提高矿渣水泥早期强度的试验研究

王福军 孙 博 齐 继 修启迪 常义杰

(1:吉林建筑工程学院材料科学与工程学院，长春 130118;2:长春市市政工程设计研究院，长春 130021)

0 引言

矿渣水泥是在硅酸盐水泥熟料中加入部分的粒化高炉矿渣后，再加入适量的石膏共同磨细而形成的.其性能上很多方面都优于硅酸盐水泥.但唯有一点不足就是早期强度低.众所周知，石灰石是生产水泥的一种重要组分材料，但以混合材料的形式在普通硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥生产中的应用已有很长的历史［1］.大量实践证明，石灰石作为水泥混合材料不影响水泥所应有的性能.但长期以来，人们一直把它当作填充作用的非活性组份而应用.据有关资料证明，在水泥中有少量的石灰石组份存在，能提高矿渣水泥的早期强度，但石灰石属非活性混合材，按国标规定掺加量不能超过水泥重量的10%，可采用双掺法，即掺10%以下的石灰石作混合材，同时掺适量的矿渣来生产矿渣硅酸盐水泥.

1 掺入石灰石提高水泥强度的机理

水泥与水拌和后，立即发生化学反应，水泥的各个组份开始溶解.经过一极短瞬间，填充在颗粒之间的液相已不再是纯水，而是含有各种离子的溶液，主要为:硅酸钙→Ca2+，OH-铝酸钙→Ca2+，AL(OH)4-硫酸钙→Ca2+，S碱的硫酸盐→K+，Na+，S［2］.

以上是未掺石灰石的水泥水化时液相之中含有的各种离子，而掺有石灰石的水泥在水化时，除以上离子外，还应有:碳酸钙→Ca2+，C-.

由于C3S水化并迅速溶出Ca(OH)2，生产水泥时所掺入起缓凝作用的石膏也很快溶解于水，特别是在水泥粉磨时，部分二水石膏可能脱水成半水石膏或可溶性硬石膏，其溶解速率更大.熟料中的碱溶解也快，70%～80%的K2SO4可以在几分钟内溶出.因此，水泥的水化作用在开始后，基本上是在含碱氢氧化钙、硫酸钙的饱合溶液中进行的［3］.而掺有石灰石的水泥在水化时，CaCO3一部分与水泥中铝酸盐、铁铝酸盐组份发生化学反应，而有一部分则仍以碳酸钙的形式保留其中，因此，此水泥水化时，基本上是在含碱的氢氧化钙、硫酸钙、碳酸钙的饱和溶液中进行.

根据目前的水化理论，掺石灰石的矿渣硅酸盐水泥的水化产物主要有:①氢氧化钙六方板状晶体;②水化铝(铁)酸钙固溶体;③水化硫铝(铁)酸钙固溶体;④水化碳铝酸钙;⑤水化硅酸钙主要是钙硅(C∕S)比=1.5―1.8纤维状微晶体［4］.

硬化水泥浆体是水化产物中多种形貌的水化硅酸钙(C—S—H)，夹杂六板状的氢氧化钙(Ca(OH)2)和针状的钙矾石(C3A，3CaSO4·H2O)及水化碳铝酸钙(C3A，3CaCO3·32H2O)，单硫型水化硫铝酸钙(C3A，3CaSO4·12H2O)、单碳型水化碳铝酸钙(C3A，CaCO3·11H2O)等晶体交织在一起而构成，它们密集连生交叉结合，又受到颗粒间的范德华力或化学键的影响，成为由无数晶体编织而成的毛毡而产生强度［5］.

从浆体组成看，C—S—H在强度发展中起着最主要的作用.而钙矾石和单硫型水化硫铝酸钙及水化碳铝酸钙对强度的贡献主要在早期［6］，而后期作用不太明显.这同有关试验相符.另外，还有部分石灰石，以CaCO3的形式存在于水泥浆体中.在水化过程中起微集料的作用，能分散熟料颗粒，促使早期加速水化，形成水化硅酸钙，因而也促进了水泥早期强度的增长.

2 试验原材料及试验方法

2.1 试验原材料

试验过程中所用的熟料、矿渣、石膏及石灰石均为亚泰集团生产矿渣水泥时所用的材料，其化学成分见表1.

表1 试验用各种原材料化学组成 (%)

2.2 试验方法

试验根据石灰石0，3，5，8的替代量共制10组式样，其细度按0.08 mm方孔筛筛余量来衡量，控制在5 %左右.同时，实验中还要监测石灰石的烧失量及氧化铝的总含量.水泥净浆凝结时间试验，按JC477—2005的试验方法进行;水泥胶砂强度试验，按JC477—2005的试验方法进行，并测定7 d，28 d的抗压强度和抗折强度.

3 试验结果与分析

对已确定的10组试样进行物理性能检验，其检验结果见表2.

从表2数据可以看出，掺部分石灰石以后，其品质指标符合国标GB1344—85之规定，初凝时间较不掺石灰石略有延长，终凝时间略有缩短，7 d，28 d的抗折、抗压强度都有较大程度的提高.

为了更加直观地分析掺入部分石灰石后，抗折、抗压强度提高的幅度，我们又给出了试样强度比值百分数(见表3).

表2 已确定10组试样物理性能检验

表3 试样强度比值百分数

表中数据说明:在矿渣水泥中掺入部分石灰石后，7 d，28 d的抗折强度可分别提高5%，10%;7 d，28 d的抗压强度可分别提高16%，1%.从试验的综合结果来看，石灰石的最佳掺量为3%.

4 结论

(1)以石灰石代替部分混合材、石膏，改善水泥性能，提高早期强度在技术上是可行的，生产工艺也非常简单，但在配料工艺上应单设计量设备，以保证石灰石掺入量的比例准确;

(2)对石灰石的化学成分应控制AI2O3小于2.5%，其他成分可不做要求;

(3)因石灰石的烧失量较大，应增加出磨水泥的烧失量检验，以保证出厂水泥的烧失量符合国家标准要求;

(4)由于对石灰石的质量要求较宽，所以为一些不便于生料配料用的高硅低钙石灰石的使用找到了一条出路，扩大了石灰石资源使用范围;

(5)此试验研究的成功，为施工单位缩短工期，加速模板的周转速度，降低施工费用及保证工程质量提供了强有力的支持.

［1］陈剑雄，李鸿芳，陈寒斌.掺超细石灰石粉和铁矿渣粉超高强混凝土研究［J］.建筑材料学报，2005，12:672-676.

［2］沈 威.水泥工艺学［M］.武汉:武汉理工大学出版社，2005:106-109.

［3］同济大学材料工程研究所.不同品质熟料与辅助性胶凝材料的复合特性及其对浆体早期结构与性能的影响［R］.973项目研究报告，2010.

［4］王复生.现代水泥生产基本知识［M］.北京:中国建材工业出版社，2004:201-204.

［5］I.B.Celik.The effects of particle size distribution and surface areaupon cement strength development［J］.Powder Technology，2009，188(3): 272-276.

［6］AE.谢依金著.水泥混凝土的结构与性能［M］.胡春芝，袁晓敏译.北京:中国建筑工业出版社，1984:234-246.