磨細(xì)礦渣粉粒徑特征對(duì)水泥砂漿性能的影響

李海豹，豐曙霞

（1.江蘇省建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 南京 210009；2.山東英才學(xué)院建筑工程學(xué)院， 山東 濟(jì)南 250104）

0 引言

在工程建設(shè)中，水泥是重要的原材料之一，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，其用量也日益增大。2010 年，我國(guó)水泥的產(chǎn)量已達(dá)18.68 億t，占世界總產(chǎn)量的60%左右。 因此工業(yè)廢渣再利用，減少水泥熟料的生產(chǎn)及消耗成為重要的研究?jī)?nèi)容。

礦渣是冶鐵工業(yè)的副產(chǎn)品，常作為混合材或摻合料用于水泥及混凝土的制備。 經(jīng)過急冷處理的礦渣90%以上為具有潛在反應(yīng)活性的玻璃體，化學(xué)組成主要為Ca0、Mg0、Si02和A1203，與水泥熟料相比，鈣含量較低，Mg 含量較高。 用于水泥基材料制備的礦渣一般需要經(jīng)過粉磨處理，通過粉磨降低礦渣顆粒的粒徑，增大比表面積從而提高礦渣的反應(yīng)活性。因此，磨細(xì)礦渣粉的顆粒群特征(包括顆粒大小、分布狀態(tài)和形貌指數(shù)等)對(duì)水泥基材料的性能有顯著的影響作用。 一般認(rèn)為礦渣粉體中位徑小于10 μm 的顆粒對(duì)早期活性(3～7 d) 的影響最大， 10～20 μm 的礦渣顆粒對(duì)后期活性(28 d)的貢獻(xiàn)較大。 Wang PZ 等認(rèn)為要獲得較高的28 d 抗壓強(qiáng)度，需要將礦渣微粉的粒徑控制在40 μm 以內(nèi)。另有多位學(xué)者根據(jù)R-R-B 分析礦渣顆粒粒度分布寬窄與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，普遍認(rèn)為，當(dāng)特征粒徑相近時(shí)，寬分布較窄分布具有較高的早期強(qiáng)度。

目前研究較多的是顆粒群特征對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響，對(duì)于顆粒特征對(duì)其他性能如新拌砂漿或混凝土的流動(dòng)性以及耐久性研究較少。本文系統(tǒng)分析了不同粒徑區(qū)間的磨細(xì)礦渣粉對(duì)水泥砂漿流動(dòng)性、抗壓強(qiáng)度及抗?jié)B性的影響。

1 試驗(yàn)原材料及方法

海螺水泥P.II 52.5，上海寶田礦渣，化學(xué)組成如表1 所示；ISO 標(biāo)準(zhǔn)砂，拌合及養(yǎng)護(hù)水為自來水。

根據(jù) 《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》GB/T17671-1999(ISO 679：1989)制備水泥砂漿，純水泥砂漿標(biāo)記為PC，摻磨細(xì)礦渣粉水泥砂漿標(biāo)記為SC，其中礦渣粉50%等量替代水泥，灰砂比為3，水灰比為0.5； 分別根據(jù) 《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》GB/T2416-2005、《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO 法)》GB/T 17671-1999 測(cè)試新拌砂漿的流動(dòng)度及硬化砂漿的抗壓強(qiáng)度； 參照 《水工混凝土試驗(yàn)工程》DL/T 5150-2001 和《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》GBJ 82-2009 測(cè)試砂漿抗?jié)B性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

表1 水泥和礦渣的化學(xué)組成 （w/%）

2.1 不同粒徑特征礦渣粉的組成及粒度分布

將原狀礦渣經(jīng)過粉磨、 氣流分選等操作制備出五種不同粒徑區(qū)間的礦渣粉， 分別記作S1、S2、S3、S4、S5， 激光粒度儀分析其粒度分布如圖1 所示，粒徑特征參數(shù)如表2 所示。 磨細(xì)礦渣粉的粒度分析結(jié)果顯示，從S1 到S5 粒徑分布曲線逐漸左移，說明顆粒群的細(xì)度逐漸增大， 平均粒徑、 中位徑從S1 的58.20 μm、51.97 μm 下降到S5 的2.05 μm、1.86 μm，比表面積從160 m2/kg 增大至1 102 m2/kg。

