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
Research on the New Composite Multifunctional Aids of Slag
Abstract: Basing on the structure and grinding characteristic of slag, one polysiloxane was chosen as the main element of an non-alkali aid for activation and grinding of slag. Comparing with some effective aids, triethanolamine, ferric sulfate, sodium aluminate and sodium sulfate, the aid can obviously improve the fineness and size distribution of slag and also stimulate the slag activity, which contributed to the early compressive strength of the slag cements. The results were even better when that polysiloxane aid compounding with ferric sulfate or sodium aluminate respectively, which can increase the compressive strength of slag by 3～5MPa at 7d age as well as by 5～8MPa at 28 age.
Key words: grinding aids; fineness; size distribution; activity index
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，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(biāo)準(zhǔn)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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)。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。
