科学研究方法——高活性复合矿粉的研究

复合矿粉的研究方法范晓玲（西南科技大学材料学院四川绵阳621010）摘要：本文讨论了用各种工业废渣制备复合矿粉的应用研究方法，以及复合矿粉相对单种矿物外加剂的性能优点，利用多种矿物外加剂复合能使它们的的优势互补，有助于混凝土各方面性能的提高。

关键词：复合矿粉研究性能0 前言我国是世界上硅酸盐水泥生产大国，同时也是粉煤灰、高炉矿渣等工业废渣排放量最大的国家。

据统计，我国2006年火力发电量为23573亿kw·h[1]，按95%为煤电计，每年约要排放出1200亿吨粉煤灰和灰渣。

这些工业废渣的堆放，不仅占用大量的土地，而且污染大气、土壤和地下水，导致人类居住的环境恶化。

因此我们在推进混凝土材料和工程技术的同时，更应该关注开发研究能有效利用工业废渣、减少硅酸盐水泥熟料生产的技术；关注降低单位混凝土水泥用量，利用工业废渣有效改善混凝土结构性能。

现在有很多研究者发现[2]，除水泥外，一些工业废渣(矿渣粉、粉煤灰、硅灰等)也具有不稳定的结构特征，这些潜在能量的存在表明这些工业废渣具有潜在的活性，可以很好的大量取代混凝土中的大多数水泥，生产出相同或更佳质量的混凝土。

而且，除了单用某一种废渣取代水泥外，将多种不同的矿粉复合化更是新一代矿物外加剂的发展趋势，将多种磨细工业废渣及天然矿物材料复合而制得多元胶凝粉体，利用多元粉体之间的“梯度水化”反应，调控其各组分胶凝反应的进程，充分发挥各组分性能而起到叠加作用。

这样的应用可以减少环境负荷，节约资源，并促进绿色高性能水泥与混凝土的发展，因而成为当前超细粉磨技术与混凝土研究的热点题。

故近年来，对高活性的复合矿粉的研究取得了较大的进展。

用多种不同矿物如粉煤灰—硅粉，粉煤灰—矿渣，或矿渣—硅粉组合等的混合水泥已得到了快速发展，且目前已在很多国家得到了应用[3，4]。

以下我们将讨论研究复合矿粉的各种研究方法。

1复合矿粉的研究方法对复合矿粉的研究方法目前主要有以下几种：（1）建立物理模型来研究复合后的矿粉性能变化；（2）研究复合矿粉的粉末工艺对其颗粒分布的影响；（3）将单一矿粉或复合矿粉取代50%的水泥做胶砂强度实验，然后与纯水泥的胶砂强度作对比，得到活性指数；（4）将复合矿粉应用在混凝土中的结果与纯水泥或纯某种矿粉混凝土对比，观察其对混凝土各方面性能的影响。

1.1建立复合矿粉的物理模型张永娟[5]等人应用点接触物理模型模拟复合胶凝体系，通过数学推导建立二元矿物掺合料复合效应的特征方程，用于定量分析各类复合体系的复合胶凝效应，试验结果表明高钙类低钙类的矿渣煤矸石复合体系、中钙类低钙类的高钙灰低钙灰复合体系的各龄期抗折，砂浆混凝土抗压强度均呈现显著或较显著复合效应；而同类型的低钙类低钙类复合(煤矸石低钙灰复合)回归曲线呈现下凸的抛物线型，表明该复合为弱复合效应。

1.2 复合矿粉的粉磨工艺研究对于复合矿粉的粉磨工艺，有研究表明[6]，多组分物料混合粉磨时由于易磨性的差异通常会相互影响，一种组分可能对另一种组分的粉碎起促进或阻碍作用(这种作用随混合比率及粒径而变化)，从而不可避免地在粉磨过程中发生选择性粉磨现象。

对粉煤灰和矿渣的复合矿粉的粉磨工艺的研究表明[7]多组分矿物外加剂混合粉磨产品的粒度分布较之单一组分矿渣微粉宽，可以改善物料的易磨性，形成较为连续的颗粒级配，从而降低多元胶凝粉体的标准稠度需水量，提高混凝土的坍落度和强度。

而在石灰石和矿渣的混合粉磨过程中[6]，矿渣对石灰石有一定促磨作用，使混合粉磨产物中石灰石颗粒磨得更细，也大部分集中在较小的粒径范围，粉磨产品粒度分布较之单一组分的矿渣微粉要宽，特征粒径要小。

掺入胶凝材料中可形成不同数量级大小的颗粒，从而有更紧密的堆积和填充作用，促进水泥石强度的增进。

这种物理性效应是复合矿物外加剂具有超叠加效应及高性能的另一主要因素。

1.3 复合矿粉的活性研究孙犁[8]等人以矿渣微粉作为基本掺合料与常用的矿物掺合料粉煤灰、低品位石灰石微粉、石膏等进行复合，可以改善矿渣微粉的性能指标，在纯矿渣微粉中掺加10%～30%的废渣，利用合理的粉磨方式，确定恰当的配合比，可以达到或超过纯矿渣微粉的性能指标，特别是活性指数。

