礦渣混合水泥粒度分布研究?

韓 濤,靳秀芝,崔冬梅

(1.中北大學 材料科學與工程學院,山西太原 030051;2.太原科技大學化學與生物工程學院,山西太原 030021)

眾所周知,除細度外水泥粉體的粒度分布也是影響其性能的重要因素之一[1].細度相同的水泥,其性能可能有較大差異.在水泥水化早期,水泥各種顆粒的水化程度都較小,影響水泥性能的因素主要是粉體的堆積狀態(tài)[2].而粉體的堆積狀態(tài)主要是由水泥粉體的粒度分布決定的.只要水泥的粒度分布合理,在某一程度上可以獲得較好的水泥性能.

礦渣粉對水泥強度、流動性等性能都有很大影響[3-5].摻入礦渣粉可改善水泥和混凝土的和易性,提高水泥漿體的密實度和后期強度.礦渣粉對水泥早期性能的影響主要是通過對水泥粉體的粒度分布影響進行的.目前,研究礦渣粉粒度分布對水泥性能影響的文獻較多,而對礦渣粉粒度分布對礦渣水泥粒度分布影響的研究還未見報導.本文通過對礦渣粉粒度分布與礦渣水泥粒度分布表征參數(shù)之間關(guān)系的研究,揭示了礦渣粉粒度分布對水泥粒度分布的影響,為解釋礦渣粉粒度分布對水泥性能的影響打下基礎.

1 試驗原料及試驗方法

1.1 試驗原料

熟料來源于山西雙良水泥有限公司.高爐礦渣為長治鋼鐵集團公司 3,7號高爐產(chǎn)生的水淬礦渣.石膏來源于長治市.熟料、礦渣的比重分別為 3.16 g/cm3,2.95 g/cm3.原料的化學成分見表 1.

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

利用Φ500 mm×500 mm的標準試驗磨機粉磨制備 7種礦渣粉和兩種熟料粉,礦渣粉與熟料粉以不同的比例混合成礦渣水泥粉體.

1.2 試驗方法

①粉體比表面積測定.BS-1型勃氏透氣法比表面積測試儀,依 GB/T8074-2008進行;②粉體比重測定.按 GB/T208-1994進行;③礦渣、熟料粉體粒度分布測定.Malvern激光粒度測試儀.

1.3 試驗結(jié)果

礦渣粉與熟料粉的比表面積見表 2.礦渣粉與熟料粉的粒度分布見表 3.

表2 礦渣粉與熟料粉的比表面積Tab.2 Specific surface area of slag and clinker(m2/kg)

表3 熟料粉和礦渣粉顆粒群粒度分布Tab.3 PSD of slag and clinker powder(%)

2 結(jié)果分析與討論

2.1 礦渣粉與熟料粉的分布特征

以 ln(ln(100/R(d)))為縱軸,ln(d)為橫軸,利用 Origin軟件作圖,并對水泥熟料和礦渣粉的粒度分布進行擬合.其中：d為顆粒直徑,μ m;R(d)為粒徑為d的累積篩下,%.

擬合結(jié)果見表 4和圖 1.由圖 1和表 4可知,

1)由球磨機制備的礦渣粉和熟料粉都服從RRSB分布(R2都在 0.99以上).

2)熟料粉的 n值隨著比表面積的增加而變大,即熟料粉越細,其粒度分布越窄.

3)礦渣粉的 n值隨著比表面積的增加而變小,即礦渣粉越細,其粒度分布越寬.

4)礦渣粉的n值都大于熟料S1,都小于熟料S2.

5)無論熟料粉還是礦渣粉,粉體越細特征粒徑De越小.

圖1 礦渣粉與熟料粉的粒度分布圖Fig.1 PSD of slag and clinker powder

表4 熟料粉和礦渣粉的分布參數(shù)Tab.4 PSD parameter of slag and clinker powder

2.2 礦渣粉粒度分布均勻性系數(shù) n對水泥均勻性系數(shù) n的影響

顆粒群粒度組成由其體積分數(shù)來表征.假設石膏粉與熟料粉為均勻混合物,即其粒度分布相同.混合水泥的粒度組成可利用式(1)計算

表5 混合水泥的分布指數(shù)nTab.5 Distribution index n of slag blend cement

以礦渣摻入量為橫坐標,混合水泥粉體 n值作為縱坐標,并對摻不同細度礦渣粉的混合水泥的 n作擬合,如圖 2,圖 3所示.

