常用摻合料的性能測試

1、常用礦物摻合料的性能測試常用礦物摻合料的性能測試主講人：卞立波主講人：卞立波材料工程系材料工程系郵箱：郵箱：礦物摻合料的定義礦物摻合料的作用機理礦物摻合料的分類礦物摻合料的特性礦物摻合料的檢測礦物摻合料的生產(chǎn)礦物摻合料面臨問題本本 章章 內(nèi)內(nèi) 容容一、礦物摻合料的定義一、礦物摻合料的定義定義：礦物摻合料是指在配制混凝土時加入的能改變新拌混凝土和硬化混凝土性能的無機礦物細粉。 國外將這種材料稱為輔助膠凝材料（Supplementary cementitious materials），已成為高性能混凝土不可缺少的第六組分。在礦物摻合料應用技術(shù)規(guī)范( 征求意見稿) 中, 對礦物摻合料的定義是:以硅、

2、鋁、鈣等一種或多種氧化物為主要成分, 摻入混凝土中能改善新拌或硬化混凝土性能的粉體材料, 涉及的礦物摻合料包括了粉煤灰、粒化高爐礦渣粉、鋼渣粉、磷渣粉、硅灰、沸石粉等6種材料。 有關(guān)學者建議礦物摻合料的定義為: 對人體無害的, 在一定范圍內(nèi)取代水泥后能夠配制出工作性能、力學性能和耐久性能符合混凝土要求的粉體材料。二、礦物摻合料的作用機理二、礦物摻合料的作用機理1 1、 形態(tài)效應形態(tài)效應 所謂形態(tài)就是顆粒的表觀特征，有圓球形、橢所謂形態(tài)就是顆粒的表觀特征，有圓球形、橢圓球形、不規(guī)則形、圓球形、不規(guī)則形、光滑光滑形、毛澀形、晶體型。質(zhì)形、毛澀形、晶體型。質(zhì)態(tài)有硬、軟、脆、堅之分。粗糙、軟、脆形態(tài)，

3、化態(tài)有硬、軟、脆、堅之分。粗糙、軟、脆形態(tài)，化學活動性較易，活性指數(shù)高，而需水量較大，影響學活動性較易，活性指數(shù)高，而需水量較大，影響拌合物流動性和硬化物耐久性，總體效應前期好后拌合物流動性和硬化物耐久性，總體效應前期好后期差；粗糙、硬、堅形態(tài)，化學活動性較易，需水期差；粗糙、硬、堅形態(tài)，化學活動性較易，需水量較低，總體效應前、后期均勻，為優(yōu)良形態(tài)。軟量較低，總體效應前、后期均勻，為優(yōu)良形態(tài)。軟、粗糙形態(tài)是活性效應的化學基礎(chǔ)，堅、硬、光、粗糙形態(tài)是活性效應的化學基礎(chǔ)，堅、硬、光、圓形態(tài)是微集料效應的物理基礎(chǔ)。孫氰萍先生說過圓形態(tài)是微集料效應的物理基礎(chǔ)。孫氰萍先生說過：“形態(tài)效應在形態(tài)、活性、微

4、集料三效應中占第形態(tài)效應在形態(tài)、活性、微集料三效應中占第一位一位”。 2 2、 活性效應活性效應 所謂活性就是摻合料顆粒含有較高所謂活性就是摻合料顆粒含有較高SiOSiO2 2 、AlAl2 2O O3 3成分，在水泥中成分，在水泥中CaOCaO的作用下能大量生成的作用下能大量生成CSHCSH和和CAHCAH。表現(xiàn)特征為早期強度高，活性指數(shù)高。表現(xiàn)特征為早期強度高，活性指數(shù)高?；罨钚孕拇笮〔粌H與性效應的大小不僅與化學成分含量化學成分含量有關(guān)，而且還有關(guān)，而且還與與形態(tài)和集料顆粒大小形態(tài)和集料顆粒大小有關(guān)。有關(guān)。3 3、 微集料效應微集料效應 所謂微集料就是摻合料顆粒的大小，從比表所謂微集料

