在水泥中摻加礦渣微粉的效果及應用

□□趙順湖，包先誠，何廷樹，王福川胡鵬剛，楊新社，趙云中

在水泥中摻加礦渣微粉的效果及應用

The Effect of Adding Slag Micropowder in Cement

□□趙順湖1，包先誠1，何廷樹2，王福川2胡鵬剛1，楊新社1，趙云中1

通過一系列試驗和生產實踐表明，經細磨的礦渣微粉按適當比例摻入到母水泥中，可以較大幅度提高混合材摻入量，增加企業(yè)產能和擴大水泥品種。本文以翔實、可靠的試驗數據，對此技術作了較為詳盡的分析，對它所能取得的經濟效益做出了初步評價。

礦渣微粉；混合水泥；激發(fā)劑；經濟效益

1 引言

礦渣作為活性混合材一直被廣泛使用在水泥生產中，但由于礦渣與水泥熟料的易磨性相差懸殊，在傳統(tǒng)的混合粉磨中，前者的潛在活性不能被充分激發(fā)和發(fā)揮，致使以礦渣為混合材的水泥往往早強較低、凝結時間長，而在混凝土施工中常常會產生泌水現象，從而使它在水泥中的摻入量受到限制。但近年來的大量研究表明，單獨將礦渣磨細到400m2/kg以上，礦渣的潛在活性就會被大大激發(fā)出來，如以這種礦渣微粉摻入到水泥中（此水泥可為硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥，我們稱其為“母水泥”），其摻加量可大幅度增加。摻加的方法，可采用分別粉磨所得的細磨的母水泥與礦渣微粉按適當比例混和而成，分別制得普通酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、復合硅酸鹽水泥，微細（灌漿）水泥等。在化學成分適當的情況下還可生產礦渣硅酸鹽低堿水泥，在試驗中我們統(tǒng)稱其為“混合水泥”。為改善此類水泥3d抗壓強度下降的狀況，在混合時又摻加了少量的SJ－1激發(fā)劑，對此也進行了試驗研究，并已在水泥生產中應用。試驗和生產實踐表明上述途徑是可行的。但是混凝土界人士對使用摻有礦渣微粉的“混合水泥”有疑慮，擔心對混凝土性能產生不良影響，對此我們在實驗室和攪拌站進行了試驗和驗證，事實表明：在以混合水泥（其中已摻有不同數量礦渣微粉）作為組分配制的混凝土時，按原配合比，仍可摻加一定數量的粉煤灰，其混凝土的施工性能完全符合要求。

本文就礦渣微粉對水泥性能的影響所作的試驗研究，以及生產實踐中的使用作了闡述和說明，探討了礦渣微粉摻入水泥后的作用機理，對礦渣微粉如何在水泥生產中應用提出了看法，并在此基礎上對此項技術經濟效益做出評價。至于摻加礦渣微粉水泥對混凝土施工的影響，將另辟專題介紹。

2 試驗用原材料

（1）SW牌P.O42.5R水泥

（2）陜西韓城鋼廠S75礦渣粉

3 試驗方法

本試驗采用下述兩種方法對不同產地的母水泥和“混合水泥”的性能進行檢測和對比。

表1 SW水泥所用熟料化學成分*,%

3.1 將摻有8%混合材的P.O42.5R水泥作為母水泥與不同比例的礦渣微粉充分混合均勻，制得不同混合材摻量的“混合水泥”，對此類水泥進行技術性能的測定。

3.2 在“混合水泥”中，摻入適量激發(fā)劑SJ－1（為激發(fā)礦渣微粉活性而配制的激發(fā)劑），制得新的“混合水泥”，對此類水泥進行技術性能的測定。

4 試驗方法3.1的試驗結果

4.1 試驗方法

（1）應用TCSW所產P.O42.5R作為母水泥（l號試樣），共制成7組“混合水泥”的樣品（2號～8號樣），8組試樣礦渣微粉的摻量分別為：0%、l0%、20%、30%、35%、40%、45%、50%。其物理性能檢測結果如表4所示。

