（材料学专业论文）矿渣—水泥体系颗粒群特征及其早期性能研究.pdf

西安建筑科技大学硕士论文 矿渣一水泥体系颗粒群特征及其早期性能研究 专业：材料学 硕士生：赵鹏 指导教师：徐德龙院士 李晓光讲师 摘要 矿渣微粉作为水泥混凝土的掺和料已得至i 广泛应用。它的制备工艺经历了矿渣 与水泥混合粉磨到矿渣单独粉磨的转变。单独粉磨矿渣不仅能有效的提高矿渣的细 度，而且使其大规模生产和循环利用成为可能。但是这种新的制备方法在应用中仍 然存在一些新的问题，如新拌水泥浆体的需水量提高、水泥石早期强度下降等。为 此本文重点是研究矿渣一水泥体系颗粒群特征及其早期性能之间的关系。 本研究采用四种不同的表征方法：比表面积、粉体堆积密度、均匀性系数和粉 体的分形维数，共同描述矿渣水泥颗粒群的细度和粒度分布的特征。采用新拌浆体 的密度、标准稠度用水量和流动度共同反映新拌矿渣水泥的需水量问题。在全部的 研究工作中，所使用的新拌浆体水灰比均保持不变。主要的研究结果如下： 在水灰比不变的条件下，矿渣粉与水泥粉体颗粒混合后的堆积密度越大，矿渣 水泥中的填充水越少，包裹水量增加。同时可以提高矿渣水泥的流动性，缓解由于 矿渣粉比表面积的增加所引起的需水量增大的问题。由于在掺入矿粉的硬化水泥石 中，矿渣粉不但具有物理填充作用，同时具各化学作用，所以干拌的混合粉体的堆 积密度与硬化水泥石强度之间没有显著的对应关系。 在矿渣水泥配比不变的条件下，当所掺入的矿渣粉比表面积相同时，随着其均 匀性系数的减小( 矿渣的粒度分布变宽) ，矿渣水泥需水量变小，新拌合浆体的相 对密度变大。减少矿渣粉的均匀性系数，能够使早期的硬化水泥石中7 l 结构得到优 化，提高了水泥石的早期强度。通过对均匀性系数以及混合粉体的堆积密度分析可 知：矿渣粉的均匀性系数对矿渣水泥的3 天强度影响显著：提高混合粉体的堆积密 度，有利于增加水泥石2 8 天的强度。 当矿渣粉的比表面积不同时，随着矿渣和熟料混合粉体中颗粒群分形维数的增 西安建筑科技大学硕士论文 加，矿渣水泥新拌浆体的相对密度提高。当矿渣掺量高于5 0 时，提高矿渣粉的分 形维数，可使矿渣水泥强度增加的趋势愈发明显。 另外，矿渣粉的分形维数与其掺入水泥后反应活性的发挥也有一定的关系。通 过扫描电镜观察3 天的水泥石微观结构发现：当矿渣粉的分形维数高于2 4 7 后，其 早期的水泥石结构中水化硅酸盐凝胶及钙矾石的含量明显增加，水泥石的早期强度 也迅速得以提高。 关键词：矿渣水泥颗粒群特征新拌浆体需水量强度 i j 曲安建筑科技大学硕士论文 s t u d yo nt h ei n f l u e n c eo f t h ec h a r a c t e ro fs l a g - c e m e n ts y s t e m o nt h ep e r f o r m a n c ei nt h ee a r l ya g e s p e c i a l t y ：m a t e r i a lo f s c i e n c e p o s t g r a d u a t e ：z h a op e n g i n s t r n e t o r ：x ud e l o n g l ix i a o g u a n g n e s l a gp o w d e rh a db e e nw i d e l yn s e da st h ea d d i t i v ei nt h ec e m e n ta n dc o n c r e t e t h ep r e p a r a t i o nt e c h n o l o g yh a dc h a n g e df i o mm i x e dg r m dt os e p a r a t eg r i n do f t h es l a g a n dc e m e n t t h es e p a r a t eg r i n do fs l a gn o to n l yc o u l di m p r o v e dt h es l a gf i n e s s eb u ta l s o m a d ei tp o s s i b l et op r o d u c ti tc o s m i c a l l ya n dr e c y c l i n g b u tn e wp r o b l e m sa p p e a ri nt h e a p p l i c a t i o no ft h en e wm e t h o d s u c ha st h ei m p r o v e m e n to f w a t e rr e q u i r e m e n ti n 舶s h p a s t e a n dd r o pt h ee a r l ys t r e n g t h o fc e m e n ts t o n e ，s oa n l p h a s e so ft h ep a p e rw e r e d i s c u s s e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep a r t i c l eg r o