矿渣粉细度分类与优化

矿渣粉细度分类与优化靳秀芝;赵宏杰;韩涛;韩铁宝;李新建;韩建清【摘要】利用弱化缓冲算子和曲线拟合的方法研究了矿渣粉比表面积和掺量对掺矿渣粉水泥强度的影响.结果表明:按矿渣粉细度和掺量对水泥强度的影响规律可以把矿渣粉分成3类:粗矿渣粉（比表面积＜400m2/kg）s细矿渣粉（比表面积为450~550m2/kg）和超细矿渣粉（比表面积＞600m2/kg）.掺这3类矿渣粉水泥各龄期的抗压强度随着矿渣粉掺量增加分别呈现逐渐减小、基本不变和持续提高三种截然不同的趋势•通过对比矿渣粉磨时间和矿渣粉水泥强度比得出矿渣粉比表面积最佳范围是450~500m2/kg.【期刊名称】《中北大学学报（自然科学版）》【年（卷），期】2010（031）003【总页数】6页（P269-274）【关键词】弱化缓冲算子;曲线拟合矿渣粉;比表面积;分类;优化【作者】靳秀芝;赵宏杰;韩涛;韩铁宝;李新建;韩建清【作者单位】中北大学材料科学与工程学院，山西太原030051;天津振兴水泥有限公司，天津300400沖北大学材料科学与工程学院山西太原030051沖北大学-智海企业集团水泥混凝土技术研发中心，山西太原030031沖北大学-智海企业集团水泥混凝土技术研发中心，山西太原030031;中北大学-智海企业集团水泥混凝土技术研发中心，山西太原030031;山西淮海机电有限公司，山西长治046012【正文语种】中文【中图分类】TU5280引言矿渣粉用在混凝土中具有成本低、工作性好、后期强度高、水化热低、耐久性好等优点,使其成为配制高强高性能混凝土的必要组分之一［1-3］.矿渣粉性能的好坏主要取决于其粉磨细度.通常情况下，矿渣粉越细上匕表面积越大，活性越高.提高矿渣粉细度一度成为提高矿渣粉质量的主要手段［4-5］新国标《GB/T18046-2008用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》也把矿渣粉的比表面积由"S75,S95,S105均不小于350m2/kgM改为MS75>300m2/kg,S95>400m2/kgfS105>500m2/kgw.但用在混凝土中的矿渣粉比表面积并不是越高越好，矿渣粉太细会引起工作性变差、粉磨能耗大幅度提高等问题，如何将矿渣粉的细度控制在合理范围成为困扰超细矿渣粉生产企业的主要问题［6］.掺矿渣粉胶砂抗压强度比是决走矿渣粉等级的最主要指标,硏究矿渣粉细度对抗压强度的影响并在此基础上确定矿渣粉的最佳细度范围，对矿渣粉生产和其在混凝土中的应用具有重要的指导意义.1试验原料及试验方法1.1试验原料水淬高炉矿渣为长治钢铁集团公司3,7号高炉产生，熟料来源于山西双良水泥有限公司•熟料、矿渣的比重分别为3.16g/cm3,2.95g/cm3.原料的化学成分见表1,性能见表2.表1物料的化学成分Tab.lChemicalcompositionofmaterials成分SiO2TiO2AI2O3Fe2O3MgOCaOMnOfCaOSO3熟料/%21.50.285.984.111.9864.5-0.850.42矿渣/%33.00.6016.32.608.0034.50.70-0.60表2水泥物理性能表Tab.2Physicalpropertyofcement配比/%凝结时间/min3d强度/MPa7d强度/MPa28d强度/MPa安走性熟料石膏用水量/mL初凝终凝抗折抗压抗折抗压抗折抗压964124.51451853.818.45.628.96.844合格利用0)500x500mm的标准试验磨机粉磨制备7种矿渣粉和1种熟料粉,其粉磨时间与比表面积见表3.矿渣粉与熟料粉以不同的比例混合成矿渣水泥粉体(石膏掺量固定为4%).