2.2 礦渣粉粒徑特征對(duì)水泥砂漿性能的影響

圖2 中PC 表示純水泥砂漿，S1C 表示摻50%S1 礦渣粉的水泥砂漿，同理解釋S2C-S5C。

圖1 S1-S5 的粒徑分布曲線

圖2 是不同粒徑區(qū)間的磨細(xì)礦渣粉對(duì)新拌水泥砂漿流動(dòng)度的影響。 由圖2 可知，磨細(xì)礦渣粉的粒徑特征對(duì)砂漿性能有顯著的影響。隨著比表面積的增大， 摻磨細(xì)礦渣粉的水泥砂漿流動(dòng)度降低，原因在于比表面積增大， 顆粒表面的吸附水量增加，漿體中的自由水量降低，使得漿體流動(dòng)度下降。 當(dāng)?shù)V渣粉的比表面積小于410 m2/kg 時(shí)，SC 的流動(dòng)度大于PC， 說明較粗的礦渣粉有利于提高水泥砂漿的流動(dòng)度。

圖2 磨細(xì)礦渣粉粒徑特征對(duì)新拌砂漿流動(dòng)度的影響

表2 S1-S5 的粒徑特征參數(shù)

圖3 是不同粒徑區(qū)間的磨細(xì)礦渣粉對(duì)硬化水泥砂漿各齡期抗壓強(qiáng)度的影響。 試驗(yàn)結(jié)果表明，相同齡期的摻磨細(xì)礦渣粉水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度隨礦渣微粉比表面積的增大而增大，說明細(xì)度的增大有利于礦渣顆粒的反應(yīng)活性的提高，促進(jìn)其在水泥漿體中的反應(yīng)進(jìn)程，從而提高砂漿的力學(xué)性能。另外，7 d 齡期之前PC 的抗壓強(qiáng)度最高，28 d 之后摻有較細(xì)礦渣微粉的S3-S5 的抗壓強(qiáng)度超過PC， 說明細(xì)度對(duì)礦渣顆?；钚缘挠绊懽饔弥饕憩F(xiàn)在水化7 d 以后。

圖3 磨細(xì)礦渣粉粒徑特征對(duì)硬化砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

圖4 是不同粒徑區(qū)間的磨細(xì)礦渣粉對(duì)硬化水泥砂漿28 d 抗?jié)B性的影響。 試驗(yàn)采用不透水系數(shù)表征砂漿抗?jié)B性，計(jì)算公式如下：

Fi= Σ(Pi·ti)

式中：Fi為砂漿試件不透水系數(shù) （MPa·h）；Pi為試件在每一壓力階段所受水壓（MPa）；ti為一定壓力保持的時(shí)間（h）。

圖4 礦渣粉粒徑特征對(duì)28 d 水泥砂漿抗?jié)B性的影響

抗?jié)B性試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著比表面積的增大，摻磨細(xì)礦渣粉的水泥砂漿28 d 不透水系數(shù)先增大后降低，即砂漿抗?jié)B性先提高后降低；除S1C 外，其余摻礦渣粉的水泥砂漿抗?jié)B性均優(yōu)于純水泥砂漿PC，說明摻加一定細(xì)度的礦渣粉有利于水泥砂漿28 d 抗?jié)B能力的提高。

3 結(jié)論

磨細(xì)礦渣粉的細(xì)度對(duì)新拌及硬化水泥砂漿的性能有較大影響。 比表面積160～1 100 m2/kg 之間，隨著顆粒群細(xì)度增大，摻礦渣粉的水泥砂漿流動(dòng)度降低，抗壓強(qiáng)度增大，硬化砂漿抗?jié)B性先提高后降低，礦渣粉比表面積890 m2/kg 時(shí)，28 d 硬化砂漿抗?jié)B性能最佳。

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