u pc h a r a c t e r so fs l a gc e m e n ta n df i l e p e r f o r m a n c ei n t h ee a r l yd a y ， t h es t n d ya d o p t sf o u rt o k e nm e t h o d s ：s p e c i f i cs u r f a c e ，p a c k i n gd e n s i t y , u n i f o r m i t y t o e 伍c i e n ta n df r a c t a ld i m e n s i o n a n du s e dt h e s em e t h o d st od e s c r i b et h ef i n e s s ea n d p a r t i c l ed i s l r i b u f i o no ft h es l a gc e m e n tp a r t i c l eg r o u p a d o p tr e l a t i v ed e n s i t yo ff 沁s h - p n s t e _ w a m r e o n s m r 甲t i o r ro 阳r a n d m - c 一。c o n s i s t e n c e - a n d5 1 u i d i t yt or e f l e c tt h ew a t e r r e q u i r e m e n to ff r e s hp a s t et o g e t h c nf r e s hp a s t ek e e p st h es a m ew a t e rc e m e n tr a t i o si n s t u d yw o r k t h em a i n l yr e s u l t so f t h ei n v e s t i g a t i o nw e r el i s ta sf o l l o w ： f i x e dt h ew a t e rc e m e n tr a t i o ，t h ep a c k i n gw a t e rr e d u c e dw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h e s l a ga n dc e m e n tp a r t i c l e sp a c k i n gd e n s i t y , b u tr e w r a pw a t e ri si n c r e a s e da tt h es a m et i m e i tc a l li m p r o v ef l u i d i t yo fs l a gc e m e n la n ds l o wt h ei n c r e a s i n go ft h ew a t e r r e q u i r e m e n t w h i c hc a u s e db yi m p r o v e m e n to ft h es l a g ss p e c i f i cs u r f a c e s l a gw a sp l a yn o to n l ya n r o l eo f p h y s i c a lf i l l i n ge f f e c tb u ta l s oa nr o l eo f c h e m i c a le f f e c ti ns l a gc e m e n t s ot h e r e i sn on o t a b l er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep o w d e r sp a c k i n gd e n s i t ya n dt h es t r e n g t ho fs l a g c e r n e l l ts t o d e k e e pt h es a l r l er a t i oo fs l a ga n dc e m e n t ，x h e nt h es p e c i f i cs u r f a c eo fs l a gi st h e s a l n e ，t h ew a t e rr e q u i r e m e n to fs l a gc e m e n tr e d u c e da n dt h er e l a t i v ed e n s i t yo ff r e s h i i 】 西安建筑科技大学硕士论文 p a s t ei n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go fu n i f o r m i t yc o e f f i c i e n t i t c a l lo p t i m i s tt h ep o r e s t r u c t u r ea n di m p r o v et h ee a r l ys t r e n g t ho ft