表3矿渣粉与熟料粉的粉磨时间与比表面积Tab.3Grindingtimeandspecificsurfaceareaofslagandclinker编号SIKIK2K3K4K5K6K7粉磨时间/min324556668597121140比表面积/(m2-kg-1)3563444144415005496036401.2试验方法1.2.1比表面积测定BS-1型勃氏透气法比表面积测试仪，依GB/T8074-2008进行.1.2.2水泥胶砂强度测定按照GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》(ISO),测定标准养护试件3d,7d,28d的试样抗压强度(见表4~表6).表4矿渣水泥的3d抗压强度Tab.43dcompressivestrengthofslagcement矿渣粉比表面积/(m2okg-l)矿渣粉掺量/%10203040506070344 17.817.917.016.615.8 13.5 12.741419.7 17.8 17.917.9 15.614.4 133441 19.920.820.818.3 17.6 18.350019.9 21.1 21.420.5 18.418.9 18.7549 19.821.320.319.8 19.5 18.860320.2 23.1 23.223.1 23.321.7 22.0640 19.922.924.925.325.926.925.9表5矿渣水泥的7d抗压强度Tab.57dcompressivestrengthofslagcement矿渣粉比表面积/(m2okg-l)矿渣粉掺量/%1020304050607034427.226.927.426.024.121.220.741429.827.927.926.924.122.121.344131.233.531.229.127.727.150031.233.733.031.630.831.630.254931.833.833.332.933.631.660333.337.236.438.238.336.533.964031.136.239.539.740.536.2表6矿渣水泥的28d抗压强度Tab.628dcompressivestrengthofslagcement矿渣粉比表面积/(m2okg-l)矿渣粉掺量/%1020304050607034452.349.0 50.347.842.636.1414 50.2 53.3 50.2 51.347.844.938.144157.658.3 58.5 55.250.844.2500 52.5 57.4 58.7 58.957.054.247.854952.557.158.8 59.7 60.556.346.4603 53.4 62.6 61.2 64.465.458.849.164049.759.164.7 65.7 66.463.651.82结果与分析2.1矿渣粉对水泥强度影响表述为了便于分析矿渣粉的质量水平及其对矿渣水泥的影响程度,先采用GB/T18046-2008规定的强度比法进行数据处理.2.2弱化缓冲算子构建从矿渣粉对水泥水化硬化影响的机理上来看，其细度和掺量引起水泥强度的变化是连续的•由于硬化水泥石是固、液、气组成的多孑L体系,孔隙分布的不均匀性和操作人员的偶然误差都会引起强度及强度测定值的波动•这些波动引起的随机误差，会掩盖矿渣粉的细度和掺量对矿渣水泥强度的作用规律.为了消除偶然因素对试验结果的影响，凸显规律性本文采用弱化缓冲算子对数据进行了处理(以3d抗压强度为例见表7,表8和图1).弱化缓冲算子［7］定义为：设原始数据序列为其中该算子符合不动点公理、信息充分利用公理、规范化公理等缓冲算子三公理.表7矿渣水泥3d抗压强度比Tab.7Ratioof3dcompressivestrengthofslagcement矿渣粉比表面积/(m2okg-l)矿渣粉掺量/%1020304050607034497.392.690.385.873.269.1414106.996.697.397.684.678.672.3441113.3117.8113.099.695.899.5500107.9114.5116.4111.599.9101.4549107.6115.8114.9110.1107.7106.0102.4603109.