（2）應用JYSW所產P.O42.5R作為母水泥，共制成7組“混合水泥”的樣品，礦渣微粉的摻量分別為：0%、l0%、20%、30%、35%、40%、50%。其物理性能檢測結果如表5所示。

4.2 對水泥性能試驗結果的分析

在TCSW、JYSW所產的母水泥（P.O42.5R）中摻入不同比例（在10%～50%范圍內）的礦渣微粉后，對水泥性能發(fā)生影響，試驗過程未摻入任何激發(fā)劑。

4.2.1 對水泥強度的影響

TCSW、JYSW所產的母水泥（P.O42.5R）中摻入不同比例（在10%～50%范圍內）的礦渣微粉后，其強度的變化趨勢基本相同。3d抗折強度隨摻入量加大呈下降趨勢，下降幅度TCSW在3%～30%，JYSW在0%～19.2%，而28d抗折強度變化不大，TCSW在－3%～＋3%，JYSW均呈上升趨勢，其幅度在1.3%～8.9%之間。3d抗壓強度隨礦渣微粉摻入量加大，而呈較大幅度的下降，TCSW要比JYSW大。3d抗壓強度下降是一個值得注意的問題，但28d抗壓強度呈現了一種很好態(tài)勢,JYSW的基本趨勢與TCSW是一致的。

4.2.2 對水泥凝結時間的影響

在TCSW和JYSW所產的母水泥（P.O42.5R）中摻入不同比例（在10%～50%范圍內）的礦渣微粉后，其凝結時間的變化呈現基本相同的態(tài)勢，即在未增摻石膏的情況下，水泥中SO3含量隨礦渣微粉摻量加大而逐步下降，但初、終凝時間隨礦渣微粉摻入量增加而延長，不過仍然符合GB175－2007通用水泥標準的要求。4.2.3 對水泥需水量和外加劑適應性的影響

從表4、5可以看到，隨著礦渣微粉摻入量的增加，混合水泥的標準稠度加水量有所上升，這可能與其細度值減?。ū缺砻娣e增大）相關。為了驗證其對外加劑的適應性有何變化，將表4所列的TCSW 1號～8號水泥試樣與外加劑（聚羧酸）適應性進行了檢測，其結果如表6所示。

試驗結果表明，從總體上講礦渣微粉的摻入是有利于改善水泥與外加劑的適應性的，從表中可見，在相同外加劑（聚羧酸）摻量（10%）的情況下，只有2號、3號樣的初始流動度略比1號樣低，而其余的試樣流動度均有增加（增大5～40mm），而延時（30、60min）流動度均高于1號樣，改善初始和延時流動性能最好的礦渣粉摻量在40%～45%之間。

表2 礦渣微粉出廠質檢報告*

表3 礦渣微粉化學成分,%

表4 TCSW產母水泥(P.O42.5)和混合水泥的物理性能檢測結果

表5 JYSW產母水泥(P.O42.5)和混合水泥的物理性能檢測結果

表6 TCS代混合水泥與外加劑適應性試驗

表7 JYSW生產的母水泥(P.O42.5)和混合水泥的摻入激發(fā)劑后強度對比

表8 JYSW生產的母水泥(P.O42.5)和混合水泥的摻入激發(fā)劑后凝結時間對比

5 試驗方法3.2的試驗結果

5.1 試驗目的與試驗方法

本試驗的目的是為了研究在水泥（母水泥、“混合水泥”）摻入少量的激發(fā)劑（SJ－1）后，對水泥性能會產生什么樣的影響。試驗用母水泥為JYSW生產的P.O42.5R水泥（1號試樣），按l0%、17%、20%、30%的比例摻入韓鋼S75礦渣粉制得“混合水泥”（2號～5號），再對5組試樣分別進行摻與不摻SJ－1激發(fā)劑的試驗，表7、8列出了試驗結果。