h es l a gc e m e n ts t o n e t w oc o n c l u s i o n sc a l l b ed r a w nf r o mt h ea n a l y s i so fu n i f e r m i t yc o e f f i c i e n ta n dp o w d e r sp a c k i n gd e n s i t y ：t h e s l a g su n i f o r m i t yc o e f f i c i e n tm a i n l ya f f e c to nc o m p r e s s i v es t r e n g t ho fs l a gc e m e n ti r t 3 d a y ；t h ei m p r o v e m e n to ft h ep o w d e r sp a c k i n gd e n s i t yi sp r o p i t i o u st oi n c r e a s et h e s t r e n g t ho fc e m e n ts t o n ei n2 8d a y w h e nt h es p e c i f i cs u r f a c ei sd i f f e r e n c e ，t h ef r e s hp a s t er e l a t i v e l yd e n s i t yi m p r o v e d w i t h t h e i n c r e a s i n go f s l a gc e m e n t p o w d e r s f r a c t a ld i m e n s i o n w h e n t h e p e r c e n to f s l a g i sm o r et h a n5 0 ，t h ei n c r e a s i n gt r e n do fs l a gc e m e n t ss t r e n g t hi sb e c o m i n gm o r ea n d m o r eo b v i o u s l yw i t ht 1 1 ei n c r e a s i n go f t h el a c t a ld i m e n s i o no f s l a gp o w d e r i na d d i t i o n ，i th a sac e r t a i nr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef r a c t a ld i m e n s i o no fs l a ga n d t h ea c t i v a t i o no fp o z z o l a r t i ca a m t yo fs l a gi nc e m e n t i tc a nb ed r a w nf r o mt h e m i c r o s t r u c t u r ei m a g eo fs e mi n3d a y ：w h e nt h es l a gf r a c t a ld i m e n s i o ni sm o r et h a n 2 4 7 ，t h ec o n t e n to fc s ha n da f ti n c r e a s e do b v i o u s l yo fc e m e n ts t o n ei ne a r l yd a y , t h ee a r l ys t r e n g t ho fs l a gc e m e n ti m p r o v e dr a p i d l ya tt h es a l l l et i m e k e yw o r d s ：s l a gc e m e n tp a r t i c l e sc h a r a c t e r f r e s hp a s t ew a t e rr e q u i r e m e n t s t r e n g t h 声明 y 9 7 0 1 2 6 本人郑重声明我所呈交的沧文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加咀标注和致榭的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它单位已申请 学位或为其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的所有贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：煳 吼狮。，仁 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 内容和部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：黼翩签名：孪晓艺日期：渺占劭名 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士论文 1 绪论 1 1 引言 高炉矿渣是冶炼生铁时从高炉中排出的一种废渣。