粉煤灰、矿渣的粉磨对水泥性能的影响

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1 引言

根据可持续发展理念，近年来我国对水泥行业提出了节能减排的要求，这需要通过有效措施减少水泥生产中的能源和资源消耗量。相应途径之一就是减少水泥中熟料的掺量，引入粉煤灰、粒化高炉矿渣等工业固体废弃物加以补充。目前，国内厂家生产复合硅酸盐水泥时多采用熟料、高炉矿渣、粉煤灰等共同粉磨的工艺，但由于矿渣、粉煤灰的易磨性不同于熟料，导致混磨水泥中的工业废弃物混合材得不到充分细磨，平均粒度偏大，相应活性得不到有效发挥，影响了水泥的凝结时间、早期及后期强度，进而限制了混合材的有效掺量 [1,2]。而一些发达国家则早已采用熟料、混合材分别用不同参数粉磨后再混合的生产工艺。

本试验研究旨在探讨在分别粉磨后混合以及掺量一定的工艺条件下，粉煤灰、高炉矿渣的不同粉磨细度对复合硅酸盐水泥实际性能的影响，从而在满足水泥国标的条件下，选择合理的粉磨工艺参数，改良混合材对水泥实际性能的贡献作用，提高其掺入的有效性。

2 试 验

2.1 试验原料

试验采用的水泥熟料为徐州淮海中联水泥提供的 52.5 水泥熟料，相应混合材包括徐州热电厂提供的粉煤灰、徐州钢铁厂提供的粒化高炉矿渣、徐州淮海中联水泥提供的石膏及徐州本地开采的石灰石。各组分的化学成分如表 1 示。

2.2 试验方法

为考察经不同粉磨工艺处理后的粉煤灰及矿渣对水泥性能的影响，将复合硅酸盐水泥试样的组分配比固 定 设 计 为： 熟 料 56%、 高 炉 矿 渣15%、 粉 煤 灰 20%、 石 灰 石 3%、 石膏 6%。

将干燥后的粉煤灰、高炉矿渣用Φ500mm×500mm 的试验磨机分别粉磨 2h、5h和 10h，制备 3 种粉煤灰试样和 3 种高炉矿渣试样，分别记为 A2、A5、A10、B2、B5、B10， 而 未进行二次粉磨的粉煤灰和矿渣记为 A0 和 B0，利用 LSC-1 型激光粒度分析仪分别测试以上 8 种混合材粉磨样的颗粒级配。固定粉煤灰或矿渣的粉磨工艺不变，与经不同工艺粉磨的另一种混合材按设计配比均匀混合，制成不同的复合水泥试样，试样的具体组成如表 2 示。

各水泥试样凝结时间的测定按照 GB/T1346-2001 的规定进行，而 3 天、28 天抗压强度的测定则按照 GB/T17671-1999（ISO 法）的规定进行。

3 试验结果及分析

经不同粉磨工艺处理的混合材试样的颗粒级配如表 3 示。

由表 3 可知，未经粉磨时，粉煤灰的粒径分布主要集中在 10~30μm，而高炉矿渣的粒径分布主要集中在 30μm 以上。随着粉磨时间的延长，混合材中的粗大颗粒被细化，颗粒粒径分布向较小的方向变化，10~20μm 的颗粒开始占主要部分，粉煤灰和矿渣在粉磨 5 小时后，10~20μm 范围的颗粒分布分别达到 90% 和 79%。而当粉磨时间进一步延长到 10 小时后，颗粒分布又略向大粒径方向移动，这是由于粉磨到一定程度的混合材细颗粒，本身具有较大的比表面积和表面活性，在后续粉磨过程中相互接触，易发生团聚而形成新的大颗粒 [3]。

所掺混合材经不同粉磨工艺处理的水泥试样的凝结时间变化如图 1 示。

由图 1 可知，在其他条件不变的情况下，当复合水泥中的粉煤灰的粉磨时间延长时，试样的初凝、终凝时间都有所延长。而随着复合水泥中的高炉矿渣的粉磨时间增加，相应水泥试样的凝结时间有所缩短。

所掺混合材经不同粉磨工艺处理的水泥试样的 3 天及 28 天抗压强度变化如图 2 示。

由图 2 可知，组分中的粉煤灰粉磨时间延长后，复合水泥试样的 3 天抗压强度基本无变化，而 28 天抗压强度则有较明显的增加。但粉磨时间延长到 10h，试样的抗压强度不增反减。而增加了矿渣组分的粉磨时间后，试样的 3 天抗压强度有所提升，28 天抗压强度则增幅不大。

分析产生上述结果的原因，是由于水泥本身可视为一种紧密堆积体系，各组分颗粒的粒径分布、活性等特性对产品的实际性能都会产生影响。增加粉煤灰及高炉矿渣的粉磨时间后，其颗粒粒径减小，进入水泥颗粒间隙的颗粒数量增多。但粉煤灰属于火山灰混合材，无法自发产生水化反应，进入水泥颗粒间隙的颗粒量越多，对其在水化反应中相互接触的阻碍作用越大，相当于 “ 稀释 ” 作用，因而试样的凝结时间有所延长。同时粉煤灰微细颗粒在前期只能发挥其物理填充作用，而水化一段时间后，粉煤灰磨细后的高表面活性大幅促进了其在碱性液相环境中的水化反应，因而对试样的 28 天后期强度增幅较明显。相对的，高炉矿渣属于潜在水硬性混合材，粉磨时间增加后，其水硬活性得到增强。矿渣微细颗粒进入水泥颗粒间隙后，其由诱导激活、表面微晶化以及界面耦合组成的复合胶凝效应进一步增强了水泥颗粒水化反应的速率，同时与水泥颗粒的紧密接触也变相增加了整体的水化反应面积，在宏观上表现为试样凝结时间的缩短和 3 天早期强度的明显增加。而到 28 天时，矿渣微粉的水化激发作用已基本发挥完毕，因此对强度的改善作用较微弱[4-7]。另外，若粉磨时间过长，混合材颗粒过细，高活性表面使其易产生新的团聚。由于该团聚不易打破，反而会进一步阻碍水泥的水化反应，影响产品的实际性能。

4 结论

（1）增加粉煤灰的粉磨时间，相应复合水泥的凝结时间有所延长，早期强度变化不大，而后期强度会有较大幅度的提高。而高炉矿渣的粉磨时间延长后，水泥试样的凝结时间缩短，同时早期强度得到改善，而后期强度基本无影响。

（2）混合材的粉磨时间不宜过久，否则易产生过粉磨而使微细颗粒重新产生团聚，进而对水泥实际性能产生负面影响。

由于水泥的初、终凝时间影响到产品的工艺应用性能，而早期、晚期强度则影响到其安全性能。因此，在制备复合硅酸盐水泥时，应根据颗粒堆积理论以及各组份材料的不同特性，选择不同的粉磨工艺分别处理，以便产品性能得到最大优化。

来源：曹晓非