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超细粉煤灰、超细矿渣粉对水泥物理性能的影响研究
发布时间：2013-07-12 08:20 来源：未知
0、前言
我国水泥行业工艺落后，历来是消耗能源与资源的大户，与可持续发展产生矛盾。要解决这一矛盾，必须立即采取有效措施，减少水泥熟料的产量其中途径之一，就是掺入粉煤灰、矿渣等矿物掺和料，并且这部分矿物掺和料大多以超细粉的形式掺加。
水泥厂的粉磨作业基本上都采用球磨机，振动磨是在球磨机的基础上进行了改进，将物料和研磨介质装入弹簧支撑的磨筒内，由偏心块激振装置驱动磨筒作圆振动，通过研磨介质的高频振动对物料作冲击、摩擦、剪切等作用而粉碎，相较球磨机有冲击强度高、冲击频率高、研磨效率高等特点，能够将物料深加工到比表面积800m2/kg以上，是一种良好的超细磨机，富通新能源销售球磨机、雷蒙磨粉机等磨机机械设备。
本文通过两种粉磨设备（球磨机和振动磨）对熟料和矿物掺和料（粉煤灰、矿渣）进行超细加工，比较不同粉磨设备加工超细粉的能力，并进一步研究由不同粉磨设备加工而成的矿物超细粉的细度及掺量对水泥物理性能（标准稠度需水量、凝结时间、胶砂强度）的影响。
1、试验原材料及方法
1.1原材料
(1)熟料：湿法旋窑熟料，取自四川双马水泥厂，其化学成分见表l。
(2)粉煤灰：四川江油火电厂干排粉煤灰，其化学成分见表1。
(3)矿渣：取自四川双马水泥厂，其化学成分见表l。
(4)石膏：取自四川双马水泥厂，其化学成分见表1。
1.2试验方法
(1)球磨机采用∮500×500mm试验磨机，振动磨采用2MZC-38型振动磨。
(2)比表面积测试采用勃氏透气比表面积测定仪。
(3)颗粒分布测试采用Malvern2000型激光粒度分布仪。
(4)标准稠度需水量和凝结时间的测定按照CB/T1346-2001的规定进行。
(5)水泥胶砂强度的测定按照GB/T17671-1999（ISO法）的规定进行。
2、试验结果及分析
2.1 不同粉磨设备加工的超细粉对水泥物理性能的影响
2 .1.1不同粉磨设备对物料加工性能的对比
使用不同粉磨设备加工相同时间的超细粉的比表面积见表2，不同粉磨设备将物料加工到相同细度时所消耗的时间及超细粉的粒度分布状况见表3。
在物料入磨量相等（均为3kg）、入磨粒度相当（均为<5mm）、磨机额定功率相同（均为3KW）的情况下，不同粉磨设备加工超细粉的能力比较体现在：加工超细粉到相同细度时，所消耗的粉磨时间及超细粉的粒度分布状况。由表2、表3可见，所加工的物料达到相同细度时，使用振动磨所消耗时间约为使用球磨机所消耗时间的2/3。例如，加工熟料至比表面积为550±lOm2/kg时，球磨机需要60min，而振动磨只需要40min。由此看出，振动磨粉磨能力更强，粉磨效率更高，同样粉磨时间下加工的超细粉的比表面积更大，加工超细粉到相同比表面积时所消耗的功率更少。
所加工的物料达到相同细度时，使用振动磨加工的超细粉的粒度分布相比使用球磨机加工的超细粉的粒度分布更集中于微细颗粒。例如，使用振动磨分别加工熟料粉、粉煤灰、矿渣粉，其粒度小于10.024um的部分分别占到了36.96%、57.95%、52.95%；而使用球磨机分别加工熟料粉、粉煤灰、矿渣粉，其粒度小于10.024um的部分分别只占到33.67%、57.01%、51.54%。
2.2两种粉磨设备加工的超细粉对水泥物理性能的影响