5.2 試驗結果的分析

5.2.1 對水泥強度的影響——解決（或緩解）3d抗壓強度下降的措施

從表7可以發(fā)現，摻有礦渣微粉的母水泥和“混合水泥”，在未摻SJ－1激發(fā)劑時，與母水泥相比，摻入礦粉會使早期強度有所降低，并且隨著礦渣摻量的提高，早期強度下降增大，28d強度除摻加量為20%的4號樣增長8.23%外，其余各試樣增長幅度在1.37%～2.75%之間。但在添加1.5%的SJ－1型激發(fā)劑后，情況發(fā)生了顯著的變化，28d抗壓強度有了較大增長，當摻量達到50%（5號試樣）時摻入2.3%SJ激發(fā)劑后，遏制了下降幅度（下降幅度由13.92%下降到5.86%），所有試樣3d抗壓強度均超過了GB175－2007標準中各品種、強度等級通用水泥的標準值。因此我們認為，此一特性，可有效解決（或緩解）在摻入礦粉后3d強度下降的瓶頸問題。

5.2.2 對水泥凝結時間的影響

本試驗在不摻SJ－1型激發(fā)劑時，礦渣微粉摻入到水泥后，所制得的“混合水泥”的凝結時間均有不同程度的延長，而在加摻1.5%～2.3%的SJ－1型激發(fā)劑后，各個試樣對應凝結時間變化不大。

5.2.3 對混凝土外加劑適應性的影響

在摻不同礦渣微粉的母水泥中，摻加不同比例SJ－1激發(fā)劑，對攪拌站使用的萘系和聚羧酸系列的減水劑進行流動度試驗，結果如表9。可以認為：摻有SJ－1激發(fā)劑的“混合水泥”顯著改善了其與減水劑的適應性。

表9 摻有SJ－1型激發(fā)劑的水泥的適應性(流動度mm)試驗結果

表10 不同比例礦渣微粉摻入于母水泥中制得的"混合水泥"所屬品種、強度等級一覽

6 試驗結果的啟示

6.1 增加水泥混合材摻加量

在通用硅酸鹽水泥中，對混合材品種、摻入量是有嚴格規(guī)定的，試驗結果表明，利用礦渣微粉的優(yōu)良活性（在摻加某種激發(fā)劑如SJ－1后，活性將會變得更好），可以在已摻有8%～10%混合材的普通硅酸鹽水泥中，增摻10%～12%的礦渣微粉，新制得的“混合水泥”仍符合國標GB175－22－007對普通硅酸鹽水泥的要求。

6.2 擴大水泥品種

（1）本文所述兩個試驗方案，是以母水泥摻加礦渣微粉而制得“混合水泥”，不難發(fā)現混合材摻量在加摻礦渣后超過20%后，即可制得礦渣硅酸鹽水泥、復合硅酸鹽水泥，我們對本案例之3.1方法制得的混合材總量進行驗算，即可按GB175－2007標準規(guī)定判定其屬于何品種和等級水泥。

對表10所列結果的延伸：該試驗所得各個品種的強度等級均較高，為多摻混合材留下足夠空間，可以有條件地增摻礦渣微粉或其他混合材制得42.5、32.5R、32.5等級的不同品種的通用硅酸鹽或P.S.A水泥。

（2）利用摻加礦渣微粉水泥后的特性，可按用戶的個性要求制造特性水泥，如微細（灌漿）水泥和緩凝水泥等。

6.3 用于改善水泥性能

6.3.1 調整水泥顆粒級配，有助于增強水泥強度、改善流動性能、改善混凝土的耐久性等

目前比較公認的水泥最佳性能的顆粒級配為3～32μm顆?？偭坎荒艿陀?5%，＜3μm細顆粒不要超過10%，＞65μm顆粒最好為零，＜1μm的顆粒最好沒有。因為3～32μm顆粒對強度增長起主要作用，特別是16～24μm顆粒對水泥性能尤為重要，含量越多越好，＜3μm的細顆粒容易結團，＜1μm的小顆粒在加水攪拌中很快就水化，對混凝土強度作用很小，且影響水泥與外加劑的適應性，易影響水泥性能而導致混凝土開裂，嚴重影響混凝土的耐久性，＞65μm的顆粒水化很慢，對28d強度貢獻很小。