在高炉炼铁过程中，高炉中 的氧化铁矿石被焦炭还原成金属铁，而矿石中的脉石和焦炭中的灰分多系s i 如和 a l 。0 3 等酸性氧化物，熔点很高，在高炉内形成非常粘稠的物质，造成渣、铁不能分 离，难以流动，高炉不能正常生产。因此必须加入助熔物质如石灰石、白云石与s i 0 2 和a 1 2 0 3 结合形成低熔点化合物，渣铁良好分离，形成炉渣，以达到高炉正常生产 的目的。高炉矿渣是由脉石、灰分、助熔剂和其他不能进入生铁中的杂质组成的， 是一种易熔混合物。从化学成分来看，高炉矿渣是属于硅酸盐质材料。 由于矿石成分、助熔剂矿物类型和所炼生铁种类的不同，矿渣的化学成分有很 大变化。根据化学组成不同，矿渣可以分为酸性矿渣、中性矿渣和碱性矿渣。矿渣 的冷却条件不同，使矿渣中的玻璃体含量有很大差异，这对其潜在水硬活性也有很 大的影响。急冷的高炉矿渣主要由s i 啄a 1 2 0 3 ，c a o 和m g o 四大组分组成，其成分 与水泥熟料相似，其玻璃体含量多，结构处在高能量状态不稳定，因此，具有潜在的 胶凝性。 1 2 矿渣粉的应用前景 随着我国国民经济的不断发展，钢铁产量大幅度增加，高炉废渣的排出量也在 同步增长。据有关统计资料显示，目前我国钢铁产量在3 5 亿吨左右，以国内平均 水平生产1 吨生铁产生0 5 0 吨矿渣计算，我国矿渣产量在1 7 5 亿吨左右，面临当 今严峻的环境压力，如何大量消耗这种工业废弃物的问题已迫在眉睫。 目前，矿渣粉最重要的应用是等量替代混凝土中的水泥进行混凝土生产。它不 仅可用于配制普通混凝土，而且还是高性能混凝土中必不可少的最常用矿物细掺料 之一。矿渣混凝土是经过长期发展，在长期研究和实践中创造的至今较为完善的混 凝土之一它具有普遍的适用性、良好的工作性、高耐久性、各种优异的力学性能、 体积稳定性以及经济合理性。近年来，矿渣粉已经成功的应用在很多重要的工程实 践中，成为配制高性能混凝土必不可少的矿物掺合料种类之一 在混凝土中掺加适量的矿渣粉，能显著的改善新拌混凝土的工作性和硬化混凝 土的耐久性。提高新拌混凝土的和易性、可泵性；减少坍落度的经时损失；并具有 一定的减水作用。改善新拌混凝土工作性主要表现在可以降低水化热峰值，延迟水 化热峰值出现时间，从而减少温差裂缝的产生；改善硬化混凝土的耐久性主要表现 在提高密实度，改善内部结构；提高抗渗性、抗冻性、抗腐蚀能力，抑制碱集料 西安建筑科技大学硕士论文 反应，提高了后期强度，从而增强了耐久性。耐久性是目前混凝土各项性能中最重 要的指标之一。 混凝士中使用矿渣粉会给混凝土生产企业带来可观的经济效益。混凝土中矿渣 粉可等量替代2 0 7 0 水泥，在粉煤灰、矿渣粉双掺时矿渣粉依然可等量替代3 0 4 0 水泥。在实际应用中，混凝土中矿渣粉平均掺量一般在3 0 左右，即每立方混凝 土中可掺加l o o k g 左右。按北京目前水泥和矿渣粉的差价约1 0 0 元计算，每立方混 凝土可节约成本约1 0 元，一个年产3 0 万m 3 的混凝土搅拌站每年就可节约成本约 3 0 0 万元。在混凝土中使用矿渣粉最重要的是具有较大的节能和环境保护效益。水 泥是混凝土中的胶凝材料，是最重要的组成。 水泥是混凝土中胶凝材料的最重要组成。水泥生产企业历来是一个高污染、高 消耗的行业。水泥生产会排放大量的粉尘、n i o 、s o nc 晚等有害气体，产生噪声污 染，消耗大量的石灰石、粘土资源。每生产1 t 水泥熟料，大约将产生1 t c 如叫。生 产水泥将消耗大量的能源，每生产1 t 熟料，需要大约l o o k g 1 3 0 k g 标煤、9 0 度电。 采用立磨系统生产矿渣粉的电耗大约4 5 度吨5 5 度吨，用煤量很少平均每立 方混凝土使用水泥约3 0 0 k g 。每立方混凝土中矿渣粉平均可以替代约l o o k g 水泥 我国水泥的年产量已达1 0 亿吨，若按矿渣粉每年替代l 亿吨水泥估算，至少可以 少向大气排放0 8 亿吨c 嘎，节约0 1 亿吨标煤、4 0 亿度电。使用矿渣粉等量替代 水泥熟料节能和环保效益明显。 近年来，由于粉磨技术的进步和设备性能的提高，以立磨为代表的新型粉磨工 艺，使得大量生产超细矿渣微粉成为可能。西安建筑科技大学粉体工程研究所近年 来在全国几大钢厂推广的这项技术，证明了其旺盛的生命力。节约能源、减少污染、 使水泥混凝土行业稳定持续健康发展。使用矿渣粉能产生可观的经济效益，显著的 节能和环保效益。 综上所述，矿渣粉可以改善混凝土的耐久性，工作性和力学性能，是一种性能 优良的矿物细掺料，不但能够节能降耗而且可以降低水泥企业对环境的污染，符合 我国经济的可持续发展战略。 1 3 矿渣粉在利用中存在的主要问题 目前，在循环经济思想的指导下，工业废渣的循环利用问题已引起全社会的高 度重视。采用混合粉磨工艺生产的矿渣硅酸盐水泥，一般早期强度较低，凝结时间 长，容易产生泌水现象，同时因颗粒组成不合理，也大大限制了矿渣的掺入量 随着粉磨技术与设备的发展与进步，以及对水泥水化硬化机理的进一步认识， 发现把矿渣单独磨细为矿渣微粉，再与熟料粉混合制成矿渣硅酸盐水泥或者普通硅 酸盐水泥，或以掺合料的形式将矿渣粉配入混凝土，可充分发挥矿渣的潜力，不仅 2 西安建筑科技大学硕士论文 能改善水泥制品的性能，还大大提高了矿渣的利用率。