矿渣粉磨用助磨剂的试验研究

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(1.中北大学 材料科学与工程学院，山西 太原 030051；2.山西职业技术学院，山西 太原 030006)

引言

矿渣是一种具有良好潜在活性的材料，能显著改善水泥和混凝土的性能，因此广泛用于水泥和混凝土中。有研究表明，当矿渣比表面积>400 m2/kg时，其活性才能充分发挥[1]。由于矿渣是玻璃体结构，它比熟料难磨，一起粉磨时达不到最佳活性，当熟料的比表面积达到400 m2/kg时，矿渣的比表面积一般≯300 m2/kg，因此需要单独粉磨。但单独粉磨矿渣耗电量非常大，是粉磨熟料的2～3倍[2]，导致其难于被磨细。一般可通过两个途径来解决此问题：一是改进设备，但用于矿渣粉磨的磨机价格昂贵，因此有其局限性；二是在粉磨过程中使用助磨剂，助磨剂具有提高粉体细度、改善物化性能、使物料颗粒表面自由能降低、平衡因粉碎而产生的不饱和价键、防止颗粒再度聚结以及降低粉磨电耗的作用，且价格低，因此考虑在矿渣粉磨过程中加入助磨剂以促进粉磨是较理想的措施[3]。

本试验尝试在矿渣单独粉磨过程的不同时间段加入不同种类及掺量的助磨剂，分析其对矿渣粉细度、强度和粒径分布的影响，通过对比找出对矿渣粗、细颗粒助磨效果良好的助磨剂，以期为实际生产提供依据。

1 原材料与试验仪器

1.1 原材料

本试验所用矿渣均由山西智海集团水泥公司提供，密度为2.92 g/cm3。所选助磨剂为：丙三醇、三乙醇胺、硬脂酸钠、硬脂酸、木质素磺酸钠，其中硬脂酸为化学纯，其余均为分析纯。

1.2 试验仪器

本试验所用仪器为：YX-305型水泥原料易磨性试验机；FA2104型电子分析天平；FBT-5型全自动比表面积测定仪；FYS-150型水泥细度负压筛析仪；101-型电热鼓风干燥箱；BT-1500型粒度分析仪；TZA-300型电液式抗折抗压试验机。

2 试验方法

2.1 助磨剂浓度和掺量的确定

参考文献[1]，确定试验所用5种助磨剂的浓度均为30%，各助磨剂的掺量见表1。

表1 矿渣助磨剂掺量 %

2.2 矿渣30 min粉磨试验

取1 kg矿渣5份，每份均匀地掺入1种助磨剂，然后置于Ф 500 mm×500 mm试验小磨粉磨30 min，取出后观察试验现象，称量，密封保存。并磨1份等量的不掺加助磨剂的空白样做对比。

2.3 矿渣70 min粉磨试验

先将1 kg矿渣置于小磨内，粉磨30 min，停磨，加入助磨剂，继续粉磨40 min，停磨后取料，观察试验现象，称量，密封保存。每种助磨剂试验1次。并另取1份矿渣直接磨70 min作为对比空白样。

3 试验结果及分析

3.1 筛余百分数

采用Ф 500 mm×500 mm试验小磨粉磨的不同矿渣粉的筛余百分数见表2。

表2 不同矿渣粉的筛余百分数 %

由表2可以看出，粉磨30 min时，所选助磨剂皆使筛余大幅度增加，可见助磨剂在粉磨早期对降低矿渣筛余并无效果。粉磨70 min时，在降低矿渣细颗粒筛余方面，以硬脂酸的效果最好，80 μm筛余降为0，而45 μm筛余由4.4%降至0.8%，硬脂酸对45 μm以上粒径的颗粒作用效果明显；而硬脂酸钠则对80 μm以上粒径的颗粒有良好的作用效果，三乙醇胺和木质素磺酸钠的作用效果与硬脂酸钠相似，丙三醇也有良好的降低筛余作用。

