粉煤灰、石灰石和矿渣对水泥流动性和力学性能的影响

 　【摘要】混合材料因为具有不同的化学和物理性质，会对水泥的力学性能和流动性产生巨大影响。本文将研究粉煤灰、石灰石和矿渣混合作用对于水泥的流动性和力学性能的影响。根据实验结果，水泥的流动性会根据石灰石掺加量的增加而提高，矿渣则会对水泥的流动性产生相反的作用，但是降低程度不大，粉煤灰的掺加量会大幅度降低水泥的流动性。搀加石灰石抗压强度略高于矿渣和粉煤灰的效果。 
　　【关键词】水泥流动性；力学性能；影响程度 
　　水泥是一种颗粒半径介于几微米至几十微米的粉体，具备粉体的各项特性。根据水泥厂的生产经验来看，水泥粉体的一次物性不能明确反映水泥助磨效果。水泥流动性、喷流性、附着性为三次物性。有材料表明使用粉体测定仪测定水泥的粉体流动性，该方法多应用于有机粉体流动性测定，本文将介绍水泥粉体流动性的表征，以及粉煤灰、石灰石和矿渣对水泥粉体的流动性和力学性能的影响。

　　一、水泥粉体的流动性表征 

　　粉体流动性测量仪器有剪切类和流动类。通过测定一定条件下粉体的流动速率与实践来确定粉体流动性的特征。以粉体颗粒半径非常均匀的粉体作为参照，Carr百分法把粉体的流动性指数最高值规定为100。采用粉体测量：休止角，平板角，压缩度和均匀度等。各指标最高值25，将四项指标得分和定义为流动性指数。得分越高，流动性越好。总分在80分以上不会棚料，低于60则会棚料。这种判定水泥粉体的流动性相比于单纯使用休止角测量更能表现流动性。 
　　水泥的粉体流动性指数比较难达到60以上，防止棚料的措施一般针对普通粉体条件。水泥的流动性指数评价标准需要进行大量指数测量共同对比才可以作出比较精准的性能评测。

　　二、实验探究粉煤灰等对于水泥流动性的影响 

　　矿渣、石灰石和粉煤灰按不同的比例混合，考虑到表面积的影响，需要控制粉磨程度，SO3控制范围在（2.30+0.10%），支撑水泥进行指标的检验。水泥标准稠度用水量按国标水泥稠度用水量、凝固时间和安定性检验方法。胶沙流动性的测量方法按照GB/T2419-2005标准。水泥强度按照胶沙强度ISO法进行。 
　　传统混合粉磨工艺生产矿渣水泥（比表面积300m2・k-g1）中矿渣粉的比表面积仅有280m2・k-g1，不能实现矿渣粉活性的有效发挥。此种矿渣水泥存在的缺陷有泌水率大、凝结时间长、早期强度低等等。可以将矿渣和熟料分别粉磨，将易磨性较差的矿渣单独粉磨至设计的细度水平，然后根据矿渣粉的细度和活性，确定其配比来满足水泥的性能要求。分别粉磨工艺生产矿渣粉的比表面积一般大于350m2・k-g1。这种矿渣水泥可提高其早期强度，改善水泥和新拌混凝土的流变性。为与传统的矿渣水泥区别，称之为新型矿渣水泥。熟料粉、矿渣粉的细度和配合比是配制新型矿渣水泥的三个变数。它们对矿渣水泥强度、凝结时间等性能指标的影响，是材料研究需要回答的问题。 

