矿渣和熟料的比表面积及粉磨方式对水泥浆体流变性的影响.pdf

0前言水泥工作性能直接关系到水泥的销售和企业的经济效益，并影响水泥企业乃至整个水泥与混凝土行业的发展。水泥浆体的流变性是其工作性的一个重要方面1。本文重点就矿渣和熟料的比表面积以及水泥粉磨方式对浆体流变性的影响进行了研究;同时又考察了水泥强度、凝结时间、标准稠度用水量等指标。1试样的制备及实验方法1.1试样的制备1.1.1原材料熟料、矿渣均取自冀东水泥厂，其化学组成、矿物组成和率值见表1，表2。1.1.2不同比表面积矿渣水泥试样的制备（1）固定水泥的配比(熟料65，矿渣30，石膏5)和矿渣的比表面积（300m2/kg），与不同比表面积的熟料（表3）混合均匀，制备成掺有不同比表面积矿渣的水泥试样。（2）固定水泥的配比和固定熟料的比表面积（330m2/kg），与不同比表面积的矿渣混（表3）合均匀，制备不同比表面积的矿渣水泥试样。1.1.3不同粉磨方式试样的制备采用分别粉磨和混合粉磨二种方式制备水泥试样。其中分别粉磨的水泥质量配比、比表面积和粉磨时间见表4。矿渣和熟料的比表面积及粉磨方式对水泥浆体流变性的影响表1熟料和矿渣的化学组成质量分数%物料熟料矿渣w(CaO)w(SiO2)64.822.0537.1333.17w(Al2O3)w(Fe2O3)5.033.664.541.66w(MgO)1.7610.16w(SO3)0.550.08w(K2O)1.100.47w(Na2O)0.100.33w(R2O)0.820.64w(f-CaO)0.71w(TiO2)0.99烧失量0.52-1.17表2熟料的矿物组成与率值矿物组成质量分数/C3S52.73HM为水硬率：HM=w(CaO)/w(SiO2)+w(Al2O3)+w(Fe2O3)C2S23.51C3A7.14C4AF11.12率值KH0.88HM2.11SM2.54IM1.38表3熟料、矿渣比表面积m2/kg熟料矿渣209272265326329391468442488表4分别粉磨物料物料质量配比/比表面积/(m2 kg-1)5kg料的粉磨时间/min熟料6532920矿渣3030030石膏538020摘要:通过净浆流动度和Marsh筒实验，测试不同比表面积熟料、矿渣以及不同粉磨方式的水泥试样的流变性。试验发现，熟料、矿渣比表面积与水泥浆体的流变性呈负相关关系，且熟料远大于矿渣的影响程度；混合粉磨的水泥流变性优于分别粉磨，且它们的水化放热曲线与流变性有很好的相关性。另外，还对流变性较好的试样考察了其强度、凝结时间、标准稠度用水量等指标。关键词：混合材；比表面积；粉磨方式；水泥浆体；流变性Effect of specific areas and grinding methods of clinker and slag on the rheological property of cement pasteQiao Lina1，Sun Xiaohua2，Han Fei1，Qiao Lijun3，Zhang Lixia1（1.HeBei Vocational Technical College of Building Material,Hebei,Qinghuangdao,066004）Abstract:The rheological property of cement with different specific areas and grinding methods of clinker or slag is tested by cementpaste fluidity and Marsh cone experiments.It is found that specific area of clinker or slag and the rheological property are in negativecorrelation,and the influence of clinker s specific surface area is much greater;that the common grinding method is better.And the velocity curve of heat releasing in