当废渣掺量为10%时，无论何种废渣，其强度比（活性指数）和流动度比均超过纯矿渣微粉，且掺粉煤灰的效果最佳，28 d活性指数超过100%。

随着工业废渣掺量的增加（超过20%），所表现的结果不同，掺加石灰石粉进行复合的试样，早期活性明显提高，但后期略有降低，说明石灰石微粉有提高早期强度的作用，后期强度的降低与石灰石的品质（CaO含量）有关。

在掺量相同的条件下，单一废渣没有多种废渣复合的效果好。

当工业废渣掺加量达到30%时，复合矿渣微粉仍达到GB/T 18046—2000国标S95等级要求，即与纯矿渣微粉等级相同，但密度略有降低。

1.4 复合矿粉应用在混凝土中的研究由于利用各种废渣制成的复合矿粉是废渣资源化的生态胶凝材料，属于改性型矿物外加剂范畴，现已作为最经济、最常用的改善混凝土物理力学性能的第六组分，广泛地应用于生产当中。

目前有工程利用矿渣和粉煤灰之间良好的技术耦合性，即充分利用磨细粉煤灰的玻璃球状形貌效应以及火山灰效应、磨细矿渣微粉的填充效应和良好的活性，发挥二者之间的综合功能，配制高性能混凝土，尤其是大体积以及高强混凝土。

大体积混凝土应用范围很广，如混凝土基础、底板、承台、大型箱梁等工程。

但是大体积混凝土因水化热造成的温差裂缝及大体积混凝土的收缩，一直困扰着大体积混凝土的质量。

大掺量矿渣微粉和粉煤灰在碧海尚城大体积底板工程的大体积混凝土浇筑的应用研究表明[9]，用双组分掺和料可大比例的降低水泥用量，由于矿粉粒径较水泥颗粒小，因此可以填充水泥颗粒间空隙，使其更加密实很好的改善新拌混凝土的工作性，矿渣微粉与粉煤灰掺加比例适当时，可充分发挥矿渣微粉与粉煤灰的微集料效应和火山灰效应，结合施工单位采取得当的养护措施，解决了大体积混凝土的水化热和收缩问题。

另在将矿渣和粉煤灰应用到混凝土中的研究表明[7，10，11]，复合粉是一种性能更为优质的微细掺合料。

它克服了单掺矿渣粉容易泌水、体积稳定性较差、碳化比较深的不足，也克服了单掺粉煤灰早期强度较低、中后期强度增长不够、材料品质不稳定的矛盾。

矿粉和粉煤灰双掺使用在掺量相同的情况下，以总量矿粉和粉煤灰各自为例无论是坍落度还是扩展度比单掺都有明显的改善且整体和易性良好。

抗压强度比单修粉煤灰有提高混凝土的抗冻抗渗性能都较好。

这是由于矿粉和粉煤灰双掺充分发挥了二者的“优势互补效应”。

此外，在粉煤灰、矿渣基础上又加入硅灰应用到高强混凝土中的研究结果表明[12]，掺入硅粉后，硅灰颗粒非常细小，呈无定形态，活性很高，在混凝土中掺入硅灰时就有一部分硅灰与水泥水化生成的发生二次反应，到时有大量的硅灰参与反应而粉煤灰的火山灰活性发展缓慢，时在水泥水化产物的碱性激发下并没有参与水化反应，直到才有一部分粉煤灰参与石灰吸收反应对于矿渣由于本身活性较粉煤灰高并且试验所用的矿渣又较细，所以水化速度较快，到时就有相当量的矿渣参与水化反应。

从水化速度看，硅灰水化速度最快，其次为磨细矿渣，粉煤灰水化最慢。

对于三掺而言，在早期硅灰与水泥水化生成的发生反应，形成大量C-S-H，使得浆体结构较为致密，可以弥补由于粉煤灰水化慢造成的早期强度低的缺点到了中期，矿渣大量参与反应，它和硅灰一起促进强度的增长到了后期，粉煤灰开始水化，此时强度的增长主要是由矿渣和粉煤灰共同承担，所以对于三掺混凝土强度在各个龄期均较高。

3结语将多种矿物掺合料复合后应用到水泥混凝土中，由于二者的优势互补和微集料效应能够有助于水泥和混凝土力学，流变性、耐久性等方面性能的提高，能使水泥和混凝土性能更佳。

因此，复合矿粉的研究将利于混凝土质量的提高，更重要的是为我国节能降耗以及废渣利用做出很大的贡献，相信通过广大科研工作者的努力，各种工业废渣在未来将得到更充分的利用，为缓解能源紧缺问题出一份力。

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