矿渣粉在水泥中的应用与分析

　　引言
    目前矿渣作为水泥中的主要混合材基本上得到全部利用，通常是采用与熟料共同粉磨的传统工艺。高炉矿渣的易磨性一般比水泥熟料差(矿渣粉磨功指数平均为21.3 kW·h/t，熟料的平均值为15.9kW·h/t)，小于熟料和矿渣易磨性不同，在同一台磨机内混合粉磨时，当水泥熟料已粉磨到规定的细度时，矿渣的颗粒仍然较粗，其潜在活性难以发挥，按目前的实验与研究成果已经表明，矿渣磨得越细，水化硬化活性越高，有利于提高水泥的强度。日本已把常用的矿渣粉按细度分为400m²/kg，600m²/kg，800m²/kg，1000m²/kg四个等级；1991年9月，在英国谢非尔德大学召开的建材应用国际会议上， 国外学者发布了利用不同细度的矿渣粉代替70%的水泥时，混凝土性能变化趋势；我国学者唐明述、吴学权等研究指出，矿渣细度太细或太粗者都不利水泥强度的提高，以600m²/kg时为最好。现在德、法、日等国家已开始用熟料与矿渣分别粉磨后混合的技术来生产矿渣硅酸盐水泥。近年来，我国也先后建立了数条矿渣微粉粉磨生产线，生产用于水泥和混凝土的矿渣微粉，如四川川威、卜海宝田、山西长钢和山西太钢等生产线。
    人们要求混凝土除了有高的强度之外，还要有很好的耐久性能，因此出现了高性能混凝土：它以耐久性、强度和工作性作为设计的指标。它在配制时除了保证水泥、水、集料、外加剂以外，必须掺加适量的矿物细掺料。可见采用矿渣微粉已成为解决混凝土耐久性和工作性的主要手段之一。
   2  矿渣粉在水泥和混凝土中的应用分析
    从太钢矿渣粉磨线投产以来，利用实际生产的不同细度的矿渣粉做了一些水泥和混凝土的应用实验，从实践中验证了专家学者们的分析与论断，并从中寻找出一些应用技术和规律，为矿渣粉的应用和配制高强混凝土提供一些基础数据。 
　　2.1  矿渣微粉细度对水泥性能的影响
　　2.1.1  矿渣微粉细度对水泥强度的影响
    用细度为350m²/kg的熟料(95.5%的熟料和4.5%石膏在中3m×9m闭路水泥磨中共同粉磨)与不同细度同—掺量(45%)的矿渣粉配制而成的水泥的物理性能见表1。

表1  矿渣微粉细度对水泥物理性能的影响

    表1中数据表明：对于抗折强度，3d、28d都随矿渣微粉细度增加而增加，在大于600m²/kg时，增加趋势基本平缓；对于抗压强度，3d的强度变化较小，说明矿渣微粉细度增加对28d强度影响更为显著。
  2.1.2  矿渣微粉细度对水泥需水量的影响
      矿渣粉比表面积对水泥的需水量影响较大，在比表面积为300m²/kg—350m²/kg时，与混合粉磨时基本一样，大于350m²/kg时，需水量大幅度增加，带来凝结时间延长，由于矿渣本来的保水性能就不好，泌水率增大，影响混凝土的使用，坍落度和经时损失比较难控制。比表面积与需水量的关系见图1，与凝结时间关系见图2(略)。