这种由矿渣和熟料分别粉磨 后再混合的生产工艺所生产的矿渣水泥，因生产工艺和水泥性能有别于传统的矿渣 水泥而被称为新型矿渣水泥。两种粉磨工艺分别如图1 1 所示。 b 分别粉磨工艺 b s e p a r m i i i gg r i l l d i i 培p l d c e 镕 图1 1 矿渣水泥生产的两种工艺 f 皓1 1t h et w op r o d u c tp r o c e s so f s l a g c e f n e n t 但是，已有的实验证明分别粉磨矿渣在应用过程仍然存在一定的问题。这些问 题主要集中出现在矿渣水泥的早期。矿渣的大量掺入会造成新拌浆体需水量增加， 强度降低等。对水泥混凝土材料而言，其结构尤其是微观结构对其宏观力学性能有 着非常重要的影响。需水量的高低直接影响到硬化水泥石的孔隙率大小，使强度受 到显著的影响，这种影响在早期尤为明显。 材料的组成、结构和性能的关系说明高性能材料的生产与制造，源于其优异的 内部组成，及其空间的结构形式。如何正确认识工业矿渣微粉对水泥的作用机理， 已成为大量使用和消耗它们，使之变废为宝的关键所在只有认识和解决这些基础 性的科学问题，才能为材料的制备提供有力的保证。近年来，对水泥细度和颗粒分 布的研究与应用日益受到重视，调整水泥颗粒分布是改善水泥砂浆和混凝土强度有 效的技术途径之一日目前，矿渣微粉细度及粒度分布对水泥质量的影响研究方 3 _ _ l ， j 西安建筑科技大学硕士论文 兴未艾“1 。 迄今为止，矿渣微粉的作用机理仍没有完全认识清楚。在掺入矿粉的矿渣水泥 中，经常存在由于矿粉的颗粒细度、级配、形貌的不合理，导致整个水泥产品性能 指标的下降的问题。如何合理评价矿粉的产品性能指标，解决掺矿渣的水泥中早期 出现诸如需水量提高、强度偏低等问题，不但可为矿渣的生产厂家提供技术支持， 同时也希望能在矿粉的堆积特性与矿渣水泥体系早期性能之间建立一定的因果联 系。 1 4 本课题的研究任务和技术路线 本研究的重点是开展矿渣水泥的早期性能研究。从矿渣微粉与水泥粉体的物理 堆积问题入手，以矿渣粒度分布及级配对水泥与矿渣粉混合体系的早期影响为主线 开展了以下工作 1 矿渣细度及粒度分布进行了详细的分析和描述。 2 矿渣的不同粒度分布和矿渣的几何特征对矿渣水泥早期流变性的影响。 3 讨论由于矿粉的级配变化所引起的堆积变化通过矿渣水泥粉体的物理堆 积作用来研究孔结构对矿渣水泥力学性能的影响。并通过这个过程中孔的 情况来解释以上对早期流变性和强度的影响。 本研究采用技术路线如图1 2 所示： 原料粉新拌浆体早期后期 图1 2 技术路线图 f i g1 2 t h ef i g u r eo f t e c h n i c a lr o u t e 4 西安建筑科技大学硕士论文 2 实验原料与实验方法 2 1 实验原料 2 1 1 熟料 本研究采用的熟料为黑色致密块状，密度为3 1 6 9 c m 3 。化学成分见表2 1 ， 由化学成分计算的三率值和矿物组成于表2 2 。 表2 1 物料的化学成分 t a b 2 1 c o m p o s i t i o no f r a wm a t 目 i a l s w l ( ) 成分s i 如t i 0 2a l g hf e 2 0 s m g o c a om n of e 0r 2 0s o sl o s s 熟料2 1 5 0 2 85 9 84 1 11 9 86 4 5 0 8 50 6 10 4 20 7 5 矿渣3 3 0 0 6 0 1 6 32 8 08 0 03 4 50 7 0 2 8 00 6 00 3 0 石膏4 3 3 0 0 6o 9 10 7 23 0 42 9 7 3 7 82 2 5 表2 2 熟料的三率值和计算矿物组成 t a b 2 2t r a t i oa n dm i n e r a lc o m p o n e n to f c l i n k e r 2 1 2 高炉矿渣 高炉矿渣为太原钢铁集团公司的水淬矿渣，为灰白色、比表面积分别为 4 5 0 m 2 k g 的生产渣和7 5 0 m 2 k g 的收尘渣，矿渣粉密度为2 8 5 9 c m 。矿渣粉的化学 成分见表2 1 。 根据矿渣的化学成分，计算质量指标为： 水硬性系数 b ：c a o + _ = m g - = o + a i 一2 0 3 ：1 7 8 1 0 蹦q 碱性系数 m o ：= c a _ o + _ m g o ：0 9 2 1 6 优等品。 d ，+ m n 0 + 乃伉 图2 1 是矿渣的x - r a y 衍射图，从图中可以看出，矿渣的主要矿物为玻璃体， 占9 0 以上。由矿渣的质量指标可以看出，太钢水淬高炉矿渣里弱碱性。水硬性 系数1 8 6 、质量系数1 7 1 。以g b t 2 0 3 1 9 9 4 用于水泥中的粒化高炉矿渣分析， 优质矿渣的质量系数不应小于1 6 。太钢矿渣属于质量系数较高的优质矿渣。 