5、就是摻合料顆粒的大小，從比表面積測定值就可預料其效應的好壞，在高強混凝面積測定值就可預料其效應的好壞，在高強混凝土和混凝土的耐久性中起著很大的作用。同樣微土和混凝土的耐久性中起著很大的作用。同樣微集料效應與形態(tài)、活性效應相關(guān)聯(lián)。集料效應與形態(tài)、活性效應相關(guān)聯(lián)。三效應相輔相成，同時又相互制約，所以不同材質(zhì)的摻合料均有其優(yōu)點和缺點，所以揚長避短，是提高摻合料性能的重要技術(shù)課題。三、礦物摻合料的分類三、礦物摻合料的分類1.1.根據(jù)來源分類根據(jù)來源分類類別類別品種品種天然類天然類火山灰、凝灰?guī)r、沸石粉、硅質(zhì)頁巖火山灰、凝灰?guī)r、沸石粉、硅質(zhì)頁巖等等人工類人工類水萃高爐礦渣、煅燒頁巖、偏高嶺土水萃高爐礦渣

6、、煅燒頁巖、偏高嶺土等等工業(yè)廢料類工業(yè)廢料類粉煤灰、硅灰等粉煤灰、硅灰等礦物摻和料的分類礦物摻和料的分類2.2.根據(jù)化學活性根據(jù)化學活性有膠凝性（或稱潛在水硬活性）的，如礦渣、高有膠凝性（或稱潛在水硬活性）的，如礦渣、高鈣灰、固硫渣等鈣灰、固硫渣等有火山灰活性的，如粉煤灰、硅灰、硅藻土等有火山灰活性的，如粉煤灰、硅灰、硅藻土等惰性摻合料，如石灰石粉、石英粉等惰性摻合料，如石灰石粉、石英粉等礦渣（礦渣（Ground granulated blast-furnace slag）CaO：3846SiO2：2642Al2O3：720Fe2O3：0.21MgO：413粉煤灰（粉煤灰（Fly ash）Ca

7、O：27SiO2：4065Al2O3：1540Fe2O3：420硅灰（硅灰（Silica fume）CaO：0.51SiO2：9092Al2O3：0.41Fe2O3：0.32 細度和比表面積約為水泥的80100倍，粉煤灰的5070倍。 火山灰（火山灰（Natural pozzolans）CaO：0.51SiO2：4060Al2O3 +Fe2O3 ：1530 CaO+MgO+R2O：15 燒失量燒失量：10左右左右石英粉（石英粉（ Quartz powder ）四、礦物摻合料的特性四、礦物摻合料的特性經(jīng)濟效益：低廉技術(shù)效益：功能社會效益：環(huán)保以工業(yè)廢渣為主的摻合料在混凝土中的大量應用,首先它意味

8、著混凝土的生產(chǎn)降低了工業(yè)廢渣自身的環(huán)境污染及土地資源浪費其次它減少了膠結(jié)材中水泥的用量而間接地減少了由于生產(chǎn)水泥而導致的能源、資源消耗及環(huán)境污染另外由于它能在一定程度上提高混凝土的性能,延長了混凝土的使用壽命,減少了維護及重建所需的水泥及混凝土用量,也間接地節(jié)約了資源、能源,降低了環(huán)境污染環(huán)保：環(huán)保：綠色產(chǎn)品綠色產(chǎn)品1.對新拌混凝土的影響對新拌混凝土的影響（1）需水量（）需水量（Water Requirements）（2）泌水和離析（）泌水和離析（Bleeding and Segregation） 混凝土在攤鋪混凝土在攤鋪以后凝結(jié)以前，以后凝結(jié)以前，從外觀上看來從外觀上看來在表面出現(xiàn)水在表面出

9、現(xiàn)水分的一種現(xiàn)象。分的一種現(xiàn)象。 混凝土在運輸、混凝土在運輸、振搗、泵送的振搗、泵送的過程中出現(xiàn)粗過程中出現(xiàn)粗骨料下沉，水骨料下沉，水分上浮的現(xiàn)象。分上浮的現(xiàn)象。 描述混凝土泌描述混凝土泌水特性的指標：水特性的指標：泌水量、泌水泌水量、泌水率。率。指粗骨料與細骨料分離。指粗骨料與細骨料分離。 （3）含氣量（）含氣量（Air Content）（4）水化熱（）水化熱（Heat of Hydration）（5）凝結(jié)時間（）凝結(jié)時間（Setting time）（7）可泵性（）可泵性（Pumpability）通常使用礦物摻合料可以改善混凝土的泵送性能。通常使用礦物摻合料可以改善混凝土的泵送性能。 2.對

