摘要：根據(jù)礦渣結(jié)構(gòu)和粉磨特性，選擇某聚硅氧烷化合物作為主體制取了一種新型礦渣助磨活化劑。將此助劑與前期試驗中激發(fā)效果良好的多元醇胺、硫酸鹽、鋁酸鹽和元明粉進行對比試驗，研究其對礦渣助磨和活性的影響。結(jié)果表明：此無堿混合物摻量低，可以明顯減小礦渣細度，改善礦渣粒度分布，并且能激發(fā)礦渣早期活性；與硫酸鹽和鋁酸鹽復(fù)配后產(chǎn)生疊加效應(yīng)，可提高礦渣水泥7d強度3-5MPa，28d強度5-8MPa。
關(guān)鍵詞：礦渣助磨 活性指數(shù) 細度 粒度分布
中圖分類號：TQ172.463
0引言
眾所周知，高爐礦渣具有良好的水化活性，作為混凝土摻合料可以改善混凝土和易性，降低水化熱，提高抗腐蝕性、耐久性等，被廣泛應(yīng)用于水泥建材行業(yè)。但礦渣的活性低于熟料，研究表明[1]，礦渣只有在比表面積400m2/kg以上才能較好地發(fā)揮膠凝性能，而礦渣與熟料共同粉磨不能達到各自的最佳粒度分布，因此提倡礦渣微粉的單獨粉磨。
礦渣屬于難磨物料，邦德功指數(shù)大于熟料30%多，磨機功耗大效率低。同時，礦渣的大量摻入會導(dǎo)致水泥和混凝土早期強度降低，這也是亟待解決的問題[2]。在物料粉磨工藝中摻入少量化學(xué)添加劑，一方面有效改善粉磨過程，即在磨機功率消耗相同的條件下增加產(chǎn)量和磨機功率消耗相同的條件下增加產(chǎn)品細度；同時，希望通過添加劑吸附于礦渣顆粒的微裂紋表面或與顆粒發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)以提高礦渣的早期活性。但目前助磨劑的研究主要是針對水泥熟料，對礦渣的研究也局限于單一助磨作用，對多功能型復(fù)合 助磨劑的研究很少。
1試驗
1.1原材料
試驗所用的PO42.5等級水泥，粒狀高爐礦渣等原材料均取自上海崛榮實業(yè)有限公司，其化學(xué)成分見表1。化學(xué)試劑：鋁酸鹽、硫酸鹽、多元醇胺和元明粉均為化學(xué)純試劑；將某含羥基的高分子化合物與無機溶劑1:3混合并分散處理后，制得新型助劑，記為G。
1.2 試驗儀器
SM-500型Φ500×500mm標準試驗小磨；DBT-127型勃式透氣比表面積儀；AEC-20型水泥強度試驗機；SF-150水泥細度負壓篩析儀；LS230型激光粒度分析儀。
2試驗方法
(1) 小磨試驗：用標準試驗小磨對礦渣按每次5kg進行粉磨。粉狀助劑直接摻入待磨試樣中，液體助劑裝入可噴裝置均勻噴灑于待磨的物料表面。所摻助劑的名稱、摻量及粉磨時間見表2。
(2) 物理力學(xué)性能試驗：礦粉和水泥的細度和比表面積測定按GB/T 1345-1991和GB/T 8074-1987進行；礦渣水泥的活性指數(shù)和抗壓強度試驗按照“用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣粉” GB/T18046－2000進行；水泥膠砂流動度測定方法按GB/T 2419－1994進行。
3 結(jié)果及分析
3.1 試驗結(jié)果
