礦渣粉細(xì)度分類與優(yōu)化?

靳秀芝,趙宏杰,韓 濤,,韓鐵寶,李新建,韓建清

(1.中北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,山西太原 030051;2.天津振興水泥有限公司,天津 300400;

(3.中北大學(xué)-智海企業(yè)集團(tuán)水泥混凝土技術(shù)研發(fā)中心,山西太原 030031;4.山西淮海機(jī)電有限公司,山西長治 046012)

0 引 言

礦渣粉用在混凝土中具有成本低、工作性好、后期強(qiáng)度高、水化熱低、耐久性好等優(yōu)點,使其成為配制高強(qiáng)高性能混凝土的必要組分之一[1-3].礦渣粉性能的好壞主要取決于其粉磨細(xì)度.通常情況下,礦渣粉越細(xì),比表面積越大,活性越高.提高礦渣粉細(xì)度一度成為提高礦渣粉質(zhì)量的主要手段[4-5].新國標(biāo)《GB/T18046-2008用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》也把礦渣粉的比表面積由“S75,S95,S105均不小于 350 m2/kg”改為“S75≥300 m2/kg,S95≥400 m2/kg,S105≥500 m2/kg”.但用在混凝土中的礦渣粉比表面積并不是越高越好,礦渣粉太細(xì)會引起工作性變差、粉磨能耗大幅度提高等問題,如何將礦渣粉的細(xì)度控制在合理范圍成為困擾超細(xì)礦渣粉生產(chǎn)企業(yè)的主要問題[6].摻礦渣粉膠砂抗壓強(qiáng)度比是決定礦渣粉等級的最主要指標(biāo),研究礦渣粉細(xì)度對抗壓強(qiáng)度的影響并在此基礎(chǔ)上確定礦渣粉的最佳細(xì)度范圍,對礦渣粉生產(chǎn)和其在混凝土中的應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義.

1 試驗原料及試驗方法

1.1 試驗原料

水淬高爐礦渣為長治鋼鐵集團(tuán)公司 3,7號高爐產(chǎn)生,熟料來源于山西雙良水泥有限公司.熟料、礦渣的比重分別為 3.16 g/cm3,2.95 g/cm3.原料的化學(xué)成分見表 1,性能見表 2.

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

利用Φ500×500 mm的標(biāo)準(zhǔn)試驗?zāi)C(jī)粉磨制備 7種礦渣粉和 1種熟料粉,其粉磨時間與比表面積見表 3.礦渣粉與熟料粉以不同的比例混合成礦渣水泥粉體(石膏摻量固定為 4%).

表3 礦渣粉與熟料粉的粉磨時間與比表面積Tab.3 Grinding time and specific surface area of slag and clinker

1.2 試驗方法

1.2.1 比表面積測定

BS-1型勃氏透氣法比表面積測試儀,依 GB/T8074-2008進(jìn)行.

1.2.2 水泥膠砂強(qiáng)度測定

按照 GB/T17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗方法》(ISO),測定標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件 3 d,7 d,28 d的試樣抗壓強(qiáng)度(見表 4～ 表 6).

表4 礦渣水泥的 3d抗壓強(qiáng)度Tab.43 d compressive streng th of slag cement

表5 礦渣水泥的 7 d抗壓強(qiáng)度Tab.57 d compressive streng th of slag cement

表6 礦渣水泥的 28 d抗壓強(qiáng)度Tab.628 d compressive strength of slag cement

2 結(jié)果與分析

2.1 礦渣粉對水泥強(qiáng)度影響表述

為了便于分析礦渣粉的質(zhì)量水平及其對礦渣水泥的影響程度,先采用 GB/T18046-2008規(guī)定的強(qiáng)度比法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.

2.2 弱化緩沖算子構(gòu)建

從礦渣粉對水泥水化硬化影響的機(jī)理上來看,其細(xì)度和摻量引起水泥強(qiáng)度的變化是連續(xù)的.由于硬化水泥石是固、液、氣組成的多孔體系,孔隙分布的不均勻性和操作人員的偶然誤差都會引起強(qiáng)度及強(qiáng)度測定值的波動.這些波動引起的隨機(jī)誤差,會掩蓋礦渣粉的細(xì)度和摻量對礦渣水泥強(qiáng)度的作用規(guī)律.為了消除偶然因素對試驗結(jié)果的影響,凸顯規(guī)律性,本文采用弱化緩沖算子對數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理(以 3 d抗壓強(qiáng)度為例,見表 7,表 8和圖 1).弱化緩沖算子[7]定義為：設(shè)原始數(shù)據(jù)序列為

令

其中

該算子符合不動點公理、信息充分利用公理、規(guī)范化公理等緩沖算子三公理.

