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)集團水泥混凝土技術(shù)研發(fā)中心,山西太原 030031;4.山西淮海機電有限公司,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、后期強度高、水化熱低、耐久性好等優(yōu)點,使其成為配制高強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度.通常情況下,礦渣粉越細,比表面積越大,活性越高.提高礦渣粉細度一度成為提高礦渣粉質(zhì)量的主要手段[4-5].新國標《GB/T18046-2008用于水泥和混凝土中的?；郀t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,如何將礦渣粉的細度控制在合理范圍成為困擾超細礦渣粉生產(chǎn)企業(yè)的主要問題[6].摻礦渣粉膠砂抗壓強度比是決定礦渣粉等級的最主要指標,研究礦渣粉細度對抗壓強度的影響并在此基礎(chǔ)上確定礦渣粉的最佳細度范圍,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的標準試驗?zāi)C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進行.

1.2.2 水泥膠砂強度測定

按照 GB/T17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法》(ISO),測定標準養(yǎng)護試件 3 d,7 d,28 d的試樣抗壓強度(見表 4～ 表 6).

表4 礦渣水泥的 3d抗壓強度Tab.43 d compressive streng th of slag cement

表5 礦渣水泥的 7 d抗壓強度Tab.57 d compressive streng th of slag cement

表6 礦渣水泥的 28 d抗壓強度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)定的強度比法進行數(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理上來看,其細度和摻量引起水泥強度的變化是連續(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度及強度測定值的波動.這些波動引起的隨機誤差,會掩蓋礦渣粉的細度和摻量對礦渣水泥強度的作用規(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)進行了處理(以 3 d抗壓強度為例,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)進行處理可得表 8.礦渣水泥修正后的 3 d抗壓強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,但同時也降低了強度的增長率,分析水泥強度變化時應(yīng)注意.

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

2.3 礦渣粉比表面積對水泥強度的影響

2.3.1 礦渣粉比表面積對水泥早期(3 d)抗壓強度的影響

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,摻入水泥中,造成礦渣水泥 3 d抗壓強度比大都低于 100,說明摻入此類礦渣粉后,會造成水泥 3天抗壓強度降低;同時,3 d抗壓強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礦渣粉水泥的強度比都大于摻 344(350)m2/kg礦渣粉水泥的強度比,說明摻此類礦渣水泥的 3 d抗壓強度隨著礦渣比表面積的增大而增大.

第二類礦渣粉(細礦渣粉)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強度降低,對礦渣水泥 3 d抗壓強度提高也不明顯.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度對提高水泥的 3d抗壓強度作用不明顯.3 d抗壓強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抗壓強度隨礦渣摻量變化不大.

第三類礦渣粉(超細礦渣粉)的比表面積為 600～ 650 m2/kg(＞ 600 m2/kg).摻此類礦渣粉水泥的3 d抗壓強度比值遠高于 100,說明此類礦渣粉摻入水泥可大大提高 3 d抗壓強度.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抗壓強度隨著礦渣比表面積的增大而增大.3d抗壓強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的抗壓強度比圖(圖 2和圖 3).考慮 7 d,28 d抗壓強度時,礦渣粉按比表面積也可以分成同樣的 3類.其中礦渣粉細度和摻量對水泥 7 d抗壓強度的影響規(guī)律與其對水泥3天抗壓強度的影響規(guī)律極為相似.礦渣粉細度和摻量對水泥 28 d抗壓強度的影響規(guī)律與其對水泥 3 d,7 d抗壓強度的影響規(guī)律也較為相似,與 3 d強度影響規(guī)律不同的是第一類礦渣粉摻入水泥后,其 28 d抗壓強度大于不摻礦渣粉的水泥 28 d抗壓強度,這又一次證明礦渣粉對水泥后期有增強作用.

圖2 摻礦渣粉水泥修正后的 7 d抗壓強度比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度增強效果的對比

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.說明提高礦渣粉細度更有利于提高礦渣水泥的早期強度,可以解決摻礦渣粉水泥基材料早期強度低的問題.

2.4 礦渣粉細度最優(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抗壓強度比僅分別增加 0.8%,5.3%,2.4%.當?shù)V渣粉較粗時(第一類礦渣粉)不能充分發(fā)揮礦渣粉的增強作用,礦渣粉太細時(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,第二類礦渣粉細度比較合適.結(jié)合細度對抗壓強度的影響規(guī)律,比表面積控制在 450～ 500 m2/kg可望達到最佳性能經(jīng)濟指標.

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

3 結(jié) 論

1)按礦渣粉細度和摻量對水泥強度的影響規(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)揮礦渣粉的增強作用;第三類礦渣粉是比表面積為600～ 650 m2/kg(＞600 m2/kg),增強效果好,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,增強效果較好,粉磨能耗較低.

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

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

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