hydration process of cement by different grinding methods and its rheological property have good correlation.At the same time,setting time,normal consistence,and compressive strength of electing samples are tested.Key words：admixture;specific areas;grinding methods;cement paste;rheological property乔丽娜1，孙晓华2，韩 飞1，乔立军3，张丽霞1（1.河北建材职业技术学院，河北 秦皇岛 066004；2.唐山职业技术学院，河北 唐山 063000；3.包头冀东水泥有限公司，内蒙古 包头 014500）中图分类号:TQ172文献标识码:B文章编号:1007-0389(2010)03-17-042010年第3期设计研究乔丽娜，等：矿渣和熟料的比表面积及粉磨方式对水泥浆体流变性的影响-17混合粉磨时，水泥的质量配比与分别粉磨时相同，并保持总的粉磨耗电量相同，即混合粉磨的时间t为分别粉磨各物料粉磨时间与其质量分数之积的加权值，计算公式为：t=t熟料65%+t矿渣30%+t石膏5%（1）将表4中的粉磨时间代入（1）式，计算得到混合粉磨时间为23min。据此将三种物料按表4质量配比进行配料混合，粉磨23min得到混合粉磨矿渣水泥样。1.2实验方法（1）Marsh筒法。按照文献2，3的规定进行，净浆水灰比为0.4，水泥用量为4000g。用净浆搅拌机搅拌20min后，再人工搅拌20min，然后将净浆加入Marsh筒内，筒出口用玻璃板控制浆体的流出，抽玻璃板的同时用秒表计时，测量浆体流满2000mL容量瓶所用的时间。（2）微型坍落度筒法。按照GB80771987 混凝土外加剂匀质性实试验方法 的规定进行。将以上刚测完Marsh时间的水泥浆体倒入微型坍落度筒内，按照GB80771987 的规定进行操作，测量净浆的扩展直径。（3）水化放热速率的测定。采用法国塞塔拉姆公司生产的C80型水化放热速率测试仪对不同水泥试样进行20h水化放热速率测定，称取1.50g试样，水灰比取0.5，测试温度为300。2实验结果及分析2.1熟料、矿渣比表面积对水泥浆体流变性的影响2.1.1熟料比表面积对矿渣水泥浆体流变性的影响不同熟料比表面积对矿渣水泥浆体流动度和Marsh时间的影响见图1和图2。其中，在实验条件下，水泥浆体流动度L、Marsh时间T与熟料比表面积S之间的数量关系为：L熟料，5min=147-0.20（S熟料-209）（2）L熟料，90min=125-0.18（S熟料-209）（3）T熟料，60min=24.3+1.24（S熟料-209）（4）由图1和图2可得到：水泥净浆流动度随着熟料比表面积的增大而降低；Marsh时间随熟料比表面积的增大而增大。当熟料比表面积为468 m2/kg时，浆体流动度已经很小，而此时的Marsh时间已无法测量(实验中未测量)，即浆体的流变性已经很差。这说明水泥浆体的流变性随熟料比表面积的增大是明显降低。2.1.2矿渣比表面积对矿渣水泥浆体流变性的影响不同矿渣比表面积对矿渣水泥浆体流动度和Marsh时间的影响见图3和图4。其中在实验条件下，浆体流动度L、Marsh时间T与矿渣比表面积S的关系式见（5）（7）：L矿渣，5min121-0.047(S矿渣-326)（5）L矿渣，90min103-0.052(S矿渣-326)（6）T矿渣，60min=85+(S矿渣-272)（7）分析图3、图4可见，矿渣的比表面积对浆体流变性影响的规律性和熟料基本一致。随着矿渣比表面积的增大，矿渣水泥净浆的流动度减小，Marsh时间增大，水泥浆体流变性降低。