　　三、实验结果 

　　1.混合材料种类对于标准稠度用水量和胶沙流动性的作用 
　　通过实验数据的分析，水泥的标准稠度用水量与石灰石掺加量成反比，但反比例系数很小，在石灰石由0增加到40%过程中，水泥标准稠度用水量只降低0.3%，基本没有影响。矿渣对水泥稠度用水量基本没有影响。粉煤灰掺加量与水泥标准稠度用水量成正比，在粉煤灰由0增加到40%过程中，水泥标准稠度用水量增加2.2%。 
　　另外，石灰石的添加水泥胶沙流动性成正比关系。矿渣添加量与水泥胶沙流动性成反比，其反比例系数较低；粉煤灰的添加量与水泥胶沙流动性成反比，反比例系数很大，粉煤灰的添加会大幅度降低水泥胶沙流动性。 
　　根据上述两个指标的综合分析，可以知道水泥胶沙流动性与水泥标准稠度用水量成反比，石灰石的加入显著降低水泥标准稠度用水量，而提升水泥的流变性能。粉煤灰的添加导致水泥流变性降低，矿渣对其影响不大。 
　　2.不同混合材料对水泥流动性影响的原因 
　　石灰石的耐磨性更强，相同细度的条件下，石灰石粉末含量比例较多，更多的石灰石粉末填充水泥颗粒间隙，减少了水在水泥颗粒间的填充量，即颗粒堆积效应。另外石灰石颗粒结构紧密，石灰石颗粒不会吸附水，只在颗粒表面形成水膜，产生吸附效应。石灰石的吸附效应不明显，水在水泥颗粒间的填充更多，联合导致水泥的标准稠度用水量的降低，相应的水泥胶体流动性有所提高。 
　　矿渣的耐磨程度较低，相同细度条件下，细粉颗粒较少，颗粒的堆积效应作用不明显。矿渣呈现玻璃态，颗粒表面水膜程度不高，即吸附效果不明显，综合效果体现出对于水泥的标准稠度用水量及胶沙流动度影响不大。 
　　粉煤灰多由多孔结构的硅酸盐的玻璃态和部分玻璃球状构成，颗粒堆积效应很不明显，多孔的机构导致吸水效果很明显，综合看来吸附效果远大于颗粒效应，标准稠度用水量显著提升。 
　　3.混合材料对于水泥力学强度影响 
　　根据实验数据的分析，石灰石的添加使水泥的3d抗压强度较高，其次是矿渣，添加了粉煤灰水泥的3d抗压强度最低。当掺加量大于15%时，石灰石水泥的3d强度会随着石灰石添加量的增加而大幅度降低。 
　　另外，混合水泥的28d抗压强度呈降低趋势，其中搀加矿渣的水泥28d抗压程度下降幅度最小，石灰石的搀加会大幅降低28d抗压程度。 
　　石灰石是一种非活性混合材料，其颗粒对于水泥粉体只有填充作用，CaCO3会和C3A在水泥水化过程中产生化学反应，产生少量碳铝酸钙，C3A水化速度较快，石灰石搀加量比较低时，填充效应与少量碳铝酸钙共同作用，共同作用的结果使石灰石水泥的3d抗压强度高于其他添加水泥。当混合添加量较多时，填充作用和碳铝酸钙的作用可忽略不计，粉煤灰和矿渣作为活性矿物，在水化反应中与Ca（OH）2作用下形成纤维状CSH晶体，所以在添加量较大的条件下，搀加粉煤灰和矿渣的3d抗压强度显著高于石灰石水泥强度。 
　　从3d抗压数据与28d抗压数据的整体分析来看，混合材料的种类对于这两种指标的影响效果、强度和原理基本一致。 

　　四、总结 

　　1.石灰石的添加，水泥胶沙流动性随着石灰石的搀加量的增加而增加；随矿渣添加量的提高而有小幅降低；水泥胶沙流动度随着粉煤灰掺加量的增加而显著降低。

       2.水泥胶沙流动性与标准稠度用数量成负相关关系。

       3.流动指数可以很好地表征水泥的流动性，流动性由于水泥混合添加物的助磨效果和化学特性有关，也和水泥的生产工艺有直接关系。

       4.在实验过程中，掺加量的合理范围内，流动性指数明显与各个混合材料有关，各种混合材料的物理化学特性，会从不同的角度对水泥流动性与抗压强度产生特异性影响。

       5.当混合掺加量低于15%时，石灰石与碳铝酸钙的化学效应共同作用，3d抗压长度略高于矿渣和粉煤灰。大于15%时，由于化学效果可忽略不计，石灰石水泥的3d抗压强度将低于矿渣和粉煤灰水泥。6.随着混合材料的搀加量的提高，28d强度逐渐降低，矿渣水泥的降低幅度较小，石灰石水泥28d抗压强度下降幅度最大。

        7.水泥的生产工艺与水泥粉体流动性和抗压强度有直接关系，科学合理地改善生产工艺，选择合适的配方将有效提高水泥的各项工业指标。 

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