6125.5125.7126.4117.8119.5640108.1124.5135.3137.5141.0146.4140.6表8矿渣水泥修正后的3d抗压强度比Tab.8Ratioof3dcompressivestrengthofslagcementafteradjusting矿渣粉比表面?R/(m2°kg-l)矿渣粉掺量/%1020304050607034496.997.195.694.392.689.386.4414106.9101.799.696.693.690.5441108.2110.8113.1113.1110.4108.0106.7500111.2112.9112.6110.0108.8107.8549107.6111.7112.8112.1110.3109.2603109.6117.5120.4121.7122.7121.9121.5640108.1122.7126.4129.3132.1133.3利用公式⑷对表7中数据进行处理可得表8.矿渣水泥修正后的3d抗压强度比与矿渣粉比表面积、矿渣粉掺量的关系如图1所示•对比表7、表8及图1可以看出,修正后的数据比修正前的数据曲线光滑了许多•表8中由于偶然因素引起的数据间的差别比表7中的小很多，说明偶然因素对规律的影响小了.弱化算子确实起到了淡化扰动对数据的影响，但同时也降低了强度的増长率，分析水泥强度变化时应注意.图1掺矿渣粉水泥3d的抗压强度比Fig.lRatioof3dcompressivestrengthofslagcement2.3矿渣粉比表面积对水泥强度的影响2.3.1矿渣粉比表面积对水泥早期(3d)抗压强度的影响由图1(b)知,不同比表面积矿渣粉在不同掺量下对水泥3d抗压强度的影响规律可分成3类：第一类矿渣粉(粗矿渣粉)是比表面积为350~400m2/kg(<400m2/kg).此类矿渣粉的比表面积与常用水泥粉体比表面积相当，掺入水泥中，造成矿渣水泥3d抗压强度比大都低于100,说明掺入此类矿渣粉后，会造成水泥3天抗压强度降低同时,3d抗压强度比值随着矿渣粉掺量的增加而迅速下降，说明掺入此类矿渣粉水泥的3d抗压强度会随着矿渣粉掺量的增加而迅速减小;掺414(400)m2/kg矿渣粉水泥的强度比都大于掺344(350)m2/kg矿渣粉水泥的强度比，说明掺此类矿渣水泥的3d抗压强度随着矿渣比表面积的增大而增大.第二类矿渣粉(细矿渣粉)的比表面积为450~550m2/kg.掺此类矿渣粉水泥的3d抗压强度比值基本上都在100~115之间波动,说明掺入此类矿渣粉，不会引起矿渣水泥3d强度降低，对矿渣水泥3d抗压强度提高也不明显.掺441m2/kg,500m2/kg,549m2/kg矿渣粉水泥的3d抗压强度比值缠绕在一起，说明在比表面积441(450)~549(550)m2/kg范围内，通过增加矿渣粉的细度对提高水泥的3d抗压强度作用不明显.3d抗压强度比值随矿渣掺量变化比较平缓，说明掺此类矿渣粉水泥的3d抗压强度随矿渣掺量变化不大.第三类矿渣粉(超细矿渣粉)的比表面积为600~650m2/kg(>600m2/kg).掺此类矿渣粉水泥的3d抗压强度比值远高于100,说明此类矿渣粉掺入水泥可大大提高3d抗压强度可以明显看出，矿渣粉比表面积在603(600)~640(650)m2/kg范围内，矿渣水泥的3d抗压强度随着矿渣比表面积的增大而增大.3d抗压强度比值随着矿渣粉掺量的增加而迅速上升，且随舂矿渣掺量的增加两者差距变大，掺此类矿渣粉水泥的3d抗压强度随着矿渣粉掺量的增加而迅速增加，且比表面积越大,3d抗压强度随掺量增加得越快.232矿渣粉比表面积对水泥中后期(7d,28d)抗压强度的影响根据表5,表6利用公式(1),(4)可得矿渣水泥7d,28d的抗压强度比图(图2和图3).考虑7d,28d抗压强度时，矿渣粉按比表面积也可以分成同样的3类.