矿渣经微细粉磨后具有很高活性,已被广泛用作混凝土的矿物外加剂。矿渣微粉的比表面积高,早期水化加快,有利于混凝土早期强度的提高;同时矿渣又有微集料的作用,可提高混凝土的耐久性。目前国内外对水泥助磨剂的研究比较多,对矿渣助磨剂的研究大多局限在单一助磨剂方面,这在一定程度上制约了微细矿粉的研究与应用。
三乙醇胺是的高效水泥助磨剂,但由于矿渣的粉磨特性与水泥熟料有所不同,对水泥适合的助磨剂未必适用于矿渣。结合KErdogdu等人的研究[3],可以确定它们在一起粉磨时达不到各自的活性粒度。基于此观点,我们在了解了助磨剂的助磨机理后,研究了4种三乙醇胺类复合助磨剂在相同掺量(0.1%)、相同粉磨条件下对矿渣的粉磨,并与未加助磨剂和加单一三乙醇胺助磨剂的样品进行了比较。
1试验内容及结果
1.1原材料试验用的矿渣取自上海宝钢总厂,其化学成分见表1;水泥采用P·Ⅰ52.5硅酸盐水泥,基本化学成分见表2;助磨剂为实验室按一定比例复合的,其成分见表3。
1.2试验
采用实验室标准球磨机(Φ500mm×500mm),每次取5kg粒状高炉水淬矿渣,掺入表3所列的助磨剂(掺量为0.1%),粉磨至一定时间取样,采用DBT-127勃氏透气比表面积仪测其比表面积。表4为各助磨剂不同粉磨时间的比表面积测定结果.
1.3矿渣粉体颗粒形貌分析
采用Quantiment-600图像分析仪对粉磨时间为2.5h的各试样进行颗粒群形貌分析,并用下列指标量化其形貌特征。
1)圆度,表示颗粒投影与圆的接近程度。计算公式为:Φ=4π/L A(A为颗粒的投影面积;L为颗粒的投影周长);
2)表面粗糙度,表示颗粒表面结构的形状指数。计算公式为:Z=L212.64A,颗粒越粗糙,Z越大;
3)伸长度,表示颗粒长径与短径之比。该指标衡量颗粒的取向性。
表5为各试样颗粒群圆度、表面粗糙度、伸长度的累积值
1.4矿渣粉体微观电镜分析
取表5中D2.5试样,采用HIROXKH-3000型三维视频显微系统:MX-10C高倍镜头(×2000)拍取矿粉的三维视图;采用S-570扫描电子显微镜拍取矿渣粉体SEM图,结果见图1。
1.5标准稠度用水量及凝结时间测定
研究掺入助磨剂后对矿渣-水泥净浆体系的影响,以50%矿渣(粉磨时间为2.5h)+50%硅酸盐水泥制成复合胶凝粉体材料,参照GB/T1346—2001进行净浆标准稠度用水量及凝结时间测定,结果见表6。
1.6胶砂强度检验
以50%矿渣(粉磨时间为2.5h)+50%硅酸盐水泥制成复合胶凝粉体材料,参照GB/T17671—1999进行胶砂强度检验,结果见表7。
1.7矿渣-水泥水化产物结构
为考察掺入复合助磨剂后对矿渣-水泥水化产物结构的影响,拍取了LA和LD样品水化1d和90d的SEM图,结果见图2。
2结果分析与讨论
2.1复合助磨剂对矿渣颗粒群特征的影响
2.1.1复合助磨剂对矿渣细度的影响
根据表4比表面积值可知,各助磨剂对矿渣细度增加均有不同程度的效果,而且B、C、D类的效果很明显,尤其是D复合助磨剂。为直观起见,将表4试样的比表面积值绘成折线图,见图3。
由图3可见,加入三乙醇胺的B试样在各个粉磨时间均有助磨效果,相对于空白样品A提高约7%;加C、D复合助磨剂的试样在0.5～1h时无明显的助磨效果,在1.5～3h时显示出较高的助磨效果;而E、F复合助磨剂对试样的助磨效果没有C、D好。另外,加入助磨剂的各试样粉磨2.5h后颗粒比表面积都可以达到500m2/kg以上,正好符合水泥生产中矿渣颗粒的要求。结合表4和图3可见,D复合助磨剂的助磨,在粉磨2.5～3h时,出现比表面积值,相对于空白样品A和样品B提高约10%和9%。
