常用掺合料的性能测试.ppt

常用矿物掺合料的性能测试常用矿物掺合料的性能测试主讲人：卞立波主讲人：卞立波材料工程系材料工程系邮箱：邮箱：1矿物掺合料的定义2矿物掺合料的作用机理3矿物掺合料的分类4矿物掺合料的特性5矿物掺合料的检测6矿物掺合料的生产7矿物掺合料面临问题本本 章章 内内 容容一、矿物掺合料的定义一、矿物掺合料的定义定义：矿物掺合料是指在配制混凝土时加入的能改变新拌混凝土和硬化混凝土性能的无机矿物细粉。国外将这种材料称为辅助胶凝材料（Supplementary cementitious materials），已成为高性能混凝土不可缺少的第六组分。在矿物掺合料应用技术规范(征求意见稿)中,对矿物掺合料的定义是:以硅、铝、钙等一种或多种氧化物为主要成分,掺入混凝土中能改善新拌或硬化混凝土性能的粉体材料,涉及的矿物掺合料包括了粉煤灰、粒化高炉矿渣粉、钢渣粉、磷渣粉、硅灰、沸石粉等6种材料。有关学者建议矿物掺合料的定义为:对人体无害的,在一定范围内取代水泥后能够配制出工作性能、力学性能和耐久性能符合混凝土要求的粉体材料。二、矿物掺合料的作用机理二、矿物掺合料的作用机理1 1、形形态态效效应应 所所谓谓形形态态就是就是颗颗粒的表粒的表观观特征，有特征，有圆圆球形、球形、椭椭圆圆球形、不球形、不规则规则形、形、光滑光滑形、毛形、毛涩涩形、晶体型。形、晶体型。质质态态有硬、有硬、软软、脆、脆、坚坚之分。粗糙、之分。粗糙、软软、脆形、脆形态态，化，化学活学活动动性性较较易，活性指数高，而需水量易，活性指数高，而需水量较较大，影响大，影响拌合物流拌合物流动动性和硬化物耐久性，性和硬化物耐久性，总总体效体效应应前期好后前期好后期差；粗糙、硬、期差；粗糙、硬、坚坚形形态态，化学活，化学活动动性性较较易，需水易，需水量量较较低，低，总总体效体效应应前、后期均匀，前、后期均匀，为优为优良形良形态态。软软、粗糙形粗糙形态态是活性效是活性效应应的化学基的化学基础础，坚坚、硬、光、硬、光、圆圆形形态态是微集料效是微集料效应应的物理基的物理基础础。孙氰孙氰萍先生萍先生说过说过：“形形态态效效应应在形在形态态、活性、微集料三效、活性、微集料三效应应中占第一中占第一位位”。2 2、活性效活性效应 所所谓活性就是活性就是掺合料合料颗粒含有粒含有较高高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。表表现特征特征为早期早期强度高，活性指数高。度高，活性指数高。活活性效性效应的大小不的大小不仅与与化学成分含量化学成分含量有关，而且有关，而且还与与形形态和集料和集料颗粒大小粒大小有关。有关。3 3、微集料效微集料效应应 所所谓谓微集料就是微集料就是掺掺合料合料颗颗粒的大小，从比表粒的大小，从比表面面积测积测定定值值就可就可预预料其效料其效应应的好坏，在高的好坏，在高强强混凝混凝土和混凝土的耐久性中起着很大的作用。同土和混凝土的耐久性中起着很大的作用。同样样微微集料效集料效应应与形与形态态、活性效、活性效应应相关相关联联。三效应相辅相成，同时又相互制约，所以不同材质的掺合料均有其优点和缺点，所以扬长避短，是提高掺合料性能的重要技术课题。三、矿物掺合料的分类三、矿物掺合料的分类1.1.根据来源分根据来源分类类别类别品种品种天然类天然类火山灰、凝灰岩、沸石粉、硅质页岩等火山灰、凝灰岩、沸石粉、硅质页岩等人工类人工类水萃高炉矿渣、煅烧页岩、偏高岭土等水萃高炉矿渣、煅烧页岩、偏高岭土等工业废料类工业废料类粉煤灰、硅灰等粉煤灰、硅灰等矿物物掺和料的分和料的分类2.2.