西安建筑科技大学硕士论文 图2 1 矿渣粉的x r d 图 f i g 2 1 x r d o f s l a gp o w d e r 2 1 - 3 石膏 石膏来源于太原地区石膏矿，青灰色纤维状，石膏的化学成分见表2 1 ，s o , 含量3 7 8 4 ，属于中等质量的石膏。 2 2 物料的处理和制各 2 2 1 熟料 取熟料6 0 0 k g 经实验室颚式破碎机、辊式破碎机破碎至8 m 以下( i t 筛) ，并 充分均化。每次准确称取取混合料5 k g ，在0 5 0 0 5 0 0 m m 的标准实验磨内粉磨 3 2 m i n ，制成比表面积为3 5 6 m 2 k g 的熟料粉( s 1 ) 。制得熟料粉总量2 0 0 k g 。 2 2 2 矿渣 取比表面积为4 5 2 m k g 的生产渣3 0 0 k g ，分多次在烘干箱内恒温( 1 0 5 1 2 ) 烘 干2 小时。干料分别经每次准确称取5 k g 物料，加入5 0 0 x 5 0 0 r a m 的标准实验磨 机粉磨，分别制得比表面积为5 5 4 m 2 k g 的b 样和比表面积为6 5 3 m k g 的c 样两种 细度的矿渣粉，每种矿渣粉总量为5 0 k g 。将比表面积为4 5 2 m k g 的生产渣和比表 面积为7 5 8 m 2 k g 的生产渣混合并制得比表面积为5 4 8 m k g 的隅和比表面积为 6 5 6 t a k g 的h c 矿渣粉料，矿渣粉的比表面积和编号列于表2 3 。 表2 3 矿渣粉比表面积 t a b 2 3t h es p e c i f i cs u r f a c ea m o f s l a g 2 2 3 石膏 取石膏4 0 k g ，经颚式破碎机、辊式破碎机破碎，用8 m m 方孔筛筛析，使其全 部通过8 咖方孔筛，并进行充分均化。每次准确称取5 k g ，加入中5 0 0 5 0 0 m m 的 标准实验磨粉磨2 5 m i n ，制得石膏粉总量为2 0 k g 。并进行充分均化。 6 西安建筑科技大学硕士论文 2 2 4 水泥配制方案 4 种比表面积( a ，b 和h b ，c 和h c ，d ) 的6 种矿渣粉与相同的硅酸盐水泥熟 料粉按一点的比例配合，并加入4 石膏粉，制成矿渣硅酸盐水泥。矿渣粉的质量 掺量分别为1 0 、3 0 、5 0 、7 0 ，其余为熟料粉。硅酸盐水泥的配制比例是 熟料粉：石膏粉= 9 6 ：4 。 2 3 试试验设备和测试方法 2 3 1 试验的设备及标准 1 比表面积测定：b s l 型勃氏透气法比表面积测试仪，按g b t 8 0 7 4 一1 9 8 7 进行； 2 比重测定：李氏比重瓶，按g b t 2 0 8 1 9 9 4 进行； 3 水泥胶砂流动度：依据g b t 1 8 0 4 6 - - - 2 0 0 0 进行； 4 标准稠度需水量：按照国标g b l 3 4 6 - 1 9 8 9 的规定进行。 5 水泥胶砂强度测定；按g b t 1 7 6 7 1 - - 1 9 9 9 ( i s o ) 进行； 6 矿渣、熟料粉粒度分布测定：m a l v e r n 激光粒度测试仪； 7 矿渣矿物组成测定：x r a y 衍射分析仪； 8 矿渣水泥的微观结构观查：扫描电镜 9 水泥石中孔结构的测量：压汞法 2 3 2 测试方法 1 ) 测定粉体堆积密度 将物料放入4 c m 的2 0 0 r a l 量筒中，先用振动台振动2 m i n 然后手工反复礅击， 直至礅击2 0 0 次量简内物料下沉量小于l m l ，最后用天平( 感量0 1 9 ) 称量，得到 各组分的堆积密度。 风：罢 ( 2 1 ) 风2 歹 2 1j 根据各组分质量密度和测定的堆积密度以及体积堆积密度的定义( 固体颗粒 所占体积总体积) ， 口：丝竺(2-2) 堡- 盟 p cp | 其中：鸭，厅分别为水泥和掺合料的质量，g 届，p c 分别为水泥和掺合料的密度，g ，c m 2 7 西安建筑科技大学硕士论文 计算该物料的体积堆积密度： d ：鱼 ( 2 3 ) p 2 ) 浆体相对密度 浆体相对密度( d ) 定义为新拌浆体的表观密度( p ) 与对应水泥和矿物掺合料 固体混合物假定在处于绝对密实状态时的密度( p o ) 之比。 d ：旦 ( 2 4 ) 岛 实验所用仪器为水泥标准稠度测定圆锥、精度为0 1 9 的托盘天平以及直尺等。测 定方法如下：首先测定圆锥的质量研。和容积v ，在圆锥中盛满拌好的净浆并用小 刀插捣5 次、振动5 次，再用直尺从圆锥开口端中问往两边各刮1 次，然后放在 天平上称量圆锥与浆体的总质量，取2 次称量的平均值，记为m 。 则 岛可按下式计算： 口：( n - t o o ) 矿 岛2 嚣 协6 ， 其中： 、以为固体混合物( 水泥和矿物掺合料) 中水泥的质量及体积， j ，l l 、k 为固体混合物中矿物掺合料的质量及体积， 这里水泥及矿物掺合料的体积是按混合物中各自的质量除以各自的密度计算 而得。 浆体相对密度d 反映了固体颗粒在浆体中所占的体积分数，该值的大小亦取 决于浆体中气泡量、填充水以及吸附在颗粒表面的表层水含量。 3 ) 测定水泥石中的孔分布 水银压入法测定孔结构的基本原理：假定水银对固体表面是不润湿的，当把水 银用一定的压力压入毛细管时必须要克服毛细管阻力假设孔隙为一个半径为热 的圆筒形孔，当水银压入孔隙时，就要克服表面张力造成的阻力o r 为表面张力，口 为水银对试样的润湿角，水银的曲率半径为r 。