表7 礦渣水泥 3 d抗壓強(qiáng)度比Tab.7 Ratio of3d compressive strength of slag cement

表8 礦渣水泥修正后的 3d抗壓強(qiáng)度比Tab.8 Ratio of 3 d compressive streng th of slag cement after adjusting

利用公式(4)對表 7中數(shù)據(jù)進(jìn)行處理可得表 8.礦渣水泥修正后的 3 d抗壓強(qiáng)度比與礦渣粉比表面積、礦渣粉摻量的關(guān)系如圖 1所示.對比表 7、表 8及圖 1可以看出,修正后的數(shù)據(jù)比修正前的數(shù)據(jù)曲線光滑了許多.表 8中由于偶然因素引起的數(shù)據(jù)間的差別比表7中的小很多,說明偶然因素對規(guī)律的影響小了.弱化算子確實起到了淡化擾動對數(shù)據(jù)的影響,但同時也降低了強(qiáng)度的增長率,分析水泥強(qiáng)度變化時應(yīng)注意.

圖1 摻礦渣粉水泥 3 d的抗壓強(qiáng)度比Fig.1 Ratio of 3 d compressive strength of slag cement

2.3 礦渣粉比表面積對水泥強(qiáng)度的影響

2.3.1 礦渣粉比表面積對水泥早期(3 d)抗壓強(qiáng)度的影響

由圖 1(b)知,不同比表面積礦渣粉在不同摻量下對水泥 3 d抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律可分成 3類：

第一類礦渣粉(粗礦渣粉)是比表面積為 350～400 m2/kg(＜400 m2/kg).此類礦渣粉的比表面積與常用水泥粉體比表面積相當(dāng),摻入水泥中,造成礦渣水泥 3 d抗壓強(qiáng)度比大都低于 100,說明摻入此類礦渣粉后,會造成水泥 3天抗壓強(qiáng)度降低;同時,3 d抗壓強(qiáng)度比值隨著礦渣粉摻量的增加而迅速下降,說明摻入此類礦渣粉水泥的 3 d抗壓強(qiáng)度會隨著礦渣粉摻量的增加而迅速減小;摻 414(400)m2/kg礦渣粉水泥的強(qiáng)度比都大于摻 344(350)m2/kg礦渣粉水泥的強(qiáng)度比,說明摻此類礦渣水泥的 3 d抗壓強(qiáng)度隨著礦渣比表面積的增大而增大.

第二類礦渣粉(細(xì)礦渣粉)的比表面積為 450～ 550 m2/kg.摻此類礦渣粉水泥的 3 d抗壓強(qiáng)度比值基本上都在 100～ 115之間波動,說明摻入此類礦渣粉,不會引起礦渣水泥 3 d強(qiáng)度降低,對礦渣水泥 3 d抗壓強(qiáng)度提高也不明顯.摻 441 m2/kg,500 m2/kg,549 m2/kg礦渣粉水泥的 3 d抗壓強(qiáng)度比值纏繞在一起,說明在比表面積 441(450)～ 549(550)m2/kg范圍內(nèi),通過增加礦渣粉的細(xì)度對提高水泥的 3d抗壓強(qiáng)度作用不明顯.3 d抗壓強(qiáng)度比值隨礦渣摻量變化比較平緩,說明摻此類礦渣粉水泥的 3 d抗壓強(qiáng)度隨礦渣摻量變化不大.

第三類礦渣粉(超細(xì)礦渣粉)的比表面積為 600～ 650 m2/kg(＞ 600 m2/kg).摻此類礦渣粉水泥的3 d抗壓強(qiáng)度比值遠(yuǎn)高于 100,說明此類礦渣粉摻入水泥可大大提高 3 d抗壓強(qiáng)度.可以明顯看出,礦渣粉比表面積在 603(600)～ 640(650)m2/kg范圍內(nèi),礦渣水泥的 3 d抗壓強(qiáng)度隨著礦渣比表面積的增大而增大.3d抗壓強(qiáng)度比值隨著礦渣粉摻量的增加而迅速上升,且隨著礦渣摻量的增加兩者差距變大,摻此類礦渣粉水泥的 3d抗壓強(qiáng)度隨著礦渣粉摻量的增加而迅速增加,且比表面積越大,3 d抗壓強(qiáng)度隨摻量增加得越快.