根据化学活性根据化学活性有胶凝性（或称潜在水硬活性）的，如有胶凝性（或称潜在水硬活性）的，如矿渣、高渣、高钙灰、固硫渣等灰、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、硅藻土等惰性惰性掺合料，如石灰石粉、石英粉等合料，如石灰石粉、石英粉等矿渣（矿渣（Ground granulated blast-furnace slag）CaO：3846SiO2：2642Al2O3：720Fe2O3：0.21MgO：413粉煤灰（粉煤灰（Fly ash）CaO：27SiO2：4065Al2O3：1540Fe2O3：420硅灰（硅灰（Silica fume）CaO：0.51SiO2：9092Al2O3：0.41Fe2O3：0.32 细度和比表面积约为水泥的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 烧失量失量：10左右左右石英粉（石英粉（Quartz powder）四、矿物掺合料的特性四、矿物掺合料的特性经济效益：低廉技术效益：功能社会效益：环保以工业废渣为主的掺合料在混凝土中的大量应用,首先它意味着混凝土的生产降低了工业废渣自身的环境污染及土地资源浪费其次它减少了胶结材中水泥的用量而间接地减少了由于生产水泥而导致的能源、资源消耗及环境污染另外由于它能在一定程度上提高混凝土的性能,延长了混凝土的使用寿命,减少了维护及重建所需的水泥及混凝土用量,也间接地节约了资源、能源,降低了环境污染环保：环保：绿色产品绿色产品1.对新拌混凝土的影响对新拌混凝土的影响（1）需水量（）需水量（Water Requirements）（2）泌水和离析（）泌水和离析（Bleeding and Segregation）混凝土在混凝土在摊铺以后凝以后凝结以前，以前，从外从外观上看来上看来在表面出在表面出现水水分的一种分的一种现象。象。混凝土在运混凝土在运输、振振捣、泵送的送的过程中出程中出现粗粗骨料下沉，水骨料下沉，水分上浮的分上浮的现象。象。描述混凝土泌描述混凝土泌水特性的指水特性的指标：泌水量、泌水泌水量、泌水率。率。指粗骨料与细骨料分离。指粗骨料与细骨料分离。（3）含气量（）含气量（Air Content）（4）水化热（）水化热（Heat of Hydration）（5）凝结时间（）凝结时间（Setting time）（7）可泵性（）可泵性（Pumpability）通常使用矿物掺合料可以改善混凝土的泵送性能。通常使用矿物掺合料可以改善混凝土的泵送性能。2.对硬化混凝土的影响对硬化混凝土的影响（1）强度（）强度（Strength）（2）抗冲击性与耐磨性（）抗冲击性与耐磨性（Impact and Abrasion Resistance）材料抵材料抵抗冲击负荷抗冲击负荷作用的能力作用的能力。（3）抗冻融性（）抗冻融性（Freeze-Thaw Resistance）材料抵抗多次“冻融循环”而不疲劳、破、坏的性质。在寒冷气候条件下，土壤或岩层中冻结的冰在白天融化，晚上冻结，或者夏季融化，冬季冻结。这种融化、冻结的过程称为冻融作用。煅煅烧烧页页岩岩水水泥泥矿矿渣渣粉粉煤煤灰灰含碳量！含碳量！（4）干缩和徐变（）干缩和徐变（Drying Shrinkage and Creep）当掺量较少时，矿物掺合料对干缩和徐变影响很小，通常没有实际影响。（粉煤灰-用水量不增加-减少干缩）即混凝土的干燥收缩。就是混凝土在养护时由于养护不好，造成的其表面缺水而引起收缩，给混凝土工程的带来了开裂的隐患。