但是從另一角度的研究指出，欲使水泥顆粒堆積緊密，減小孔隙率，降低其標準稠度用水量，提高水泥的密實度來說，要求＜1μm含量19%，＜3μm顆粒含量29%。但這個要求與上面所說的水泥最佳性能的顆粒級配“＜3μm細顆粒不要超過10%”，“＜1μm的顆粒最好沒有”是相矛盾的[1]。我們認為解決這一矛盾的途徑之一是，摻加熟料與易磨性較好的混合材（石灰石、粉煤灰、煤矸石等）共同粉磨，理想狀況下，水泥中熟料的顆粒級配應滿足最佳性能級配的要求，而＜3μm特別是＜1μm的顆粒是由易磨性較好的混合材提供的；途徑之二是摻加礦渣微粉，它們所提供的＜3μm顆粒填充于水泥熟料顆粒之間的空隙，使水泥顆粒的堆積趨向緊密。這些細粉的活性比熟料的低，因此在早期水化慢或幾乎不水化，不會對水泥的工作性能或混凝土拌合物的施工性能造成不利影響。而在后期，這些細粉狀的混合材和礦渣，又可與熟料顆粒水化所產生的Ca（OH）2起二次反應，生成具有膠凝性的C－S－H凝膠，從而使水泥石結構致密，有利于耐久性提高。

6.3.2 可改善水泥對混凝土外加劑的適應性

從試驗結果可以看出，在水泥中摻加礦渣微粉是有利于改善水泥與外加劑的適應性的。事實上，當我們在出廠水泥進行適應性試驗或施工部門反映水泥適應性變差時，常用的調節(jié)方法是變更混合材品種和摻量，實踐告訴我們，增摻礦渣、削減煤矸石摻量是十分有效的措施。

7 生產方法和經濟效益分析

7.1“混合水泥”三種生產方法

（1）從磨機尾端加入礦渣微粉的方法，在開流粉磨時和出磨的成品水泥共同進入輸送設備，進行充分混合（輸送距離在10m以上）進入成品庫儲存。而系統(tǒng)為閉路時則可由磨尾與出磨水泥一起風送至選粉機與水泥成品共同選出，可得產成品。此法適宜于摻加≤20%左右的礦渣粉的，此摻量對原粉磨系統(tǒng)的能力是能承受的。JYSW目前采用這種方法，在P.O42.5R水泥中小時摻入礦渣微粉量約10%。

（2）建立混合水泥攪拌站，其流程為：成品水泥和礦渣微粉分別按配比從儲存計量倉卸出，進入混料攪拌機充分攪拌混合后卸出，即制得成品。混料攪拌站的主機設備為混料攪拌機，輔助系統(tǒng)配置有粉體流量計、氣動流量閥、氣動流量閥執(zhí)行器等，此方法可以做到計量精確（物料配料偏差≤1%），混料攪拌時間可調，水泥品種調節(jié)簡易快速，可以連續(xù)生產，產品質量可控、穩(wěn)定。JYSW建立這一系統(tǒng)，但我們認為，該方式購置設備花費投資較多，而水泥粉磨與混合攪拌是分別實施的，多品種生產時組織均衡生產、保持本品種的勻質性都會有一定困難。因此我們認為第一種方法是較好的。

（3）對規(guī)模較小的粉磨站，建議采用庫下搭配方法實施，即通過礦渣微料庫和母水泥庫按比例同時將物料卸入輸送絞刀（長度在10m以上）至終點卸出，提升至散裝庫。本辦法只需在庫下添置計量裝置，確保比例正確即可。此方法在TCH水泥廠實施情況良好，其P.O42.5R、P.C32.5R外摻礦渣微粉分別為7%～10%和17%。

為符合GB175－2007標準對通用水泥混合材摻入量的制約，不改變普通水泥的名稱，礦渣微粉加入量均＜20%。如生產礦渣水泥則可大量增摻礦渣微粉，運用上述方法仍然是可行的。