2.1.2复合助磨剂对矿渣形貌特征的影响
根据表5可知,矿渣在加入各复合助磨剂粉磨2.5h后,颗粒群的圆度下降,粗糙度、伸长度上升。结合图1可知,加入助磨剂经磨细处理的矿渣形貌发生明显改变,不规则的块状玻璃体破裂成小的块状玻璃体,并且表面开始粗糙化;不规则块状玻璃体逐渐消失,转变为卵石状颗粒,粉体颗粒明显细化。矿渣颗粒偏离圆的程度加大、表面粗糙度加大、颗粒取向性加大均可提高矿渣的活性。
上述两个方面说明复合助磨剂的加入使矿渣的细度、颗粒形貌均产生不同程度的变化,结合相关助磨剂助磨机理文献[4～6],究其原因,认为有如下两点:①助磨剂分子在粉磨过程中吸附于固体颗粒表面上,产生列宾捷尔效应:颗粒上原有的裂缝在吸附表面活性剂分子并形成吸附层后更容易扩展,防止裂缝的愈合;②助磨剂吸附在颗粒表面上能平衡因粉碎而产生的不饱和价键,防止颗粒再度聚结,从而加剧了粉碎过程的进行,使颗粒圆度降低,表面粗糙度增大。
2.2复合助磨剂对矿渣-水泥体系标准稠度用水量、凝结时间、胶砂强度的影响
根据表6可知,与未加助磨剂的LA试样对比,加入助磨剂的试样LB、LC、LD、LE和LF的用水量都有不同程度的下降。由上述分析可知,加助磨剂试样的矿渣比表面积相对于未加的要大,这说明这些含三乙醇胺的复合助磨剂还具有一定的减水功能,起到提高流动度的作用。这是因为三乙醇胺本身就是表面活性剂,而其中的无机盐均为可溶性盐,在矿渣-水泥体系中加入水后即可离解成相应的离子,它们可以吸附到熟料颗粒表面那些由于离子或离子基团的溶出而呈电性的地方,从而减少了熟料颗粒由于电性相吸而产生的絮凝结构,即起到了减水效果。
根据表7胶砂强度检验结果可知,以LA为基准,加入复合助磨剂的其他试样的抗压、抗折强度无明显下降,其中LB、LC、LD的28d抗压、抗折的强度提高较明显,这与矿渣比表面积提高的结果是一致的,在一定程度上说明复合助磨剂在提高矿渣颗粒比表面积、增加其活性的同时还能够提高其胶砂强度。
2.3复合助磨剂对矿渣-水泥水化产物结构的影响从图2可看到,水化1d时,LA中絮状无定形C-S-H凝胶填充在水泥颗粒中,细小针状的钙矾石穿插其中,含少量棒状的钙矾石,但钙矾石的晶体发育很不。而掺复合助磨剂的样品LD的水化程度加深,水化产物的数量明显增多,生成了大量片状的C-S-H凝胶,钙矾石晶体发育更,到处可看到细长棒状的钙矾石晶体。水化90d时,可看出两者的水化产物没明显差别,因此加入复合助磨剂没有对矿渣水泥石后期结构造成不良影响。
3结论
1)试验中的各助磨剂对矿渣粉磨均有一定的助磨效果,其中C、D类复合助磨剂,而且明显高于三乙醇胺单掺效果。
2)加入有效复合助磨剂粉磨所得的矿粉配成的矿渣-水泥净浆的凝结时间符合国家标准,而且此类复合助磨剂有一定的减水效果。
3)各有效复合助磨剂,尤其是D类的加入可以显著提高矿渣-水泥体系的胶砂强度。
4)复合助磨剂加入对矿渣水泥石后期结构没有造成不良影响。
5)复合助磨剂中无机盐(如硫酸盐)部分取代了三乙醇胺,这在一定程度上可以节约助磨剂的成本,而且可以产生很好的助磨效果,推广使用能够取得很大的经济效益。
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