混凝土徐变是指混凝土在应力作用下,其应变随时间而持续增长的特性。（5）渗透性和吸水性（）渗透性和吸水性（Permeability and Absorption）如果养护充分，通常可将低混凝土的渗透性和吸水性。一种材料在不损坏介质构造情况下，能使流体通过的能力。指材料在水中能吸收水分的性质。（6）碱集料反应（）碱集料反应（Alkali-Aggregate Reactivity）（7）抗硫酸盐性（）抗硫酸盐性（Sulfate Resistance）采用合理的配合比、材料选择恰当，矿物掺合料可提高混凝土抗硫酸盐及海水侵蚀的能力。（8）钢筋锈蚀（）钢筋锈蚀（Corrosion of Embedded Steel）对合理养护的混凝土，矿物掺合料可将低水、空气和氯离子的渗透过混凝土的能力，从而减少钢筋的锈蚀。（9）碳化（）碳化（Carbonation）有报道显示通常粉煤灰掺量的情况下，较短（标准）湿养护的混凝土（普通掺量）碳化会略微增加，但一般增加程度不大。（10）抗化学侵蚀性（）抗化学侵蚀性（Chemical Resistance）矿物掺合料通过降低混凝土的渗透性使混凝土抗化学侵蚀性能增加。虽然许多矿物掺合料可提高抗化学侵蚀性，但并不能使混凝土完全免受化学侵蚀。五、矿物掺合料的检测五、矿物掺合料的检测维卡法强度法酸碱溶出度法结构分析化学分析相关标准维卡法是较早测定火山灰活性的方法；该法系测量火山灰质材料自氢氧化钙溶液中吸收石灰的速率；对迅速区别活性和惰性材料有一定效果；但还不能充分评定火山灰质材料的使用价值。维卡法维卡法 强度法是把矿物掺合料以一定量取代水泥或同其它胶凝材料结合所呈现的强度作为指标来评价矿物掺合料活性的一种方法。还有学者在强度法的基础上,经过一定的数学处理,提出了比强度的概念来评价矿物掺合料的活性。强度法是掺合料效应的综合体现,受实验所用胶凝材料的影响较大。强度法强度法 酸碱溶出度法是以火山灰质材料在酸或碱溶液中或者在先酸后碱溶液中可溶物的组分和含量作为评定火山灰活性的指标。但是,过去一些企图找出可溶组分及含量与火山灰质材料在石灰或水泥砂浆中的强度发展间的任何关系的努力均没有成功。酸碱溶出度法酸碱溶出度法 基于矿渣微观结构与其水硬活性内在联系的特点。将矿渣结构分为3个层次,即玻晶比、玻璃相平均离子键程度和玻璃相中网络形成体的聚合度,并确定了各层次中与活性相关的表征参数。该方法从本质上描述了矿渣的潜在胶凝性能,但用结构分析很难确定3个结构参数对活性影响的定量关系。结构分析法结构分析法 根据矿渣中主要氧化物的含量计算出各种系数来评定矿渣的活性,如质量系数(CaO+MgO+Al2O3)/(SiO2+MnO2+TiO2),水硬性系数(CaO+MgO+(Al2O3)/3)/(SiO2+(Al2O3)2/3)等。尽管化学分析法在特定条件下(如:矿渣的热历史差别不大等)可用来粗略评价矿渣的潜在水硬性,但已有许多研究表明,这些系数与矿渣潜在水硬性间没有良好的相关性。化学分析法化学分析法矿物掺合料相关标准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炉矿渣粉（GB/T 18046-2000）高强高性能混凝土用矿物外加剂（GBT18736-2002）用于水泥混合材的工业废渣活性试验方法（GBT12957-2005）粉煤灰、烧结或天然的火山灰作为混凝土矿物掺合料的标准(ASTMC61800)煅烧酸处理延长碾磨时间高温处理化学活化剂提高火山灰活性的方法 矿物掺合料无论用作水泥大掺量混合材还是高性能混凝土细掺料，其基本条件是具备足够的比表面积)。