7.2 經濟效益分析

7.2.1 目前進行具體分析的基礎：

（1）陜西省礦渣資源不多，而龍鋼“德龍牌”礦渣微粉產地——韓城離西安較遠（300km左右），因此到西安價格（運到后最低價）到底能達到和穩(wěn)定在什么水平是一個關鍵問題。我們以目前市場價每噸250元計算。

（2）目前P.O42.5R水泥出廠價格約在320元/噸左右。

（3）由于省內尚無礦渣水泥，陜西市場對P.S水泥認知度差，市場接受程度尚不清楚。對P.S.A 42.5R水泥的售價，也無法估計，因此暫不作評價分析。

7.2.2“混合水泥”經濟效益分析評價

經濟效益評價，是指在摻加礦渣微粉增產后的“混合水泥”的收益與母水泥的收益相比較而言，而不是比較“混合水泥”與母水泥單位產品效益。如上所述，現在我們只對摻入礦渣微粉后水泥品種、強度等級不變的情況進行分析和評價。

本案中混合水泥的母體水泥（P.O42.5R、P.C32.5R）在生產時，混合材摻加未足量，則可在出廠時再摻10%～20%左右的礦渣微粉，如仍能滿足該水泥的技術要求（包括化學成分、物理力學性能、混合材摻加總量），可以不改變名稱，分兩種情況：

（1）母水泥為P.O42.5R時的利潤空間。如前述已知摻入1t礦渣微粉即是相當于多生產1t水泥，而其差價在320－250=70元。其效益可作如下粗略計算：礦渣微粉按l0%比例摻入母水泥中，使同品種、等級的水泥量增加為1.1t，以P.O42.5R為例，增加銷售收入為（320×1.1－320）=32元（由0.1t礦渣粉帶來的毛收入）；為加0.1t礦渣粉增加的支出有：礦渣粉0.1t×250=25元，運行費用按5元/t計，增加5×0.1＝0.5（元），合計25.5元，0.1t礦渣粉（摻入水泥后）總收入增加值32－25.5=6.5元,因在1t礦渣粉摻入水泥后，可在原基礎上，多增加收入65元。假如P.O42.5R水泥20萬噸銷售量,在摻10%礦渣微粉后可增至22萬噸，則2萬噸礦渣微粉摻入后,在保持原收入基礎上增加了65×2萬=130萬元。顯然,礦渣微粉價格、摻量、水泥價格等因素會影響企業(yè)盈利水平。

（2）母水泥為P.C32.5R水泥時的利潤空間。母水泥混合材摻量為30%，價格為280元，同理摻入1t礦渣微粉即是相當于多產1t水泥，差價為280－250=30元。而礦渣微粉摻入量為20%時，1t母水泥可增加為1.2t水泥。增加銷售收入為（280× 1.2－280）=56元（由0.2t礦渣粉帶來的毛收入），折合每0.1t收入為28元，為加0.1t礦渣粉增加的支出有：礦渣粉0.1t×250=25元，運行費用按5元/t計,增加5×0.1＝0.5（元），合計25.5元，0.1t礦渣粉（變?yōu)樗嗪螅┛偸杖朐黾又禐?8－25.5=2.5元，因此1t礦渣粉變水泥后，可在原基礎上，多增加收入25元。假定P.C32.5R水泥20萬噸銷售量，在摻20%礦渣微粉后可增至24萬噸，則4萬噸礦渣微粉摻入后，在保持原收入基礎上增加了25×4萬=100萬元。

（3）從差價看，強度等級越高的母水泥與礦渣微粉差價越大，而摻入量平均在10%左右是沒有問題的，綜合（1）、（2）假定每噸水泥可增加收入60元，那么一個年產200萬噸工廠，至少可增產至210萬噸，在原收入基礎上至少可增加收入10×60= 600萬元。

[1]喬齡山.水泥的最佳顆粒分布及其評價方法[J].水泥，2001（8）：2－5.

[2]黃士元，喇華噗.綠色水泥和混凝土——我國水泥和混凝土工業(yè)發(fā)展模式的思考[J].水泥，1998（5）：1－5.

[3]任美艷.礦渣微粉在混凝土中的應用[J].水泥商情，2010（3）：58－59.

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