表3和表4列出摻入各種助劑粉磨后，礦渣的物理力學(xué)性能。其中礦渣的強度值為：將粉磨后的礦粉以50%的摻量與純水泥混合得到礦渣水泥的力學(xué)強度；礦渣活性指數(shù)為礦渣的強度與純水泥強度的比值。O為純水泥。
3.2 結(jié)果分析和討論
3.2.1細度和比表面積分析
礦渣屬于難磨物質(zhì)，邦德功指數(shù)較高。加入助劑的目的之一就是改善礦渣的粉磨特性。細度和比表面積都在一定程度上反應(yīng)出顆粒的分布情況。從表4中可以看到，摻入不同助劑的礦渣在相同粉磨條件下細度得到了明顯改善，降低了近30%～45%。其中摻入高分子G的S2，G和鋁酸鹽復(fù)合的S7分別在單體和復(fù)合助劑中效果最好，見圖1。
比表面積的情況有所不同，各助劑對礦渣比表面積的提高并不大。這有可能是因為助磨劑的摻入改變了礦渣顆粒的粒度分布，同時會改變粉體顆粒間的接觸角和摩擦阻力，使測定的礦渣比表面積比實際的要低。但總體說來，復(fù)合助劑對礦渣比表面積的提高效果要好于單助劑。
S2細度遠小于空白礦粉S1，比表面積卻無甚變化。因此，通過進行激光粒度分析來研究助劑G對改善礦渣顆粒分布的作用。圖2是S1和S2的顆粒頻率分布圖。
圖中曲線表明，摻入助劑G后礦渣的顆粒分布略為變窄，S2的分布面積為87.4%，S1為94.0%。具體而言，當(dāng)粒徑<10μm時，S2和S1顆粒分布差別不大，曲線幾乎重合；當(dāng)粒徑大于10μm小于40μm時，S2顆粒含量明顯高于未摻助磨劑的S1，尤其粒徑為18和30μm左右出現(xiàn)兩個最大值；而>40μm時，S1的顆粒含量要高于S2?？梢?，助劑的摻入使S2的顆粒分布比S1要集中，顆粒也更為均勻。變化集中在10μm～75μm這一段。
3.2.2礦渣抗壓強度和活性指數(shù)分析
礦渣作為混合材具有良好的水化活性，但其二次水化，需要水泥水化提供堿和硫酸鹽作為激活劑，因此早期水化強度普遍較低。
圖3和圖4為各礦渣水泥7d和28d的活性指數(shù)比較?？瞻椎V渣S1的7d抗壓強度為純水泥的74%，28d強度接近空白水泥。摻入助劑后礦渣的 7d抗壓強度均得到了提高，約占純水泥的80%；各礦渣水泥的28d強度均超過空白樣。從圖中可以明顯看出，單體助劑中，助劑G的效果十分明顯，7d強度超過多元醇胺和元明粉等較傳統(tǒng)的激發(fā)劑，28d強度雖然低于元明粉，但元明粉摻量較大(5%)并為堿性激發(fā)劑。此外，復(fù)合助劑的激發(fā)效果均好于單體，7d的強度優(yōu)勢尤為明顯。將G與硫酸鹽和鋁酸鹽復(fù)合效果好于硫酸鹽與鋁酸鹽復(fù)合。同時，助劑的摻入提高了礦渣水泥的抗折強度。
3.2.3 其他性能比較
從表4數(shù)據(jù)來看，未摻助劑的礦渣流動度均略大于空白水泥；摻入助劑后的礦渣流動度有所變化，但都變化不大，流動度比在98～106之間。與純水泥相比，各礦渣水泥標準稠度用水量有所下降，分析原因，礦渣多為密實玻璃體，表面粗糙，當(dāng)?shù)V渣摻量較高而粉磨細度不太大時將使水泥需水量減小，易產(chǎn)生泌水現(xiàn)象；摻助劑與未摻助劑對礦渣水泥的需水量影響不大。此外，礦渣水泥的凝結(jié)時間普遍低于純水泥，因為早期礦渣活性較低；各礦渣水泥的凝結(jié)時間也相差不大。
3.3 機理探討