10、硬化混凝土的影響對硬化混凝土的影響（1）強度（）強度（Strength）（2）抗沖擊性與耐磨性（）抗沖擊性與耐磨性（Impact and Abrasion Resistance） 材料材料抵抗沖擊負抵抗沖擊負荷作用的能荷作用的能力力。（3）抗凍融性（）抗凍融性（Freeze-Thaw Resistance） 材料抵抗多次“凍融循環(huán)”而不疲勞、破、壞的性質(zhì)。 在寒冷氣候條件下，土壤或巖層中凍結(jié)的冰在白天融化，晚上凍結(jié)，或者夏季融化，冬季凍結(jié)。這種融化、凍結(jié)的過程稱為凍融作用。 煅燒頁煅燒頁巖巖水泥水泥礦渣礦渣粉煤粉煤灰灰含碳量！含碳量！（4）干縮和徐變（）干縮和徐變（Drying Shrinka

11、ge and Creep） 當摻量較少時，礦物摻合料對干縮和徐變影響很小，通常沒有實際影響。（粉煤灰-用水量不增加-減少干縮） 即混凝土的干燥收縮。就是混凝土在養(yǎng)護時由于養(yǎng)護不好，造成的其表面缺水而引起收縮，給混凝土工程的帶來了開裂的隱患。 混凝土徐變是指混凝土在應力作用下,其應變隨時間而持續(xù)增長的特性。 （5）滲透性和吸水性（）滲透性和吸水性（Permeability and Absorption） 如果養(yǎng)護充分，通?？蓪⒌突炷恋臐B透性和吸水性。 一種材料在不損壞介質(zhì)構(gòu)造情況下，能使流體通過的能力。 指材料在水中能吸收水分的性質(zhì)。 （6）堿集料反應（）堿集料反應（Alkali-Aggreg

12、ate Reactivity）（7）抗硫酸鹽性（）抗硫酸鹽性（Sulfate Resistance） 采用合理的配合比、材料選擇恰當，礦物摻合料可提高混凝土抗硫酸鹽及海水侵蝕的能力。（8）鋼筋銹蝕（）鋼筋銹蝕（Corrosion of Embedded Steel） 對合理養(yǎng)護的混凝土，礦物摻合料可將低水、空氣和氯離子的滲透過混凝土的能力，從而減少鋼筋的銹蝕。（9）碳化（）碳化（Carbonation） 有報道顯示通常粉煤灰摻量的情況下，較短（標準）濕養(yǎng)護的混凝土（普通摻量）碳化會略微增加，但一般增加程度不大。（10）抗化學侵蝕性（）抗化學侵蝕性（Chemical Resistance） 礦物

13、摻合料通過降低混凝土的滲透性使混凝土抗化學侵蝕性能增加。雖然許多礦物摻合料可提高抗化學侵蝕性，但并不能使混凝土完全免受化學侵蝕。五、礦物摻合料的檢測五、礦物摻合料的檢測維卡法強度法酸堿溶出度法結(jié)構(gòu)分析化學分析相關(guān)標準維卡法是較早測定火山灰活性的方法；該法系測量火山灰質(zhì)材料自氫氧化鈣溶液中吸收石灰的速率；對迅速區(qū)別活性和惰性材料有一定效果；但還不能充分評定火山灰質(zhì)材料的使用價值。維卡法維卡法 強度法是把礦物摻合料以一定量取代水泥或同其它膠凝材料結(jié)合所呈現(xiàn)的強度作為指標來評價礦物摻合料活性的一種方法。 還有學者在強度法的基礎(chǔ)上,經(jīng)過一定的數(shù)學處理,提出了比強度的概念來評價礦物摻合料的活性。 強度法

14、是摻合料效應的綜合體現(xiàn),受實驗所用膠凝材料的影響較大。強度法強度法 酸堿溶出度法是以火山灰質(zhì)材料在酸或堿溶液中或者在先酸后堿溶液中可溶物的組分和含量作為評定火山灰活性的指標。 但是,過去一些企圖找出可溶組分及含量與火山灰質(zhì)材料在石灰或水泥砂漿中的強度發(fā)展間的任何關(guān)系的努力均沒有成功。 酸堿溶出度法酸堿溶出度法 基于礦渣微觀結(jié)構(gòu)與其水硬活性內(nèi)在聯(lián)系的特點。 將礦渣結(jié)構(gòu)分為3個層次,即玻晶比、玻璃相平均離子鍵程度和玻璃相中網(wǎng)絡(luò)形成體的聚合度,并確定了各層次中與活性相關(guān)的表征參數(shù)。 該方法從本質(zhì)上描述了礦渣的潛在膠凝性能,但用結(jié)構(gòu)分析很難確定3個結(jié)構(gòu)參數(shù)對活性影響的定量關(guān)系。結(jié)構(gòu)分析法結(jié)構(gòu)分析法 根

