再生微粉与矿渣对水泥性能影响的对比分析

朱有禄，邹卫雄，殷　明，朱　金

(1.西安工业大学建筑工程学院， 陕西西安710021；2.中国有色金属工业勘察设计研究院， 陕西西安710054)



再生微粉与矿渣对水泥性能影响的对比分析

朱有禄1，2，邹卫雄1，殷明1，朱金1

(1.西安工业大学建筑工程学院， 陕西西安710021；2.中国有色金属工业勘察设计研究院， 陕西西安710054)

为研究再生微粉与矿渣对水泥性能的影响，进行了再生微粉与矿渣对水泥性能的影响试验，并对比分析了实验数据。实验结果显示：随着再生微粉和矿渣掺量的增加各龄期水泥胶砂强度降低，当掺量大于50%时，胶砂强度和强度比均降低较大，且流动度呈现逐渐减小；当掺量大于30%时，胶砂流动度降低较大，此时再生微粉的标准稠度用水量增加速度相对加快，而矿渣标准稠度用水量增加速度则相对变慢；再生微粉和矿渣粉的加入使净浆的初凝时间缩短，当掺量大于10%时，初凝时间随着掺量的增大而缓慢减小，终凝时间却没有规律。得出的结论对工程选用水泥有一定的参考价值。

再生微粉；矿渣；水泥；对比分析

0　引　言

在生产水泥过程中，熟料的制备需要消耗很多能源，排放的气体也会危害大气。国内很多学者都对以矿渣为主要成分的碱激发矿渣水泥、石膏—石灰激发矿渣水泥等无熟料水泥进行了一定程度的研究，并进行了一些产业化和工业化的应用，但由于运用中发现存在各种缺陷，大部分建筑已经不用这种水泥了。很多建筑垃圾对环境都有不同程度的危害，而这类胶凝材料因其环保而具有广阔的发展前景，因此人们一直没有停止过探索和研究[1-8]。据调查可知，钢渣和脱硫石膏在水泥和混凝土中使用的时间较长，以前相关研究中表明，钢渣和脱硫石膏都是有活性成分的工业废渣，但由于钢渣的活性较低，所以在水泥基材料中掺入钢渣和脱硫石膏的量是有限的[9-12]。目前，有学者以工业废渣为主要原料，掺加外加剂，运用制备陶粒工艺，制备胶凝性能的材料[13-15]。基于目前研究现状，本文选取再生微粉与矿渣粉用于性能调节辅助胶凝材料生产，依据再生微粉和矿渣的成分特点，对再生微粉与生产用的矿渣进行了对水泥性能的对比试验研究。

1　试验原料及方法

1.1试验原料

图1　堆积状的再生微粉Fig.1　The accumulation of recycled powder

本试验采用的再生微粉是上海德滨环保科技有限公司生产的再生微粉，图1为堆积状的再生微粉。再生微粉的堆积密度为917kg/m3，密度为2 651kg/m3，本试验中使用SBT-127型数显勃氏透气比表面积仪对其进行比表面积检测，其检测的结果是1 275m2/kg，其粒径是小于0.08mm的再生砖粉和再生水泥石粉混合微粉，具有水化活性，各级性能指标达到二级粉煤灰标准，能够部分代替水泥起到辅助胶凝材料作用，适用于水泥混合材。矿渣为上海宝钢生产的水淬高炉矿渣，相对密度为2 921kg/m3，烘干后磨细至勃氏比表面积500m2/kg，为了得到再生微粉和矿渣的化学成分，分别对再生微粉和矿渣进行X射线荧光分析，两者的化学成分见表1。

表1　试验材料的化学成分Tab.1　The chemical composition of test materials　%

1.2试验方法

本文将再生微粉和矿渣以不同比例[16](替代量 0～50%)替代水泥，以研究其对水泥胶砂强度、胶砂流动度、标准稠度用水量、凝结时间和体积安定性的影响。开始试验准备时，需先把矿渣和再生微粉粉磨，因为粉磨后可以优化胶凝材料的孔隙，降低胶凝材料水化热，提高体系的后期强度[17-19]。胶凝材料的细度检测严格按照《水泥细度检验方法》(GB/T1345—2005)进行测定;对胶凝材料的胶砂强度测试按照《水泥胶砂强度检验方法》(GB/T17671—1999)标准进行胶砂强度试验；对胶凝材料胶砂流动度试验按照《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T2419-2005)的标准进行；标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法则按照《水泥标准稠度用量、凝结时间、安定性检验方法》(GB/T1346—2001)进行检验。

2　试验结果及分析

2.1再生微粉与矿渣对水泥胶砂强度的影响对比

运用实验的手段研究再生微粉对水泥胶砂强度的影响时，依据《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》版本《GB/T17671-1999》的规定进行胶砂试验，并以矿粉作为对比。水泥采用P.O42.5普通硅酸盐水泥。再生微粉替代水泥的胶砂试验方案及抗折和抗压结果分别列于表2和表3。