通過試驗分析，助劑G對礦渣的粉磨進程有一定影響，改變了物料的顆粒級配和粒徑分布，同時提高了礦渣的早期化學(xué)活性，具有助磨和激發(fā)復(fù)合的功能。
礦渣為同性玻璃體，與異性晶體結(jié)構(gòu)的熟料相比，在相同條件下，礦渣難以產(chǎn)生新斷面，助磨劑的解聚和分散作用就得不到充分體現(xiàn)[1]。因此多種高效水泥助磨劑對礦渣粉磨并無顯著效果。
助劑G主體為高分子聚合物，主要成份為某聚硅氧烷混合物，常溫下粘度不大于40厘沲，具有很低的表面張力和較高的表面活性。表面張力穩(wěn)定在20～21mN/m，比其他有機溶劑和水低[4]。按照Griffith公式，材料的斷裂應(yīng)力σ取決于斷裂表面能γ和裂縫長度C。粉磨過程中G吸附在礦渣微裂縫的表面，降低了物料的表面自由能，因而固體的強度降低，變形增加，顆粒軟化，粉碎容易進行。
G有一定的粘性，具有良好的潤滑性，且極易在材料表面鋪展成膜。在粉磨過程中，吸附在固體微粒上，可以改進它和分散介質(zhì)的潤濕。微粒外面包裹的一層分散劑分子吸附膜，使顆粒間相互排斥，減少了剪切摩擦，從而減少了礦渣的粘度，提高其流動性，阻止顆粒與顆粒之間、顆粒與磨礦介質(zhì)及襯板之間的團聚[3]，使礦渣顆粒得到分散。
助劑G還可增強礦渣的活性指數(shù)。分析原因：一方面由于G的助磨作用，使礦渣顆粒均勻，細顆粒含量增多，級配趨于合理，因此水化過程
得以加快。此外，G具有良好的疏水性。從結(jié)構(gòu)來看，G主鏈由極性鍵Si-O組成，但因甲基以σ鍵與硅原子連接，從而增加了自由旋轉(zhuǎn)的空間，而朝外排列的甲基上的氫原子又與水的氫原子相互排斥，是水分子難與親水性的氧接近[4]。因此，當(dāng)它覆蓋于礦渣表面后，使礦渣表面也呈疏水性，即使物料與水之間的表面能γml顯著降低，從而有效地防止了毛細管力引起的粉體團聚。G對礦渣活性的提高還待進一步研究。
3.4 結(jié)論
1 礦渣粉磨過程中摻入助劑可以明顯降低礦渣的細度，但似乎對比表面積影響不大。與硫酸鹽、多元醇胺和元明粉等傳統(tǒng)激發(fā)劑相比，自制助劑G對礦渣細度改善明顯。從激光粒度分析來看，添加G的礦渣顆粒曲線比未添加G的更為均勻，較多顆粒集中在粒徑10μm～40μm的范圍內(nèi)。
2 助劑G，多元醇胺和元明粉均有利于提高礦渣的早中期強度。單體G可以提高礦渣的7d和28d強度4～5MPa；與某硫酸鹽和某鋁酸鹽復(fù)合后效果更好，礦渣的7d活性指數(shù)可提高10%，28d強度15%。
3 G主體為高分子化合物，具有良好的潤滑性，較低的表面張力和較高的表面活性。因此粉磨過程中可以通過吸附在礦渣顆粒表面起到軟化礦渣，防止顆粒團聚作用。
參考文獻：
[1] 王仲春,李德宇.礦渣高細粉磨技術(shù)[J]. 2001, 4:11～15
[2] 王君達, 陸厚根, 田秋玉. 高爐礦渣助磨機理研究. 同濟大學(xué)學(xué)報[J]. 1996,24(6):660-663
[3] 李干佐，房秀敏等. 表面活性劑在能源和選礦工業(yè)中的應(yīng)用[M]. 2002,
[4] 幸松民等. 有機硅合成工藝及產(chǎn)品應(yīng)用[M]. 2000,9: 391～407