    图2  比表面积与凝结时间的关系
  2.1.3  不同细度矿渣粉对CaSO：·2H₂0的吸收
    矿渣粉对CaSO4·2H₂0的吸收反映了矿渣中的铝酸盐与CAS04·2H₂0的反应情况，其主要生成物为钙矾石，这种产物对凝结和硬化起重要作用。矿渣对CaSO：·2H₂0的吸收值越大，则水化产物钙矾石 量越多，越有利于水泥强度提高。根据侯新凯博士研究结果，随着水化龄期的增长，石膏的吸收量累积值呈递增趋势；随着比表面积的增加，石膏吸收量累积值的增加幅度早期相对较小，后期逐渐增大，且比表面积从351m²/kg增加到468m²/kg时，石膏吸收量累积值增加的幅度显著，但比表面积从468m²/kg增 加到526m²/kg时，石膏吸收量累积值几乎未变。矿渣在氢氧化钙和硫酸钙溶液中的反应情况与实际水化的环境较为接近。在相同氢氧化钙浓度下，对硫酸钙的吸收能力(活度)能反映出矿渣在水泥中的实际化学反应情况。当比表面积在320m²/kg～640m²/kg范围内时，矿渣活性度随比表面积增加而略有增加，但幅度并不大；但是，当比表面积继续增加，矿渣活性度增加显著，达30%以上，比表面积与活度性能关系见表2及图3。
    表2  矿渣活性度值

    图3  比表面积与活度值的关系(图略)
    2.2  矿渣微粉掺量对水泥性能的影响
    太钢矿渣粉粉磨线投产以后，实际生产的矿渣粉比表面积分在450m²/kg～580m²/kg之间，取实际生产中的数据来分析以此矿渣粉生产的矿渣硅酸盐水泥与混合粉粉磨时的矿渣硅酸盐水泥性能相比较变化的情况。
    2.2.1  矿渣微粉掺量对水泥强度的影响
    以前是以熟料和矿渣混合粉磨为主，矿渣硅酸盐水泥中矿渣掺量在35%～45%之间，生产的水泥标号只有32.5等级—种。掺加比表面积在450m²/kg以上的矿渣微粉，掺量在40%—45%之间可以生产42.5强度等级的矿渣硅酸盐水泥。表3为不同矿渣掺量对水泥活性影响的实验数据。从表3数据可以看出：在相同矿渣掺量时，混合粉磨时的水泥强度比分别粉磨再混合时的水泥强度低一个强度等级。而随着矿粉掺量的增加，强度也在增大(但早期强度在降低)，这说明矿渣粉磨比表面积的增加，有利于矿渣潜在活性的发挥，水化速度加快，使在熟料质量和矿渣掺量保持不变的情况下生产42.5以上强度等级和矿渣硅酸盐水泥成为可能。

表3  不同矿渣掺量对水泥性能影响的实验数据

  2.2.2  矿渣微粉掺量对水泥需水量的影响
    从表3中的需水量数据明显可以看出，混合粉磨、比表面积控制为330m²/kg时需水量128ml，分磨再混料时比表面积为360m²/kg—380m²/kg，需水量增加到140ml～150ml，相应的凝结时间延长20min，并且随着矿粉掺量的增加，需水量和凝结时间也在增加。
2.2.3  矿渣微粉掺量对水泥泌水性的影响
    采用GB/T 3183—1991《砌筑水泥》附录A的泌水性试验方法，简单比较两种工艺生产水泥的泌水性，数据如表4。随着矿渣掺量的增加，泌水量增加，随矿粉比表面积的增加，泌水量增加；混合后的水泥应用于混凝土中，反映出同样的问题。为保证初始坍落度，增加用水量或调整减水剂用量后，或发生离析或发生商品混凝上的经时损失30min后由起初的30mm增大到80mm～100mm。后经过反复实验和生产工艺改造，在使用矿粉混合水泥时，适当增加粉煤灰、改变石膏的加入方式或石灰石来调整水泥的保水性能，并对减水剂做一些改进，可基本解决由于生产方式的改变影响水泥在混凝土中性能的难题。

表4  泌水量实验数据

    d)矿粉加入量的多少在不违反标准的情况下，可与混凝土搅拌站协商，因现在许多混凝土搅拌站在搅拌商品混凝土时除水泥以外仍要添加部分胶凝物，比如矿渣微粉，磨细粉煤灰等，防止在混凝土中出现意外。
    e)在掺矿粉时，把保水率作为一个控制指标。矿渣细粉生产线的投产，使矿渣的活性提高， 
　　改变了传统的水泥生产工艺，也改变水泥和混凝土的性能，随着应用范围的不断扩大，其应用技术也会不断地提高和完善。