表2　再生微粉与矿渣替代水泥的胶砂强度试验方案及抗折强度试验结果Tab.2　For recycled powder and slag cement mortar strength testing scheme and the test result of flexural strength

表3　再生微粉与矿渣替代水泥的胶砂强度试验方案及抗压强度试验结果Tab.3　For recycled powder and slag cement mortar strength testing scheme and the test result of compressive strength

从表2和表3中可以看出：①随着再生微粉和矿渣粉掺量的比例增，大不同龄期的水泥胶砂强度逐渐降低。这是由于等比例条件下，再生微粉和矿渣粉中CaO较水泥中的少，生成的2CaO·SiO2的比例在增大，而2CaO·SiO2的早期强度较低，后期强度高。在同一龄期时，掺量比例越大，其胶砂强度下降越快；在相同掺量和相同龄期时，矿渣中的CaO含量比再生微粉高，生成的3CaO·SiO2相对较多些，3CaO·SiO2的强度高，因此再生微粉替代水泥时的强度均小于矿渣粉，其在同龄期的强度下降趋势亦比矿渣粉快。由此可见，再生微粉的胶凝性能低于矿渣粉。②两种掺合料中，再生微粉胶砂强度比在各个龄期段都不同。因再生微粉中的CaO相对同等质量的水泥含量少，而Al2O3、Fe2O3含量比水泥高，生成的4CaO·Al2O3·Fe2O3多，4CaO·Al2O3·Fe2O3强度低，所以再生微粉的掺量越多，水泥抗折强度比和抗压强度比越小。3～7d，水泥抗折强度比基本上不变，而抗压强度比缓慢增大；7～28d，水泥抗折强度比随着龄期的增长而缓慢增大，而抗压强度比增长幅度较小。③两种掺合料中，矿渣粉胶砂强度比在各个龄期段也都不同。因矿渣粉中的CaO相对同等质量的水泥含量少，而Al2O3含量比水泥高，生成部分4CaO·Al2O3·Fe2O3，4CaO·Al2O3·Fe2O3强度低，所以矿渣粉的掺量越多，水泥抗折强度比和抗压强度比越小。水泥抗折强度比从3～7d时，随着龄期的增加基本上不变，抗压强度比随着龄期的增长缓慢增长；而在7～28d时，随着龄期的增加，抗折强度比有所增加，掺量越多，抗折强度比增长越快，而抗压强度比略有所减小。可见其抗压强度比在不同龄期呈现出不同的变化态势。④再生微粉在相同掺量替代水泥时的强度比均小于矿渣粉，因为同等质量下，再生微粉中SiO2和Fe2O3含量较矿渣多，生成2CaO·SiO2和4CaO·Al2O3·Fe2O3较多，二者的强度都低，所以再生微粉在同龄期的强度比下降趋势比矿渣粉快。掺量越大，再生微粉和矿渣粉的强度比的差距越大，随着龄期的增加，两者强度比差距慢慢缩小，龄期继续增大，两者强度比差距又慢慢增大。可见再生微粉的活性及胶凝性能和矿渣粉不相同，矿渣粉的活性及胶凝性能大于再生微粉。当掺量在20%以内时，再生微粉胶砂的强度下降比例在30%以内；当掺量达到50%时，再生微粉胶砂的强度下降比例较大，可达60%以上。

2.2再生微粉与矿渣对水泥胶砂流动度的影响对比分析

研究再生微粉对水泥胶砂流动度的影响时，其试验标准按照《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T2419-2005)的规定进行，并以矿粉作为对比。对于试验的基准配合比[15]按水泥∶砂∶水=450∶1 350∶225。再生微粉和矿渣粉替代水泥的胶砂流动度试验方案及其胶砂流动度列于表4。

表4　再生微粉和矿渣粉替代水泥的胶砂流动度试验方案及结果Tab.4　Recycled powder and slag powder instead of fluidity of cement mortar test scheme and results

由试验结果表4可以看出，水泥胶砂流动度随着再生微粉和矿渣粉掺量的增加而呈现逐渐减小的趋势。掺量越大，水泥胶砂流动度下降越快。在相同掺量下，再生微粉水泥胶砂流动度比矿渣水泥胶砂流动度小。当掺量大于30%时，胶砂流动度降低较大。由于再生微粉中含Al2O3较多，标准稠度需水量更大，所以再生微粉的胶砂流动度相比矿渣降低幅度更大。由表4还可看出水泥胶砂流动度比的变化，随着再生微粉和矿渣粉掺量的增加，水泥胶砂流动度比呈现逐渐下降的趋势。掺量越大，水泥胶砂流动度比下降越快。在相同掺量下，再生微粉水泥胶砂流动度比要比矿渣水泥胶砂流动度比小，说明在相同掺量下再生微粉胶砂流动度下降大于矿渣粉，也说明相同稠度下再生微粉的需水量更大。

