比表面积和矿物组成对矿粉活性的影响

比表面积和矿物组成对矿粉活性的影响摘要：通过利用勃氏透气仪和X-射线衍射仪（XRD）对矿渣粉试样进行比表 面积及物质成分测试，研究矿粉的比表面积及矿物组成对其活性指数的影响。结 果表明，矿渣粉的活性受比表面积和矿物成分的多重影响，且矿粉中矿物组成对 活性的影响更大。关键词：矿粉；比表面积；矿物组成；活性指数0前言矿渣是工业废弃物，在水泥混凝土中，具有较高的活性，形成胶凝性水化产 物，因此，矿渣粉作为水泥混合材及混凝土的掺合料已得到广泛应用，且国内外 研究学者及相关行业工程师已经进行了广泛而且深入的系统研究。当高活性指数 的矿渣粉取代部分水泥（10%-60%）使用时，不仅可以显著的降低成本，减少资 源和能源消耗，为二氧化碳的减排及我国发展低碳经济做贡献。而且还有助于改 善和增强水泥或混凝土的综合性能（如工作性能、力学性能和耐久性能）1-。2活性指数是用来评价矿渣粉性能最主要的指标之一，GB/T 18046-2017用 于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉对活性指数的含义及测试方法做出 了明确的规定，规定指出可以用抗压对比强度来表征矿粉的活性指数。矿粉的比 表面积，化学成分及结晶状态都会影响矿粉的活性，但很少有系统研究矿粉中物 质成分和比表面积对其活性影响的报道。本文通过勃氏透气仪和X-射线衍射仪分 别对矿渣微粉的比表面积与物质成分进行分析，同时研究它们对矿渣粉活性的影 响。从微观角度分析影响矿粉活性的因素，更能有助于矿粉的细化开发研究。1原材料及试验方案1.1原材料（1）水泥：采用湖南宁乡南方水泥有限公司生产的 P.O 42. 5水泥作为基准 水泥。主要物理性能指标见表 1-1。表1-1 水泥的物理性能凝结时间抗折强度抗压强度标准/min比表/MPa/MPa稠度用水面积/-量/%初终凝凝（m矿渣粉： 未湖南区域各厂家的 S95 级粒化高炉矿渣粉，粒状高炉矿渣 按不同来源进行标号，分别为 KF1KF6。 砂：采用标准砂。 水：采用饮用自来水。1.2测试方法利用勃氏透气仪和X-射线衍射仪分别测试矿渣粉体的比表面积和物质成分。 矿渣粉活性指数依据 GB/T 18046-2017用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉 矿渣粉附录A矿渣粉活性指数、流动度比和初凝时间比的测定方法标准测 定。按GB/T 17671-1999水泥胶砂强度检验方法进行对比胶砂和试验胶砂的 7d, 28d, 56d, 90d胶砂抗压强度试验。比表面积按GB/T 8074-2008标准进行 测试。2试验结果及分析2.1矿渣粉的比表面积分析/kg）3 28dd328dd1226.502 3848.47 9. 2358.1 8 8.5通过勃氏透气仪测定了 6 个矿粉试样的比表面积，其结果见表2-1。表2-1矿渣粉试样比表面积KF-KF-KF-KF-KF-KF试样编口号12345-6S/(m2 kg-409416418405517521)1从表中可以看出，6种不同矿渣粉的比表面积都能够符合S95级矿渣粉的要 求(S2400 m2kg-1)，但是矿渣粉的比表面积却存在差异。不同产地来源的矿 渣粉比表面积波动较大，如KF-1的比表面积达到521 m2 kg-1，为这6种样品中 的最大值。而KF-4和KF-1的比表面积分别只有405 m2 kg-1和409 m2kg-i，为 两个比表面积最小的矿渣粉。对同一品种的高炉矿渣粉磨至不同比表面积的矿粉 其活性指数是不同的，比表面积在43010 m2 kg-1时矿粉活性指数较好，是较 为理想的生产技术指标，当矿粉的比表面积450 m2 kg-1时，其反应较充分，活 性较高；随着比表面积的继续，其活性指数几乎相同，且能耗升高，不是理想的 技术指标，因此KF-5和KF-6的比表面积为最高的两种，但其活性指数不一定是 最高的。矿渣微粉活性与矿渣粉的化学成分、水化初期的激发程度和玻璃体含量 (结构)等相关3。2.2矿渣粉的XRD分析six .匕呂巻1实验中，利用XRD对各矿粉物相进行定性分析，结果如下。二怎 Eq I i * i i ii r i* t ir i* r* ir r i * i5 lU i& JO 3& O *5 MMM ?0 ?5 SO图1：矿渣（KF-1）的XRD图谱图2：矿渣（KF-2） 的 XRD 图谱图3：矿渣（KF-3）的XRD图谱 图4：矿渣（KF-4）的XRD图亠.雷岂上肓日兰亠盅邑AHbE占(KF-5) 的XRD图:矿渣（KF-6 ）的乂只。图谱40 HI S TOJhd7n：r-|iKF-5一邕 一6种不同来源的矿渣粉的XRD图谱如图 16所示。这6种矿渣的X-射线衍射分析结 果表明：矿渣在2 9 =2040时，衍射图 上出现明显的衍射峰包，矿渣的主要为玻璃 相物质，除此之外还有极少量的结晶相。KF-1和KF-2的结晶相主要成分都是二 氧化硅（SiO）, KF-3的结晶相为烧石膏和莫来石，石膏的加入可能是为了提高2矿粉的早期强度，因为石膏具有化学激发作用。