通常，水泥混合材比表面积要求350500m2/kg；混凝土细掺料要求420600m2/kg，有的甚至高达800m2/kg以上。矿渣粉的比表面积及活性指数六、矿物掺合料的生产 如果将水泥熟料与矿渣在同一台磨机中混合粉磨，由于矿渣的易磨性比水泥熟料差（约差30），必然产生选择性粉磨，使成品中两组分的颗粒分布不同)。据资料显示矿渣水泥中熟料组分比表面积不必超过350350400m400m2 2/kg/kg；矿渣比表面积应达500m500m2 2/kg/kg左右)。显然如果混合粉磨，要达到矿渣的适宜比表面积，熟料就会过粉磨而浪费电能；只达到熟料比表面积，则矿渣太粗而不能充分发挥其潜在水硬性，使矿渣水泥的强度偏低，所以只能分别粉磨。选择性粉磨选择性粉磨 假定水泥与矿渣颗粒均为球形，当相互间达到最紧密堆积且矿渣颗粒粒径最大时，必须满足下列条件，首先作为骨架的水泥颗粒最密集堆积，其次矿渣颗粒以最大可能的粒径填充在水泥颗粒构成的空隙中。目前水泥的平均粒径为2030m，因此矿渣微粉的理论合理粒径(单个颗粒)为4.44.6m，即矿渣合理比表面积为400600m2/kg。在实际生产中矿渣微粉的颗粒分布为连续分布，矿渣微粉的比表面积为400600m2/kg时，其平均粒径为1016m，D50=7一12m。矿渣微粉合理粒径范围的确定（一）矿渣（一）矿渣 超细矿渣制备技术目前主要有立磨生产技术、辊压机联合粉磨或终粉磨生产技术、球磨机闭路生产技术、球磨机开流生产技术以及振动磨生产技术。国际上以立磨和辊压机终粉磨系统为主。从国内实际应用情况来看,以立磨和球磨两种生产工艺占大多数。采用立磨和闭路磨工艺要特别注意除铁的问题,如果聚集在磨床或磨内的铁不能及时除掉,不仅影响产量,对设备的磨损特别大。立磨系统的特点立磨系统的特点采用料床粉磨,效率高,电耗低;粉磨、选粉、烘干同时在磨体内部完成,系统简单;物料在磨机内部呈悬浮状以及粗粉的多次循环,热交换充分,因此烘干能力强。料床的稳定防止震动,磨盘及磨辊的磨损是立磨进行矿渣粉磨的难点;另外系统投资较大,非一般小企业所能承受的。（上海宝钢、辽宁鞍刚使用的FL.Smith公司、Polysius公司的OK型立磨、Loseche公司的莱歇磨）辊压机粉磨系统的特点辊压机粉磨系统的特点效率高,电耗更低。相对于立磨,辊压机本身不能起烘干作用,需另设烘干系统。辊压机对矿渣的水分要求比较高,水分过低,反而容易产生设备震动,水分应控制在比较合适的水平。由于矿渣的磨蚀强,因此对辊面的耐磨性能要求高,维护费用较高。（德国KHD公司推出的辊压机+V型选粉机+高效选粉机超细矿渣粉磨系统）球磨机闭路系统的特点球磨机闭路系统的特点设备和工艺成熟可靠；对物料的适应性较强；成品细度控制范围较广（400500m2/kg比表面积）；电耗较开路系统低（8090kWh/t左右）；但系统相对复杂,要求配置高性能的选粉机,系统投资适中。球磨机开路系统的特点球磨机开路系统的特点工艺系统简单,操作简便,投资低。但系统效率低,电耗（120kWh/t以上）,成品温度高,成品细度调整不便（一般只能达到400m2/kg）。振动磨系统的特点振动磨系统的特点振动磨系统可以采用开路或闭路工艺；振动磨在细磨上具有一定的优势。但是振动磨的单台生产能力低，且大型化振动磨的开发未能形成突破，因此限制了规模化生产；另外系统的维修费用较高，产品质量的控制不方便，导致产品质量不稳定，产品细度调节不便。