图2熟料比表面积对水泥浆体Marsh时间的影响图1熟料比表面积对水泥浆体流动度的影响8090100110120130140150020406080100净浆流动度/mm时间/minS熟料=209S熟料=265S熟料=329S熟料=468m2/kgm2/kgm2/kgm2/kg020406080100120140160180200220240260280300320340熟料比表面积/（m2 kg-1）Marsh时间/min5min60min图3矿渣比表面积对水泥浆体流动度的影响S矿渣=272S矿渣=326S矿渣=391S矿渣=442S矿渣=488020406080100时间/min9095100105110115120125130135140净浆流动度/mmm2/kgm2/kgm2/kgm2/kgm2/kg2010年第3期设计研究乔丽娜，等：矿渣和熟料的比表面积及粉磨方式对水泥浆体流变性的影响-182.1.3实验结果分析（1）从水化反应的角度来看，不管是熟料或者矿渣，比表面积越大，颗粒缺陷越多，配制的水泥活性越大，水化速度越快，水化初期形成的水化产物越多，这些水化产物相互搭接，提高了浆体黏度，增大了剪切应力，使得水泥浆体流变性变差；其次，从表面物理作用的角度来看，比表面积越大，比表面能也越大，导致表面吸附水量大，因而降低了水泥浆体流变性。所以，上面的实验结果无论是熟料还是矿渣，随着比表面积的增大，矿渣水泥浆体流变性都降低。（2）不同比表面积的熟料和矿渣，对浆体流变性的影响程度还是有所区别的。熟料比表面积每增大 500m2/kg，50min 浆体流动度降低了约 100mm，900min浆体流动度降低了约90mm；矿渣比表面积每增大 500m2/kg，50min 浆体流动度降低了约 2.40mm，900min浆体流动度降低了约2.60mm。即熟料比表面积对水泥浆体流变性的影响远大于矿渣比表面积的影响。这是因为熟料本身水化速度要比矿渣的水化速度快得多所致。2.2粉磨方式对水泥浆体流变性的影响2.2.1净浆流动度和Marsh时间测试结果不同粉磨方式水泥试样的净浆流动度和Marsh时间测试结果见表5和图5。表5不同粉磨方式试样Marsh时间测试结果s粉磨方式分别粉磨混合粉磨5min38.016.860min173.689.1从图5可知：（1）混合粉磨水泥试样的浆体流动度均大于分别粉磨水泥的浆体流动度；（2）前30min的混合粉磨水泥和前60min的分别粉磨水泥的曲线斜率均较大，说明早期水泥流动度损失大；（3）前30mi n混合粉磨水泥的曲线斜率比分别粉磨的大，说明前300min混合粉磨的试样浆体流动度损失更大。表5中，混合粉磨水泥的Marsh时间远小于分别粉磨的，这也说明混合粉磨水泥试样的流变性明显好于分别粉磨试样的。2.2.2水化放热速率试验结果水化放热速率试验结果见由图6。分析图6可知，混合粉磨试样的水化放热速率要比分别粉磨的试样先达到峰值，即在初始的约80min内，混合粉磨试样的水化速率较快；但是整体上分别粉磨的试样的水化放热速率要明显大于混合粉磨的；当在约650min以后，混合粉磨的试样的水化放热速率曲线才逐渐高出分别粉磨的。显然，浆体流动度的变化与水化放热速率曲线有比较好的相关关系。2.2.3实验结果分析混合粉磨与分别粉磨相比，虽然熟料的粉磨时间长了30min，但是，由于矿渣的易磨性较差，且粉磨时间又缩短了70min，所以矿渣磨得不细，比表面积小。从比表面积对水化速度影响的角度来看，熟料增加30min粉磨时间无法抵消矿渣少粉磨70min的作用。所以，混合料的整个水化速度减慢。这是混合粉磨试样流变性优于分别粉磨试样的主要原因。图5粉磨方式对水泥净浆流动度的影响图4矿渣比表面积对水泥浆体Marsh时间的影响5min60min矿渣比表面积/（m2 kg-1）Marsh时间/min050100150200250300350250300350400450500图6不同粉磨方式水泥放热速率曲线热流/mW时间/s01000 2000 3000 40005000 600070000.01.53.04.56.07.59.0121分别粉磨2混合粉磨混合磨分别磨020406080100时间/min96104112120128136144净浆流动度/mm2010年第3期设计研究乔丽娜，等：矿渣和熟料的比表面积及粉磨方式对水泥浆体流变性的影响-19但是从另一个角度看，在混合粉磨过程中，相对于颗粒比较细小的熟料来说，矿渣实际上起到了“微研磨体”的作用。这种研磨体对特别细小的熟料颗粒起到了一定的研磨作用，所以，混合粉磨的水泥中熟料的微小颗粒(10m以下的颗粒)要比分别粉磨的多。