将用两种粉磨设备加工至550±lOm2/kg的熟料（掺入5％的石膏）作对比，测试水泥物理性能，结果见表4。将用两种粉磨设备加工至800±20m2，kg的矿物超细粉（粉煤灰、矿渣）掺入350m2/kg的熟料粉（熟料：石膏= 95:5，其物理性能见表5，编号为PC）作对比，按如下比例”矿物超细粉：熟料：石膏= 30:65:5”配料，测试水泥物理性能，结果见表5。各物料颗粒分布与比表面积见表3。
2.2.1标准稠度需水量
从表4来看，对于熟料而言，使用振动磨加工的．熟料的标准稠度需水量（以下简称需水量）少于使用球磨机加工的熟料的需水量。从表3看出，细度相同的情况下，使用振动磨加工的熟料，其粒度分布中微细颗粒增多了，粉体原始堆积时空隙率减少，所以需水量会减少。
从表5看出，矿物超细粉的掺加会引起需水量的减少。
使用振动磨加工的矿物超细粉掺入水泥中，比使用球磨机加工的矿物超细粉，使需水量减少得更多。从表3看出，在超细粉细度相同的情况下，使用振动磨加工的矿物超细粉，其粒度分布中微细颗粒更多，就能置换出更多的填充水，进而使得需水量减少得更多。
2.2.2凝结时间
从表4来看，对于熟料而言，使用振动磨加工的熟料的凝结时间比使用球磨机加工的熟料的凝结时间短。从表3看出，在细度相同的情况下，使用振动磨加工的熟料，其粒度分布中微细颗粒增多了，熟料颗粒和水更加充分的接触，因此水化加快，凝结时间缩短。
从表5看出，超细粉煤灰的掺加引起凝结时间延长，超细矿渣粉的掺加引起凝结时间缩短。超细粉煤灰的火山灰活性不够高，水化早期火山灰反应没有发生，超细粉煤灰的掺加减少了熟料的量，减弱了熟料的水化反应，因而延长了凝结时间。超细矿渣粉的火山灰活性很高，水化早期火山灰反应就发生了，进而促进了熟料的水化反应，因而缩短了凝结时间。
使用振动磨加工的矿物超细粉掺入水泥中，比使
用球磨机加工的超细粉，缩短了凝结时间。从表3看出，在细度相同的情况下，使用振动磨加工的矿物超细粉，其粒度分布中微细颗粒增多了，能更好的分散熟料颗粒，这样使得熟料颗粒与水的接触面积变大，水化加快，因而缩短了凝结时间。
2.2.3胶砂强度
从表4看出，对于熟料而言，使用振动磨加工的熟料的3d与28d强度都比使用球磨机加工的熟料的强度高。水泥熟料颗粒中．小于10um的颗粒对早期强度有较大贡献，10～30um颗粒则对7d与28d强度有较好的相关性，而大于60um颗粒则基本不能水化。分析熟料组数据，C2水泥中小于10.024um的熟料颗粒含量高于Cl，所以C2的3d强度高于Cl。C2中10.024～31.698um的熟料颗粒含量高于Cl，所以C2的28d强度也高于Cl。
从表5看出，掺人超细粉煤灰降低了3d强度，增加了28d强度，掺入超细矿渣粉对3d和28d强度都有增加。粉煤灰火山灰活性低，3d时火山灰反应还没有发生，此时粉煤灰只起到物理填充作用，粉煤灰的掺加减少了熟料的量，故而降低了3d强度。
掺入使用振动磨加工的矿物超细粉的水泥体系比掺入使用球磨机加工的矿物超细粉的水泥体系的3d和28d强度要高。从表3看出，在细度相同的情况下，使用振动磨加工的矿物超细粉，其粒度分布中微细颗粒增多了，二次水化反应更加迅速，能更加有效的增加水泥强度。
2.3超细粉煤灰、超细矿渣对水泥物理性能的影响
2.3.1超细粉不同细度对水泥物理性能的影响
将粉煤灰、矿渣使用振动磨分别加工到不同细度，采用勃氏透气法测定比表面积（见表6），探讨不同细度矿物超细粉对水泥物理性能的影响。
按熟料：矿物超细粉：石膏=65: 30:5的比例配制成水泥，测定水泥物理性能，结果见表7。不同编号分别对应于不同细度的矿物超细粉。