由圖 2可得,當熟料粉較粗時(比表面積為 356 kg/m2),n值較小,分布較寬.混合水泥粉體分布參數(shù)隨礦渣粉細度與摻量的變化有以下規(guī)律：

圖2 摻熟料粉 1的礦渣混合水泥的 n值Fig.2 n of slag blend cement with S1

圖3 摻熟料粉 2的礦渣混合水泥的 n值Fig.3 n of slag blend cement with S2

1)混合水泥粉體的 n值隨礦渣粉 n值的變化而變化.礦渣粉的 n值越小,混合水泥粉體的 n值也越小,即摻入到混合水泥中的礦渣粉的粒度分布越寬,得到的混合水泥的粒度分布也越寬.

2)在礦渣粉摻入量為 0%～ 70% 范圍內(nèi),隨礦渣粉的摻量不同,引起混合水泥粉體的n值變化規(guī)律分為兩類：①礦渣粉粒度分布與水泥熟料粒度分布相近時,礦渣粉(如 K1,K2)的 n值較大,混合水泥的n值隨礦渣粉的摻量變化符合線性關(guān)系.摻入這類礦渣粉越多,混合水泥的 n值越大,其粒度分布就越窄.②當?shù)V渣粉的細度與水泥熟料粉的細度相差較大時,礦渣粉(如 K3～K7)的 n值較小,混合水泥的n值隨礦渣粉的摻量增加先減小后增加,n值都有最小值點,此時混合水泥粒度分布最寬.達到最寬粒度分布時的礦渣粉摻量隨著礦渣粉 n值的減小而增大.

3)熟料粉和礦渣粉共同決定著混合水泥粒度分布的寬窄,并不是兩種粉體在一起混合就一定會增加礦渣水泥的粒度分布寬度,而是與它們間的比例和相對粗細程度有關(guān).

由圖 3可得,當熟料粉較細時(比表面積為 500 kg/m2),n值較大,分布較窄.水泥粉體隨礦渣粉細度與摻量的變化規(guī)律與上面的分析有差別：水泥的 n值都是下降的,隨礦渣粉摻量的增加,呈二次多項式關(guān)系,在 0%～70% 范圍內(nèi)無極值點,且下降幅度較小.

圖4 混合水泥特征粒徑 DeFig.4 De of slag blend cement

圖5 混合水泥特征粒徑 D50Fig.5 D50of slag blend cement

2.3 礦渣粉顆?？傮w粗細程度對水泥顆?？傮w粗細程度的影響

2)隨著礦渣粉細度的增加,各曲線斜率的絕對值增加,說明礦渣粉的 De,D50,De?n值越小,混合水泥的 De,D50,De?n值越小,即摻入到混合水泥中的礦渣粉的粒度越細,得到的礦渣水泥的粒度越細.在相同的摻量下,礦渣粉的 De越小,引起混合水泥的 De降低越快.

3)De?n曲線斜率的絕對值基本上都大于 D50曲線斜率的絕對值,說明 De?n能更好地反映粉體之間的差別.

圖6 混合水泥的 De?nFig.6 De?n of slag blend cement

3 結(jié) 論

1)熟料粉和礦渣粉都符合 RRSB分布.在一定范圍內(nèi)礦渣粉的粒度分布隨比表面積的增加而變寬.

2)粉體的比表面積和中位徑、De,De?n都有較好的相關(guān)性.比表面積、中位徑、De,De?n都可以表征粉體顆粒的總體粗細程度,其中以 De?n最好.可采用 De?n控制水泥粉體粉磨細度,制備高性能礦渣混合水泥.

3)水泥混合粉體的粒度分布由礦渣粉的粒度分布、熟料粉的粒度分布及它們間的相對含量共同決定.摻礦渣粉水泥的 De,D50,De?n隨礦渣粉的摻量變化規(guī)律都符合線性變化規(guī)律,當兩種粉體的比例合適時,可以得到分布寬度最大的混合水泥粉體.

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