莫来石晶相的存在可能是因为企 业在矿渣粉磨的同时加入了少量的粉煤灰，为了提高产量降低电耗。粉煤灰的加 入可以起到助磨作用，其结果是磨机产量有所提高，但矿渣粉的活性却会下降， 具体见2.3节分析。KF-4, KF-5和KF-6中方解石的晶相结构，可能是部分矿渣 粉自身存在水化过程，产生了少量的CaCO。32.3矿渣粉的强度及活性指数分析试验中，参照矿粉活性指数测试方法，分别测试了各样品7d、28d、56和 90d的活性指数，其结果见图7。从表中可以看出，6种不同矿渣粉的活性指数中KF-3的7d和28d的活性指 数较低，不满足标准要求，其他组矿粉的7d和28d的活性指数都能够符合GB/T 18046-2017对S95级矿渣粉的要求。随着龄期的增长，活性指数逐渐增加；在 56d时，活性指数均大于100%。KF-3的比表面积为418 m2 kg-i，该数值大于 KF-1 的 409 m2 kg-1，KF-2 的 416 m2 kg-1和 KF-4 的 405 m2 kg-1，但 KF-3 的活 性指数7d和28d的，却是最低的，且不满足国标要求，而KF-1和KF-2的活性 指数远远超过国标。这是因为KF-3中存在莫来石和烧石膏的存在，降低了矿渣 粉的活性 4。符合国标要求的矿渣粉7d的活性指数也存在差异，KF-6的活性指数7d可以 达到83%,而KF-4和KF-5的活性指数7d仅为71%和70%，刚刚满足GB/T 18046-2017的标准。同样的矿渣粉28d的活性指数波动较大，KF-2的活性指数 28d可以达到107%，而KF-4和KF-5的活性指数28d为95%，同样是刚刚满足标 准要求。其中KF-5的比表面积为517 m2kg-1，但其活性指数却是比较低的。这 可能是因为矿渣粉中化学成分及含量不同引起的。一般理解都是矿渣水泥的抗压 强度（或活性指数）应该随着矿渣粉比表面积的增大而增大，且强度与比表面积 几乎呈线性增长关系 5。这是因为比表面积和细度成正相关，当矿渣粉的细度提 高时水化活性也会随之增大，因此水泥胶砂强度也就越高。但这一理论是基于矿 粉的组成相似时，如果矿粉的物质组成和含量相差较大时，强度就不能只受比表 面积影响。粒化高炉渣是稳定的结晶体和不稳定的玻璃体的复合体，前者是惰性组分， 后者是活性组分，所以可以认为矿粉的主要活性来源是矿渣中的玻璃体。玻璃体 的成分越多，矿渣的活性也就越大。蒲心诚6研究发现矿渣中的玻璃体同时存在着两相状态，即硅相和钙相。硅 相是非连续相，内部的粒子晶体大多数时候呈现出柱状或者球状，较为稳定；钙 相是连续相，具有不稳定性，在碱性条件作用下易与水发生反应。 所以矿粉中 钙相越多，矿粉就越容易与水发生反应7 ，即富钙相是矿渣活性的主要来源 8。 富钙相主要成分为CaO、MgO和A12O3等，富硅相主要成分为Si02,其中富钙 相占多数, 为连续相, 它将非连续的富硅相包裹于其中8。此外，矿粉的活性除了与玻璃体中的钙相有关系外，还与玻璃体自身的结构 有关系。矿粉中的玻璃体含有Ca-O键、Si-O键、MgO和Al-O键。其中Si-O键 比较稳定，这是因为Si-O键以四面体的形式而存在，而Ca-O键，Mg-O和Al-O 键则不太稳定，三者之间的键能关系为：Si-O键Al-O键Mg-OCa-O键。键 能越小，越容易遭到破坏。所以矿粉中含钙量越大，矿粉的活性就越大8。3结论（1）由于钢铁厂的冶炼工艺及其原材料不同，矿渣的质量存在较大的差异。 利用不同质量的矿渣，比表面积近似的矿渣粉，活性指数相差也会很大，有时比 表面积大的矿渣粉，同天数的活性不一定强。（2）矿粉的活性取决于矿粉的比表面积，物相组成，矿渣中玻璃相含量和 玻璃相组成，且成分及含量因素对活性的影响较比表面积的大。参考文献1 JAU W C， TSAY D S. A study of the basic engineeringproperties of slag cement concrete and its resistance to sea water corrosion J. Cement and Concrete Research， 1998， 28 （10）：1 3631 3712 蒋家奋.矿渣微粉在水泥混凝土中应用的概述J.混凝土与水泥制 品,2002（3）： 3-63 万惠文，陈学兵，王兵矿渣成分及结构对潜在活性的影响J.武汉理工大学学报,2009，31（04）：101-1034 张树清，杨全兵，吴学礼等掺石膏对矿渣粉生产和应用的影响J.水泥， 2001 （11）： 6-85 王伟，王文奎，徐兆辉等.矿渣粉比表面积及粒度分布对水泥强度的影响J.中国粉体技术，2011 17 （02）： 80-826 蒲心诚.碱矿渣与水泥混凝土 M.北京:科学出版社,2010:18-21.7 王璐，张士萍，顾明光等矿粉活性激发研究综述J.江苏建材品，2016（4）：17-208 徐彬，蒲心诚.矿渣玻璃体分相结构与矿渣潜在水硬活性本质的关系探 讨 J.硅酸盐学报，1997, 25( 06) :729-733 .作者信息：徐宗望，总工程师，主要从事水泥基材料应用研究，技术质量管 理、骨料，混凝土及水泥制品生产运营管理工作。