2.3再生微粉与矿渣对水泥标准稠度用水量的影响对比分析

研究再生微粉对水泥标准稠度用水量的影响，进行试验依据《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GB/T1346-2001)的规定来进行，并以矿粉作为对比。试验通过测出不同含水量水泥净浆的穿透性，确定水泥标准稠度净浆中所需加入的水量。图2为水泥净浆制作过程及标准稠度用水量的测定。再生微粉和矿渣粉替代水泥标准稠度用水量的试验方案及结果列于表5中。

(a) 水泥浆搅拌及制作

项目掺合料类型掺量/%01020304050标准稠度用水量/%再生微粉29.231.632.433.234.836.4矿渣粉29.229.630.832.433.434.0

由试验结果表5可见，水泥净浆标准稠度需水量随再生微粉和矿渣粉掺量的增加逐渐增加。其中，再生微粉在掺量为50%时的需水量(36.4%)比纯水泥净浆(29.2%)多7.2%，矿渣粉在掺量为50%时的需水量(34.0%)比纯水泥净浆(29.2%)多4.8%。在相同掺量时，再生微粉中含Fe2O3较矿渣多，生成4CaO·Al2O3·Fe2O3较多，因此再生微粉标准稠度用水量比矿渣粉标准稠度用水量大些。在掺量超过30%时，再生微粉的标准稠度用水量增加速度相对变快，而矿渣标准稠度用水量增加速度相对变慢。

2.4再生微粉与矿渣对水泥凝结时间的影响对比

实验通过记录试针沉入水泥标准稠度净浆至一定深度所需的时间来推定水泥凝结时间。用再生微粉和矿渣粉替代水泥凝结时间测定实验方案及结果列于表6。

表6　再生微粉和矿渣粉替代水泥凝结时间测定的试验方案Tab.6　Recycled powder and slag powder to replace cement setting time determination test scheme

由试验结果表6可见，再生微粉和矿渣粉的加入使净浆的初凝时间缩短，且初凝时间随着掺量的增大而减小。与纯水泥净浆的初凝时间(192min)相比，当掺量为50%时，再生微粉使净浆初凝时间缩短了32min，矿渣粉使净浆初凝时间缩短了24min。由于再生微粉中含Fe2O3比矿渣高，生成4CaO·Al2O3·Fe2O3较多，其硬化速度快，故再生微粉胶砂浆初凝时间较矿渣胶凝砂浆初凝时间短。再生微粉和矿渣粉的加入使净浆终凝时间没有明显的变化规律，但其变化幅度均不大，围绕着净浆终凝时间上下波动，掺合料的加入对终凝时间没有显著的影响。

3　结　论

通过对再生微粉与矿渣进行的对比试验研究，得出如下结论：

①再生微粉的活性及胶凝性能均小于矿渣粉；再生微粉掺量越大，水泥胶砂强度下降越快。在低掺量条件下，再生微粉对胶砂强度影响较小，当再生微粉掺量大于50%时，胶砂强度降低较大；各龄期水泥胶砂强度随着再生微粉和矿渣掺量的增加而降低，但强度比随着龄期的增长而增大，可见随着龄期的增长，其强度下降幅度变小。

②相同稠度下再生微粉的耗水量大于矿渣粉；且随着再生微粉和矿渣粉掺量的不断增加，水泥胶砂流动度呈现逐渐减小的趋势；掺量越大，水泥胶砂流动度下降越快；在低掺量条件下，再生微粉和矿渣对胶砂流动度影响较小，当掺量大于30%时，胶砂流动度降低较大。

③在相同掺量时，再生微粉标准稠度用水量比矿渣粉标准稠度用水量大。在掺量超过30%时，再生微粉的标准稠度用水量增加速度相对加快，而矿渣标准稠度用水量增加速度相对变慢。从以上结果可见，随着再生微粉和矿粉的加入，水泥净浆用水量变化较大，其中再生微粉的加入对标准稠度用水带来的影响更为显著。

④再生微粉和矿渣粉的加入使净浆的初凝时间缩短，且初凝时间随着掺量的增大而减小；但其加入使净浆终凝时间没有明显的变化规律，其变化幅度均不大，围绕着净浆终凝时间上下波动，掺合料的加入对终凝时间没有显著影响。

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(责任编辑唐汉民梁健)

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

陕西省科学技术研究发展计划项目(2013K-04-12)

朱有禄(1969—)，男，甘肃会宁人，中国有色金属工业勘察设计研究院高级工程师;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：朱有禄，邹卫雄，朱金.再生微粉与矿渣对水泥性能影响的对比分析[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(4)：1214-1219.