2.3.3.1 标准稠度需水量
由表7看出，矿物超细粉的掺加减少了需水量�？笪锍阜鄣牟艏蛹跎倭颂畛渌氖�，但引起表层吸附水的增加，不足以弥补填充水减少的数量，因而减少了需水量。磨细粉煤灰比原状粉煤灰的需水量大，这是因为磨细粉煤灰在粉磨的过程中，破坏了一些球状体，减弱了粉煤灰的减水效应。随着超细粉的比表面积增大，需水量减少得更多。这是因为随着超细粉的比表面积增大，其粒度分布中微细颗粒增多了，减少的填充水更加多于增加的表层吸附水，引起需水量的不断减少。
2.3.3.2凝结时间
由表7看出，总体来说，超细粉对凝结时间的影响不大。随超细粉比表面积增大，一方面超细粉活性提高，另一方面能更好的起到分散熟料的作用，增加熟料和水的接触面积，加快水化，将使凝结时间相应的缩短。
2.3.3.3 胶砂强度
由表7看出，对于3d强度而言，超细粉煤灰的掺加降低了水泥的强度，但随粉煤灰比表面积的增大，水泥胶凝体系的强度增加；超细矿渣粉的掺加提高了水泥的强度，并随着矿渣粉比表面积的增大，强度增加得更多。
对于28d强度而言，掺入的粉煤灰比表面积较小时降低了水泥的强度，但掺入的粉煤灰比表面积较大时提高了强度。超细矿渣粉的掺加提高了水泥的强度并随着超细矿渣粉比表面积的增大，强度增加得更多。
2.3.2超细粉不同掺量对水泥物理性能的影响
分别以表6中的FA1、FA2、FA3三种细度的粉煤灰掺入熟料粉中，配制水泥。，安排的实验组数见表8，实验结果见表9。
2.3.2.1标准稠度需水量
由表9看出，超细粉煤灰掺量较低时，降低了需水量；掺量较高时，增加了需水量。
2.3.2.2凝结时间
由表9看出，超细粉煤灰掺量较低时，缩短了凝结时间，掺量较高时延长了凝结时间。
2.3.2.3胶砂强度
由表9看出，随着超细粉煤灰掺量的增加，3d强度降低；但相同掺量时，掺入比表面积较大的超细粉煤灰，水泥胶凝体系的强度较高。这是因为超细粉煤灰的火山灰活性较低，3d时火山灰反应还没有发生，此时，超细粉煤灰仅起到物理填充作用．随着掺量的增加，减少了熟料的量，水化减慢，强度降低。随着超细粉煤灰比表面积的增大，微细颗粒增多，物理填充作用增强，一定程度上增加了强度。
超细粉煤灰掺量较低时，提高了28d强度；掺量较高时，降低了28d强度。但相同掺量时，掺入比表面积较大的超细粉煤灰，水泥胶凝体系的强度较高。随着超细粉煤灰比表面积的增大，微细颗粒增多，火山灰反应加强，填充作用更加显著，因而掺入比表面积大的超细粉煤灰的水泥胶凝体系的强度高。
3、结论
1)振动磨相比球磨机而言，相同粉磨时间下所加工而成的超细粉的比表面积更大，加工相同比表面积的超细粉所消耗的功率减少约1/3，并且加工的超细粉粒度分布更加集中于微细颗粒。
2)使用振动磨加工的熟料比使用球磨机加工的熟料，前者的标准稠度需水量更少，凝结时间更短，强度更高。振动磨加工的矿物超细粉掺入水泥后与球磨机加工的矿物超细粉掺入水泥后相比，前者使得需水量减少，凝结时间缩短，强度提高。
3)超细粉煤灰的掺加减少了标准稠度需水量，延长了凝结时间，降低了3d强度。随着比表面积的增大，需水量不断减少，凝结时间相应缩短，3d强度相应增加。掺量较低时降低了需水量，缩短了凝结时间，提高了28d强度；掺量较高时增加了需水量，延长了凝结时间，降低了28d强度。
4)超细矿渣粉的掺加减少了标准稠度需水量，缩短了凝结时间，提高了3d和28d强度。并随着超细矿渣粉比表面积的增大，需水量不断减少，凝结时间不断缩短，强度不断提高。
