影响作用主要表现在水化7 d 以后。

图3 磨细矿渣粉粒径特征对硬化砂浆抗压强度的影响

图4 是不同粒径区间的磨细矿渣粉对硬化水泥砂浆28 d 抗渗性的影响。 试验采用不透水系数表征砂浆抗渗性，计算公式如下：

Fi= Σ(Pi·ti)

式中：Fi为砂浆试件不透水系数 （MPa·h）；Pi为试件在每一压力阶段所受水压（MPa）；ti为一定压力保持的时间（h）。

图4 矿渣粉粒径特征对28 d 水泥砂浆抗渗性的影响

抗渗性试验结果表明，随着比表面积的增大，掺磨细矿渣粉的水泥砂浆28 d 不透水系数先增大后降低，即砂浆抗渗性先提高后降低；除S1C 外，其余掺矿渣粉的水泥砂浆抗渗性均优于纯水泥砂浆PC，说明掺加一定细度的矿渣粉有利于水泥砂浆28 d 抗渗能力的提高。

3 结论

磨细矿渣粉的细度对新拌及硬化水泥砂浆的性能有较大影响。 比表面积160～1 100 m2/kg 之间，随着颗粒群细度增大，掺矿渣粉的水泥砂浆流动度降低，抗压强度增大，硬化砂浆抗渗性先提高后降低，矿渣粉比表面积890 m2/kg 时，28 d 硬化砂浆抗渗性能最佳。

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