15、據(jù)礦渣中主要氧化物的含量計算出各種系數(shù)來評定礦渣的活性,如質(zhì)量系數(shù)(CaO+MgO+Al2O3)/(SiO2+MnO2+TiO2),水硬性系數(shù)(CaO+ MgO+(Al2O3)/3)/(SiO2+(Al2O3)2/3)等。 盡管化學分析法在特定條件下(如:礦渣的熱歷史差別不大等)可用來粗略評價礦渣的潛在水硬性,但已有許多研究表明,這些系數(shù)與礦渣潛在水硬性間沒有良好的相關(guān)性?；瘜W分析法化學分析法礦物摻合料相關(guān)標準用于水泥和混凝土中的粉煤灰（GB T 1596-2005） 用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉（GB/T 18046-2000）高強高性能混凝土用礦物外加劑（GBT18736-2002）

16、用于水泥混合材的工業(yè)廢渣活性試驗方法（GBT12957-2005）粉煤灰、燒結(jié)或天然的火山灰作為混凝土礦物摻合料的標準(ASTMC61800)煅燒酸處理延長碾磨時間高溫處理化學活化劑提高火山灰活性的方法 礦物摻合料無論用作水泥大摻量混合材還是高性能混凝土細摻料，其基本條件是具備足夠的比表面積)。 通常，水泥混合材比表面積要求350500m2/kg；混凝土細摻料要求420600m2/kg，有的甚至高達800m2/kg以上。 礦渣粉的比表面積及活性指數(shù)六、礦物摻合料的生產(chǎn) 如果將水泥熟料與礦渣在同一臺磨機中混合粉磨，由于礦渣的易磨性比水泥熟料差（約差30），必然產(chǎn)生選擇性粉磨，使成品中兩組分的顆粒

17、分布不同)。 據(jù)資料顯示礦渣水泥中熟料組分比表面積不必超過350350400m400m2 2/kg/kg；礦渣比表面積應達500m500m2 2/kg/kg左右)。 顯然如果混合粉磨，要達到礦渣的適宜比表面積，熟料就會過粉磨而浪費電能；只達到熟料比表面積，則礦渣太粗而不能充分發(fā)揮其潛在水硬性，使礦渣水泥的強度偏低，所以只能分別粉磨。選擇性粉磨選擇性粉磨 假定水泥與礦渣顆粒均為球形，當相互間達到最緊密堆積且礦渣顆粒粒徑最大時，必須滿足下列條件，首先作為骨架的水泥顆粒最密集堆積，其次礦渣顆粒以最大可能的粒徑填充在水泥顆粒構(gòu)成的空隙中。 目前水泥的平均粒徑為2030m，因此礦渣微粉的理論合理粒徑(單

18、個顆粒)為4.44.6m，即礦渣合理比表面積為400600m2/kg。在實際生產(chǎn)中礦渣微粉的顆粒分布為連續(xù)分布，礦渣微粉的比表面積為400600m2/kg時，其平均粒徑為1016m，D50=7一12m。礦渣微粉合理粒徑范圍的確定（一）礦渣（一）礦渣 超細礦渣制備技術(shù)目前主要有立磨生產(chǎn)技術(shù)、輥壓機聯(lián)合粉磨或終粉磨生產(chǎn)技術(shù)、球磨機閉路生產(chǎn)技術(shù)、球磨機開流生產(chǎn)技術(shù)以及振動磨生產(chǎn)技術(shù)。 國際上以立磨和輥壓機終粉磨系統(tǒng)為主。從國內(nèi)實際應用情況來看, 以立磨和球磨兩種生產(chǎn)工藝占大多數(shù)。 采用立磨和閉路磨工藝要特別注意除鐵的問題, 如果聚集在磨床或磨內(nèi)的鐵不能及時除掉, 不僅影響產(chǎn)量, 對設(shè)備的磨損特別大。

19、立磨系統(tǒng)的特點立磨系統(tǒng)的特點 采用料床粉磨, 效率高, 電耗低; 粉磨、選粉、烘干同時在磨體內(nèi)部完成, 系統(tǒng)簡單; 物料在磨機內(nèi)部呈懸浮狀以及粗粉的多次循環(huán), 熱交換充分, 因此烘干能力強。 料床的穩(wěn)定防止震動, 磨盤及磨輥的磨損是立磨進行礦渣粉磨的難點; 另外系統(tǒng)投資較大, 非一般小企業(yè)所能承受的。（上海寶鋼、遼寧鞍剛使用的FL.Smith公司、Polysius公司的OK型立磨、 Loseche公司的萊歇磨）輥壓機粉磨系統(tǒng)的特點輥壓機粉磨系統(tǒng)的特點 效率高, 電耗更低。 相對于立磨, 輥壓機本身不能起烘干作用, 需另設(shè)烘干系統(tǒng)。 輥壓機對礦渣的水分要求比較高, 水分過低, 反而容易產(chǎn)生設(shè)備震