这从图6的水化放热速率曲线中可以看出，正是由于混合粉磨的水泥中有部分最细小的熟料颗粒，所以最早的水化放热比较快，高峰期比分别粉磨来得早。所以，尽管混合粉磨的水泥流动度比分别粉磨的高，但是前300min的流动度损失比分别粉磨的水泥大，主要原因就在于混合粉磨的水泥中有比较多的小颗粒4。同时估计，这部分微小颗粒填充于大颗粒的间隙中，使颗粒堆积较为密实，气孔率降低。根据 Dinger 和Funk 提出的理论5，泥浆黏度是与颗粒间距成反比的，最大限度降低颗粒的堆积气孔率可在一定程度上降低泥浆的黏度,提高了流变性。这也是混合粉磨试样流变性优于分别粉磨试样的原因之一。2.3优选样的强度、凝结时间和标准稠度测试为了增强研究的实用性，从前面的实验中选出几组流变性较好的试样，做强度、凝结时间、标准稠度用水量试验，为企业生产提供更多的参考数据。试验结果见表6，其中在实验中，抗压强度为净浆小试体强度，试体规格为3cm3cm5cm，水灰比0.26，标准养护。从表6的结果看，凝结时间和标准稠度用水量，与前面的浆体流变性测试结果基本一致。而水泥强度与流变性的关系如下：U1与U3相比，矿渣比表面积由272m2/kg增大到300m2/kg，3d抗压强度提高了9.62，28 d 抗压强度提高了 11.46；而对应的50min 流动度降低了 12.1，900min 流动度降低了9.6（这些数据是由前面的实验结果得来，下同）。U2与U3相比，熟料的比表面积由2650m2/kg增大到3290m2/kg，30d抗压强度提高了5.6，28d抗压强度提高了5.9；而对应的50min流动度降低了10.2，900min流动度降低了8.0。U4与U3相比，粉磨方式不同，混合粉磨试样的30d抗压强度降低了11.8，280d抗压强度降低了15.0；而对应的50min流动度提高了14.5，900min流动度提高了13.1。以上数据分析显示了强度、流变性与物料的比表面积的关系：当水泥的强度合格而流变性较差时，可优先考虑降低熟料的比表面积，或采用混合粉磨方式粉磨物料。3结论（1）在实验条件下，水泥浆体流动度与熟料、矿渣比表面积呈负相关关系。而且熟料比表面积每增大500m2/kg，50min浆体流动度降低了约100mm，900min浆体流动度降低了约90mm；矿渣比表面积每增大500m2/kg，50min浆体流动度降低了约2.40mm，900min浆体流动度降低了约2.60mm。即熟料比表面积对水泥浆体流变性的影响远大于矿渣比表面积的影响。（2）保持粉磨电耗总量不变，不同粉磨方式对水泥浆体流变性的影响不同。就熟料和矿渣而言，混合粉磨水泥的流变性要明显优于分别粉磨。（3）当水泥的强度合格而流变性较差时，可优先考虑降低熟料的比表面积，或采用混合粉磨方式粉磨方式来改善水泥的流变性。参考文献1 侯文萍，张华杰，付兴华，等混合材对水泥浆体流变性能的影响J水泥工程，2000，(1)：12-162 吴笑梅，樊粤明,简运康.简运康.用Marsh筒法研究水泥与减水剂的相适应性问题J，水泥，2002，(12)：12-143 Aitcin P C.High performance concrete Science and technologyM Published by E and FN spon,19974 张永娟，张雄.矿渣微粉掺量及颗粒群特征与水泥浆体流变性能的关系J.硅酸盐通报，2002，(6)：63-675 刘浩斌.颗粒尺寸分布于堆积理论J.硅酸盐学报，1991，19：164-172【作者简介】乔丽娜，女，在读博士，材料学专业，助教。科研方向：水泥、混凝土、超硬材料。（编辑：刘翠荣）（收修改稿日期：2010-02-01）序号U0U1U2U3U4U0U4石膏掺量均为5%；U0为分别磨对比样，U4为混合磨比表面积/（m2 kg-1）熟料329329265329矿渣272300300掺量/%熟料9565656595矿渣303030初凝 终凝min118205201173209168269285245270标准稠度用水量/%26.324.224.325.524.1抗压强度/MPa3d765254575128d1119610110793表6优选样凝结时间、标准稠度、抗压强度测时结果2010年第3期设计研究乔丽娜，等：矿渣和熟料的比表面积及粉磨方式对水泥浆体流变性的影响-20