由表面张力造成的阻力只可以拉 普拉斯( l a p l a c e ) 公式近似表示出： c = 睾，当外力大于或等于p 时水银才可以压入圆筒形孔隙 s 西安建筑科技大学硕士论文 如图c 。s = 等= r r 此时 目= 1 8 0 一口 j r = - r c o s o p ：丝：2 盯c o s 0 r r 由此式可以算出孔径和所施压力 之间的关系。根据一些实验资料，对于 水泥石来说可以近似的认为 0 = 1 4 1 3 。，o r = 4 8 0 l o - 5 n c m ，由 此可以得到压力p 与孔半径，的关系 r = 7 5 0 p ( r i m ) ，当水银压汞仪测量水 泥石孔结构时，直接得到压力尸和及半 径大于r 的所有孔隙y 的容积，这里的 孔径，是根据测定的p 值计算出来的。 这样就可以得到，和矿的关系。从而得 到孔体积随孔径大小变化的曲线。算出 多孔材料的孔分布。 水银压入量的测定：首先，将高 压桶中的氮气由充气孔加压，然后再靠 ( 2 7 ) 图2 2 水银压入圆筒形孔中的图示 f i 导2 2t h e $ e o n o f m e r c u r yi n f u s i o n p o r o s i m c t r y 油压继续升压。或开始压力就直接由油泵加压，高压桶的压力有几个不同的量程 的压力表表示。实验中可以按照不同的实验要求改变压力，求出相应的电阻值和 孔分布。 实验结束后打开放气阀慢慢放至常压。 单位质量水泥孔体积的计算。 按照a v = a v g 其中：a v 一单位质量水泥中孔的体积 a v g g 水泥中孔体积 g 干燥水泥的试样重 9 ( 2 8 ) 西安建筑科技大学硕士论文 3 矿渣冰泥颗粒群体系特征的分析 表征颗粒大小的常用粒径和粒度分布两种方法，两者的用法和含义有所不同。 粒径是以单个颗粒为对象，表示颗粒的大小；而粒度则是以颗粒群为对象，对颗 粒群中的颗粒大小进行表征。在实际应用中，为了便于对颗粒群的总体特征进行 描述，比表面积、均匀性系数以及其他一些参数也经常被使用。 在1 9 8 1 年召开的第四届国际粒度分析会议上，k a y e 报告中指出，已经使用和正 在研究的粒度、颗粒形状和比表面测量的方法细分起来有4 0 0 多种啊，但常用的方 法有以下几种，如表3 1 。 表3 1 常用粒度测量方法嘲 t a b 3 i t h em e t h o d sf o rm e a s u r i n gp a r t i c l es i z e 常用的方法中包括直接测量法和间接测量法，如筛分法和显微镜法等是直接 测量法，根据颗粒的几何尺寸进行的。间接测量是确定与颗粒尺寸有关的性质参 数，然后根据理论公式或经验公式计算颗粒的大小，如沉积法，吸附法等。 显微镜法等对颗粒的轮廓、形状、最大尺寸和最小尺寸等有独到之处。以往对 于水泥的细度的测试常常采用筛分析和气体吸附法两种个方法，可以准确的初一 定尺度下的筛余量和一定限度下的比表面积，无法精细地反映出超细粉体真实的 l o 西安建筑科技大学硕士论文 细度特点和级配分布特征。近期发布的国家标准g b t 1 8 7 3 6 - 2 0 0 2 高强高性能混 凝土用矿物外加剂中，提出用激光粒度分析仪测定粒度分布。严格地说实际粉 体颗粒群的粒度分布不是连续的，激光粒度分析法可以辨别颗粒的级配关系。 本章主要讨论表征矿渣水泥颗粒群粒度分布的参数如比表面积、均匀性系、和 描述粉体堆积的参数。 3 1 粉体的比表面积 比表面积是目前使用最多的描述粉体总体粗细程度特征参数。比表面积是指 单位质量粉体所具有的表面积，单位是m 2 k g ，它可以综合地反映粉体颗粒的粗细 程度。同时表面积本身还具有表面能的意义，即比表面积越大表示粉磨消耗的能 越多。比表面积与粒径的变化规律相反：比表面积越大，其颗粒群的平均粒度越 小，粉体就越细。 3 2 粉体颗粒群粒度分布的均匀性系数 粒度分布能够反映颗粒群中各种粒径颗粒的相对含量，是较为全面表征粉体 粒度的物理量。虽然矿渣与水泥颗粒的粒径范围接近，但是在粒度分布宽窄仍然 存在差异。本节主要以其颗粒群中的各种粒径颗粒相对含量和分布均匀性为对象， 对各种矿渣粉粒度进行整体研究。均匀性系数除表征颗粒群均匀性之外，也是表 征粉体粒度分布宽窄的常用参数。张永娟等i 7 认为，矿渣粉比表面积与粒度分布均 为影响其活性的重要因素。在矿渣比表面积相近的情况下，均匀性系数的作用往 往更突出。 以下列出了描述水泥均匀性系数的的几种常用方法： ( 1 ) 间距法：颗粒学家t 舢l e n 【明曾经介绍了用间距( m g e ) 表示一般颗粒分布 的分散程度，即均匀度的方法。 2 0 d a o = d 曲- d 2 0 ( 3 一1 ) 式中d s o 表示累计分布为8 0 的粒径，d 2 0 比表示的意义雷同。但紧接着t m l e n 表示了对这种方法准确度与灵敏性的怀疑。显然，在i ) 2 0 与d 幻之间，颗粒分布的变 化仍然可能影响到粒度均匀性。因此有人发展为用上、下边界粒径之差来表示粒 度分布宽度。