20、動,水分應控制在比較合適的水平。 由于礦渣的磨蝕強, 因此對輥面的耐磨性能要求高, 維護費用較高。（德國KHD公司推出的輥壓機+V型選粉機+高效選粉機超細礦渣粉磨系統(tǒng)）球磨機閉路系統(tǒng)的特點球磨機閉路系統(tǒng)的特點 設(shè)備和工藝成熟可靠； 對物料的適應性較強； 成品細度控制范圍較廣（400500m2/kg比表面積）； 電耗較開路系統(tǒng)低（8090kWh/t左右）； 但系統(tǒng)相對復雜, 要求配置高性能的選粉機, 系統(tǒng)投資適中。球磨機開路系統(tǒng)的特點球磨機開路系統(tǒng)的特點 工藝系統(tǒng)簡單, 操作簡便, 投資低。 但系統(tǒng)效率低, 電耗（ 120kWh/t以上）, 成品溫度高, 成品細度調(diào)整不便（一般只能達到400m2

21、/kg ）。振動磨系統(tǒng)的特點振動磨系統(tǒng)的特點 振動磨系統(tǒng)可以采用開路或閉路工藝； 振動磨在細磨上具有一定的優(yōu)勢。 但是振動磨的單臺生產(chǎn)能力低，且大型化振動磨的開發(fā)未能形成突破，因此限制了規(guī)模化生產(chǎn)； 另外系統(tǒng)的維修費用較高，產(chǎn)品質(zhì)量的控制不方便，導致產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，產(chǎn)品細度調(diào)節(jié)不便。系統(tǒng)立磨系統(tǒng)輥壓機系統(tǒng)球磨機閉路系統(tǒng)球磨機開流系統(tǒng)聯(lián)合終極磨投資（%）12013010010090電耗（%）50-7055-7540-6010012維修（%）11513012010080礦渣各生產(chǎn)工藝技術(shù)經(jīng)濟指標（二）粉煤灰（二）粉煤灰 粉煤灰活性低、質(zhì)量波動大是影響其在水泥混凝土中大摻量應用的二大難題。目前，國內(nèi)

22、外流行的方法是采取分級(氣力或液力)方法，分選后的粉煤灰質(zhì)量較穩(wěn)定。但分選后大量的低等級灰如何高附加值地使用，急需解決；此外，我國還有大量的低等級灰目前尚無好的處理方法。 粉煤灰磨細能有效地提高其活性，改善其質(zhì)量。但目前的粉磨工藝能耗大，成本高。風選灰系統(tǒng)風選灰系統(tǒng)磨細灰系統(tǒng)磨細灰系統(tǒng)立式磨系統(tǒng)立式磨系統(tǒng)粉煤灰立式磨粉機.FLV氣流磨系統(tǒng)氣流磨系統(tǒng)火電廠低等級粉煤灰高效化利用技術(shù)研究國家科技支撐計劃“高性能水泥綠色制造工藝和裝備 氣流磨是目前加工微米級微粉最有效的手段之一。 以壓縮空氣為介質(zhì)的氣流磨(以下簡稱空氣氣流磨)，存在以下兩個問題： 能耗大，成本高； 粉碎力低。蒸汽易得而且價格便宜。

23、蒸汽氣流磨的能量轉(zhuǎn)換形式為：燃料過熱蒸汽的勢能和熱能過熱蒸汽的動能物料顆粒的微細化。 蒸汽工質(zhì)的壓強可以很高，而其成本并不因為壓強的提高而直線上升。 蒸氣氣流磨的粉碎力遠遠高于壓縮空氣。 蒸汽工質(zhì)因為臨界速度高，動能大，過熱蒸汽的動能比空氣高170%。在同一溫度下，過熱蒸汽的粘度比空氣低得多。高的臨界速度又配合有低的粘度。過熱蒸汽氣流磨的優(yōu)點過熱蒸汽氣流磨的優(yōu)點氣流粉碎機工作原理七、礦物摻合料存在問題七、礦物摻合料存在問題 能滿足混凝土要求可直接使用的工業(yè)廢渣所占比例較低。 不同品種、產(chǎn)地的工業(yè)廢渣在化學品質(zhì)、礦物組成、顆粒群分布及有害雜質(zhì)含量等方面均存在較大差異。應用理論研究 性能評價 制備技術(shù)1.礦物摻合料應用的理論研