2.3.2 礦渣粉比表面積對水泥中后期(7 d,28 d)抗壓強(qiáng)度的影響

根據(jù)表 5,表 6利用公式(1),(4)可得礦渣水泥 7 d,28 d的抗壓強(qiáng)度比圖(圖 2和圖 3).考慮 7 d,28 d抗壓強(qiáng)度時,礦渣粉按比表面積也可以分成同樣的 3類.其中礦渣粉細(xì)度和摻量對水泥 7 d抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律與其對水泥3天抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律極為相似.礦渣粉細(xì)度和摻量對水泥 28 d抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律與其對水泥 3 d,7 d抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律也較為相似,與 3 d強(qiáng)度影響規(guī)律不同的是第一類礦渣粉摻入水泥后,其 28 d抗壓強(qiáng)度大于不摻礦渣粉的水泥 28 d抗壓強(qiáng)度,這又一次證明礦渣粉對水泥后期有增強(qiáng)作用.

圖2 摻礦渣粉水泥修正后的 7 d抗壓強(qiáng)度比Fig.27 d compressive strength ratio of slag cement after adjusting

圖3 摻礦渣粉水泥修正后的 28 d抗壓強(qiáng)度比Fig.328 d compressiv e streng th ratio of slag cement after adjusting

2.3.3 礦渣粉比表面積對各齡期水泥抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)效果的對比

固定礦渣粉的摻量為 50%,作摻礦渣水泥各齡期抗壓強(qiáng)度比隨礦渣粉比表面積變化圖(圖 4).用直線分別擬合 3 d,7 d,28 d抗壓強(qiáng)度比隨礦渣粉比表面積變化,得到直線的斜率分別為 0.1167,0.1282,0.0953.說明提高礦渣粉細(xì)度更有利于提高礦渣水泥的早期強(qiáng)度,可以解決摻礦渣粉水泥基材料早期強(qiáng)度低的問題.

2.4 礦渣粉細(xì)度最優(yōu)設(shè)計

在研究涉及的范圍內(nèi),隨著礦渣粉比表面積的提高,礦渣粉的品質(zhì)有兩次飛躍.一是比表面積由400 m2/kg提高到 450或 500 m2/kg,即由第一類礦渣粉轉(zhuǎn)化為第二類礦渣粉,礦渣粉磨時間增加了10 min,在礦渣粉摻量為 50% 時,礦渣水泥 3 d,7 d,28 d抗壓強(qiáng)度比分別增加 13.8%,14.8%,13.9%.一是比表面積由 550 m2/kg提高到600 m2/kg,由第二類礦渣粉轉(zhuǎn)化為第三類礦渣粉,粉磨時間增加了 24 min,在礦渣粉摻量為 50% 時,礦渣水泥 3 d,7 d,28 d抗壓強(qiáng)度比分別增加11.5%,12.3%,8.4%.而比表面積由 450 m2/kg提高到 550 m2/kg(第二類礦渣粉),粉磨時間增加了31 min,在礦渣粉摻量為 50% 時,礦渣水泥 3 d,7 d,28 d抗壓強(qiáng)度比僅分別增加 0.8%,5.3%,2.4%.當(dāng)?shù)V渣粉較粗時(第一類礦渣粉)不能充分發(fā)揮礦渣粉的增強(qiáng)作用,礦渣粉太細(xì)時(第三類礦渣粉)粉磨能耗大幅度提高(140 min/66 min),在滿足要求的條件下,第二類礦渣粉細(xì)度比較合適.結(jié)合細(xì)度對抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律,比表面積控制在 450～ 500 m2/kg可望達(dá)到最佳性能經(jīng)濟(jì)指標(biāo).

圖4 礦渣粉比表面積對水泥抗壓強(qiáng)度比影響Fig.4 Effects of specificl area of gg bs on compressive streng th ratio

3 結(jié) 論

1)按礦渣粉細(xì)度和摻量對水泥強(qiáng)度的影響規(guī)律可以把礦渣粉分成 3類：第一類礦渣粉是比表面積為 350～ 400 m2/kg(＜400 m2/kg),不能充分發(fā)揮礦渣粉的增強(qiáng)作用;第三類礦渣粉是比表面積為600～ 650 m2/kg(＞600 m2/kg),增強(qiáng)效果好,但粉磨能耗高,生產(chǎn)成本高;第二類礦渣粉的比表面積為450～550 m2/kg,增強(qiáng)效果較好,粉磨能耗較低.

2)提高礦渣粉細(xì)度有利于提高礦渣水泥的早期強(qiáng)度,可解決摻礦渣粉水泥基材料早強(qiáng)低的問題.

3)礦渣粉比表面積控制在 450～500 m2/kg范圍內(nèi),可望達(dá)到最佳性能經(jīng)濟(jì)指標(biāo).

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