用d 帅( 小于该粒径的颗粒占颗粒总数的9 0 ) 表示上边界，d l o ( 小 于该粒径的颗粒亦占颗粒总数的l o ) 表示下边界，故d 9 0 _ - d i o 可以代表粒度分布 宽度，而提出的分布宽度系数为： 趣= ( d d l o ) d 5 0 。 ( 3 - 2 ) ( 2 ) 统计标准差法 假定颗粒群粒度分布由数组w i ( i = 1 n ) 表示，晰表示粒度为d i 的颗粒占颗粒群 西安建筑科技大学硕士论文 总体的体积( 或重量) 百分比。则标准差有两种计算方法：算法1 ： s ：解 ( 3 3 ) 算法l 仅与数据的组合有关，与数据的排列无关。即任意调换w i 与w j 的排列次序，s 并不改变。可见s 只能表示无序数据集中的程度，而不能表示颗粒群的粒度均匀程 度。 算法2 s o = ( 3 - 4 ) 通常认为算法2 可用于颗粒粒度分布分散性的计算，所谓分散性与均匀性相反，分散 性强即均匀性差。由于标准差岛具有粒度的量纲为了消除粒度对标准差的影响， c 专家推荐采用相对标准差口：口= 芸( 3 5 ) 4 其中：d 为矿物掺合料的平均粒度 经过试验数据的比较发现相对标准差并不适用于双峰分布的颗粒群嘲。因此， 这种方法具有一定的局限性。 ( 3 ) 函数法 数学方法是将粒度分布数据归纳、整理并建立能反映物料粒度分布规律的数 学模型一粒度特征方程。粒度分布方程不仅能表示粒度分布的情况，而且可以通 过解析法求出各种平均直径、比表面积、单位质量颗粒数等。可以减少测量工作 量，常用g g s 方程、r r s b 方程。 对于颚式破碎机、辊式破碎机及棒磨机细粒级产物的粒度分布符合g g s 方程。 各种破碎、磨碎产物的粒度分布都是服从r r s b 方程。因此，矿渣水泥的粒度分布 都服从r r s b 方程“。 矿渣粉的r r s b 拟合直线，其中n 值为i n i n l n 斜率。它是反映物料颗粒均匀 性的参数，可以描述颗粒粒径分布的宽窄。n 值越小，颗粒粒径分布越宽，颗粒大 小越不均匀，粉体的堆积密度就越高“”。多数经过破碎和粉磨的物料粒度分布都 服从这个的数学模型。通过立磨和球磨制备的水泥熟料和矿渣粉的粒度分布符合 r r s b 规律。 蝴o o d 一( 剀 其中：胄( d ) 一正累计产率，；d 粒径；2 一临界粒径， ( 3 - 6 ) 即r ( d ) = 3 6 8 时对 西安建筑科技大学硕士论文 应的粒径；厅一方程模数，也称均匀性系数，表示粒度范围的宽窄。h 大表示粒度 分布窄，h 小则相反。 3 3 粉体颗粒群的堆积密度 3 3 。1 矿渣水泥粉体的堆积密度模型 硬化水泥浆体性质与水泥粉体在拌水前的堆积状态有着密切的关系“”。超细 粉的填充作用，就是要使粉体尽可能实现紧密堆积。如果加入超细粉后，能够实 现整个体系的紧密堆积，就可以使超细矿粉充分发挥其物理填充作用。 目前，在粉体堆积方面建立的数学模型很多“”，主要有以下几种： 1 ) a i m 和6 0 f f 模型，在掺有矿渣粉的水泥基材料的二元系统中，存在一个最大 的堆积密度。此时，矿渣水泥粉体的最大体积分数为 =霸1-o阿+0面9dp硐d囊l-so) ( 3 - 7 ) 当矿，( 妒，时，系统的堆积密实度矿可以用下式计算： 口：三鱼( 3 - 8 ) l 一 当纬) 时，系统的堆积密实度妒可以用下式计算： ( 3 9 ) 式中；靠火山灰质颗粒的平均粒径；露熟料颗粒的平均粒径；火山灰材料 的体积分数；儿熟料材料的体积分数；一单一材料的孔隙率；钆火山灰 材料的最大体积分数。 由此模型可以看出，系统的堆积密度取决于矿渣颗粒和水泥的颗粒的直径比， 这一比值越小，系统地堆积密度越高。 2 ) a n d r e a s e n 方程 为探索粉体最紧密堆积的粒径分布，连续分布的提倡者a n d e r s e n 把实际的颗 粒分布描述为具有相同形式的分布，即“统计类似”。即使加入越来越粗的颗粒也 是如此，所加入的大颗粒的体积总是细粉总量的恒定分数。将这种尺寸关系的方 程表示为： 西安建筑科技大学硕士论文 咐。4 ( 3 - 1 0 ) 式中：【，( z ) 一筛析通过量，；广筛孔尺寸，衄；，r 分布模数； d 一体系中最大颗粒的粒径，i i i i l 。 这一方程描述了含有无限小尺寸的颗粒，显然这在实际系统中是不可能的， a n d r e a s c n 认为如果最小颗粒的尺寸是有限的( 只是最小颗粒粒径相对而言非常小) 或是某个无限小的尺寸，其结果并无显著区别。a n d r e a s e n 的另一个结论是：各种分 布的孔隙率随方程中分布模数( 均匀性系数) n 值的减小而下降，当降至n = l 3 时，孔隙率最小，n 的最佳值在0 3 3 o 5 5 范围内。即 u - 1 0 0 ( 吾 j ( 3 - 1 1 ) d i n g e r 等提出类似的粒径分布方程， u = 1 0 0 筹 ( 3 - 1 2 ) 其中；u ( x ) 一筛析通过量，；n - - - 分布模数；啡系中最大颗粒的粒径，l i m ； 粒粉体的最小粒径，岫。 通过计算机模拟，d i n g e r 等指出，当n 为0 3 7 时，体系可获得最小的孔隙率。 经分析可以发现；对