系统立磨系统辊压机系统球磨机闭路系统球磨机开流系统联合终极磨投资（%）12013010010090电耗（%）50-7055-7540-6010012维修（%）11513012010080矿渣各生产工艺技术经济指标（二）粉煤灰（二）粉煤灰 粉煤灰活性低、质量波动大是影响其在水泥混凝土中大掺量应用的二大难题。目前，国内外流行的方法是采取分级(气力或液力)方法，分选后的粉煤灰质量较稳定。但分选后大量的低等级灰如何高附加值地使用，急需解决；此外，我国还有大量的低等级灰目前尚无好的处理方法。粉煤灰磨细能有效地提高其活性，改善其质量。但目前的粉磨工艺能耗大，成本高。风选灰系统风选灰系统磨细灰系统磨细灰系统立式磨系统立式磨系统粉煤灰立式磨粉机.FLV气流磨系统气流磨系统火电厂低等级粉煤灰高效化利用技术研究国家科技支撑计划“高性能水泥绿色制造工艺和装备 气流磨是目前加工微米级微粉最有效的手段之一。以压缩空气为介质的气流磨(以下简称空气气流磨)，存在以下两个问题：能耗大，成本高；粉碎力低。蒸汽易得而且价格便宜。蒸汽气流磨的能量转换形式为：燃料过热蒸汽的势能和热能过热蒸汽的动能物料颗粒的微细化。蒸汽工质的压强可以很高，而其成本并不因为压强的提高而直线上升。蒸气气流磨的粉碎力远远高于压缩空气。蒸汽工质因为临界速度高，动能大，过热蒸汽的动能比空气高170%。在同一温度下，过热蒸汽的粘度比空气低得多。高的临界速度又配合有低的粘度。过热蒸汽气流磨的优点过热蒸汽气流磨的优点气流粉碎机工作原理七、矿物掺合料存在问题七、矿物掺合料存在问题 能满足混凝土要求可直接使用的工业废渣所占比例较低。不同品种、产地的工业废渣在化学品质、矿物组成、颗粒群分布及有害杂质含量等方面均存在较大差异。应用理论研究 性能评价 制备技术1.矿物掺合料应用的理论研究矿物掺合料应用的理论研究 目前,虽然对矿物掺合料进行了大量的研究,但总体深度不够,研究缺乏一定的系统性与整体性,其制备和应用缺乏系统的理论指导,实际使用还存在较多问题：（1）高活性的硅灰加剧混凝土的收缩,并对混凝土的工作性有不利影响（2）粉煤灰和矿渣使混凝土早期力学性能下降较明显（3）矿物掺合料与外加剂相容性差（4）关于微集料效应,目前研究大部分都停留在对现象的解释上。因此,需要发展一套系统理论来指导矿物掺合料的应用。2.矿物掺合料性能评价问题矿物掺合料性能评价问题（1）维卡法尽管在一定程度上能表征矿物掺合料本身的化学反应活性,但在现代混凝土技术中因低水胶比和高胶凝材料用量,矿物掺合料的化学反应活性并不居决定性地位,而矿物掺合料的粒径分布等因素对水泥基材料性能的影响很大,因此仅用维卡法并不能准确反映矿物掺合料的作用。（2）强度法虽然在一定程度上综合体现了矿物掺合料的各种效应,但强度法容易受到矿物掺合料粒子与熟料粒子细度匹配问题的影响,并与熟料本身性质有关,因而抗压强度法受熟料性质影响较大,用强度法所取得的数据不具有广泛的可比性。因此需要研究一套合理的方法来评价矿物掺合料的性能3.矿物掺合料的制备技术矿物掺合料的制备技术 不同的工业废渣因化学组成、颗粒群分布等方面存在较大差异,要把工业废渣十分有效地用作矿物掺合料,就必须对其加工处理。现有的处理方式忽视了矿物掺合料粒子颗粒群与水泥粒子颗粒群间的粒径匹配问题,其制备出的矿物掺合料大部分粒径分布较宽,矿物掺合料的掺加在引入小粒径颗粒的同时也带入了大粒径颗粒。所以利用现有处理设备制备矿物掺合料,除设备本身能耗较高外,还需消耗额外的对胶凝材料粒子形成初始紧密堆积无益的能耗,而且还不能有效发挥矿物掺合料的各种效应。因此,必须对现有掺合料制备技术进行改进或革新。