3.2 比表面积

不同矿渣粉的比表面积见表3。

表3 矿渣粉比表面积 m2/kg

由表3可以看出，粉磨30 min时，除丙三醇之外，其他助磨剂均不同程度地使矿渣粉的比表面积减小。而粉磨70 min时，丙三醇使颗粒的比表面积大幅度增加；硬脂酸钠则使颗粒的比表面积大幅度降低；三乙醇胺、硬脂酸、木质素磺酸钠对粉体比表面积的影响不大。可见，在这几种助磨剂中，丙三醇对提高矿渣粉的比表面积效果最佳。

3.3 抗压强度

分别取粉磨30 min、粉磨70 min的矿渣粉90 g，与100 g普通硅酸盐水泥和10 g石膏均匀混合配制成矿渣水泥。然后加入70 g水，迅速搅拌2 min，立即装模，置于标准养护箱内养护，24 h后脱模，测定水泥3 d和7 d抗压强度，结果见图1和图2。

由图1和图2可以看出，粉磨30 min时，对于3 d抗压强度，掺丙三醇粉磨的矿渣粉配制的矿渣水泥与不掺助磨剂的矿渣水泥强度接近，而掺其他助磨剂粉磨的矿渣粉配制的矿渣水泥强度均有较大幅度的降低；对于7 d抗压强度，掺三乙醇胺粉磨的矿渣粉配制的矿渣水泥与不掺助磨剂的矿渣水泥强度接近，掺丙三醇粉磨的矿渣粉配制的矿渣水泥强度提高，掺其他助磨剂粉磨的矿渣粉配制的水泥强度则大幅度下降。与空白样相比，粉磨70 min的矿渣，对于3 d强度，掺丙三醇、三乙醇胺、木质素磺酸钠粉磨的矿渣粉配制的矿渣水泥强度稍有降低，掺硬脂酸、硬脂酸钠粉磨的矿渣粉配制的矿渣水泥强度降幅较大；对于7 d强度，掺丙三醇粉磨的矿渣粉配制的矿渣水泥强度有较大幅度增长，掺硬脂酸、硬脂酸钠粉磨的矿渣粉配制的矿渣水泥强度则增幅不大，掺三乙醇胺、木质素磺酸钠粉磨的矿渣粉配制的矿渣水泥强度有所降低，但降幅远小于同样掺量下粉磨30 min的矿渣水泥。

3.4 粒径分布

将掺助磨剂粉磨的矿渣粉粒径分布与空白样做对比，得到各样品粒径分布相对于空白样的变化情况，见图3和图4。

由图3和图4可以看出，粉磨30 min时，5种助磨剂主要使得60～140 μm的颗粒大幅度增加，即提高了大颗粒的含量。粉磨70 min时，硬脂酸、硬脂酸钠、三乙醇胺均大幅度增加了对强度起主要作用的3～32 μm颗粒，但实际强度并没有太大变化，且掺三乙醇胺的矿渣强度还有所降低。因此可以认为，硬脂酸、硬脂酸钠、三乙醇胺对矿渣的粉磨机理仅表现为一种表面活性剂，即吸附于矿渣颗粒表层，使物料之间不再互相粘结；同时也吸附于物料颗粒裂缝间，促进了外力做功时颗粒裂缝的扩展。

图3 粉磨30 min矿渣粉的粒径分布变化

图4 粉磨70 min矿渣粉的粒径分布变化

4 结论

4.1 所选用的5种助磨剂，在粉磨早期对矿渣颗粒粒径的改变并无明显作用，主要以改变颗粒的形态及表面活性为主，后期则主要对粒度起作用，部分助磨剂大幅度增加了3～32 μm颗粒所占比例。

4.2 综合比较5种助磨剂对矿渣粉筛余、比表面积、强度和粒度分布的影响，丙三醇对矿渣粗颗粒的助磨效果较好，提高了所配制的矿渣水泥的早期强度；硬脂酸对矿渣细颗粒的助磨效果较好，降低了45 μm和80 μm筛余量，改善了颗粒级配。

参考文献：

[1] 杨文玲.几种有机物及其同系物做矿渣助磨剂的试验研究[D].洛阳：河南科技大学，2010.

[2] 胡东杰，李占平.矿渣助磨剂的研究及应用[J].中国水泥，2007(4)：55-57.

[3] 蔡永太.磨细矿粉改性及其助磨剂试验研究[J].混凝土，2006(2)：47-48，56.