其中矿渣粉细度和掺量对水泥7d抗压强度的影响规律与其对水泥3天抗压强度的影响规律极为相似•矿渣粉细度和掺量对水泥28d抗压强度的影响规律与其对水泥3d,7d抗压强度的影响规律也较为相似，与3d强度影响规律不同的是第一类矿渣粉掺入水泥后，其28d抗压强度大于不掺矿渣粉的水泥28d抗压强度，这又一次证明矿渣粉对水泥后期有增强作用.图2掺矿渣粉水泥修正后的7d抗压强度比Fig.27dcompressivestrengthratioofslagcementafteradjusting图3掺矿渣粉水泥修正后的28d抗压强度比Fig.328dcompressivestrengthratioofslagcementafteradjusting2.3.3矿渣粉比表面积对各龄期水泥抗压强度增强效果的对比固定矿渣粉的掺量为50%,作掺矿渣水泥各龄期抗压强度比随矿渣粉比表面积变化图(图4).用直线分别拟合3d,7d,28d抗压强度比随矿渣粉比表面积变化猖到直线的斜率分别为0.1167,0.1282Q0953.说明提高矿渣粉细度更有利于提高矿渣水泥的早期强度，可以解决掺矿渣粉水泥基材料早期强度低的问题.2.4矿渣粉细度最优设计在硏究涉及的范围内，随着矿渣粉比表面积的提高，矿渣粉的品质有两次飞跃•一是比表面积由400m2/kg提高到450或500m2/k9/即由策一类矿渣粉转化为第二类矿渣粉，矿渣粉磨时间增加了10min,在矿渣粉掺量为50%时，矿渣水泥3d,7d,28d抗压强度比分别增加13.8%,14.8%/13.9%—是比表面积由550m2/kg提高到600m2/kg,由第二类矿渣粉转化为第三类矿渣粉，粉磨时间增加了24min,在矿渣粉掺量为50%时矿渣水泥3d,7d,28d抗压强度比分别増加H.5%,12.3%,8.4%.而比表面积由450m2/kg提高到550m2/kg（第二类矿渣粉）,粉磨时间增加了31min,在矿渣粉掺量为50%时，矿渣水泥3d,7d,28d抗压强度比仅分别増加0.8%,5.3%,2.4%•当矿渣粉较粗时（第一类矿渣粉）不能充分发挥矿渣粉的増强作甩矿渣粉太细时（第三类矿渣粉）粉磨能耗大幅度提高（140min/66min）,在满足要求的条件下，第二类矿渣粉细度匕匕较合适•结合细度对抗压强度的影响规律上匕表面积控制在450~500m2/kg可望达到最佳性能经济指标.图4矿渣粉比表面积对水泥抗压强度比影响Fig.4Effectsofspecificlareaofggbsoncompressivestrengthratio3结论1） 按矿渣粉细度和掺量对水泥强度的影响规律可以把矿渣粉分成3类：第一类矿渣粉是比表面积为350~400m2/kg（<400m2/kg）,不能充分发挥矿渣粉的増强作用;第三类矿渣粉是比表面积为600~650m2/kg（>600m2/kg）,増强效果好，但粉磨能耗高，生产成本高;第二类矿渣粉的比表面积为450~550m2/kg,増强效果较好，粉磨能耗较低.2） 提高矿渣粉细度有利于提高矿渣水泥的早期强度，可解决掺矿渣粉水泥基材料早强低的问题.3） 矿渣粉比表面积控制在450〜500m2/kg范围内，可望达到最佳性能经济指标.参考文献：李辉,王振兴，宋强，等•矿物掺合料在水泥颗粒中的填充作用研究[几混凝土,2009,8:53-55.LiHui,WangZhenxingSongQiang,etal.Packingeffectofmineraladmixtureincementsystem[J].Concrete,2009,8:53-55.（inChinese）PapayianniI,AnastasiouE.Productionofhigh-strengthconcreteusinghighvolumeofindustrialby-products[J].Construct!onandBuildingMaterials,2010,24(8):1412-1417.AbdelkaderB,EI-Hadj^KarimaE.Efficiencyofgranulatedblastfurnaceslagreplacementofcementaccordingtotheequivalentbinderconcept[J