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粉煤灰-矿粉复合超细粉制备及其在水泥中的应用试验研究

2020年03月20日 12:00点击数量:356次



摘要: 将煤粉炉粉煤灰、循环流化床粉煤灰和 S95 矿粉分别进行超细粉磨,按照不同比例复合配制粉煤灰 - 矿粉复合超细粉,研究复合超细粉的粒度分布、活性指数和流动度比,以及复合超细粉替代一定比例成品 P·O42.5 水泥的水泥胶砂的力学性能。结果表明,煤粉炉和循环流化床粉煤灰及矿粉分别经超细粉磨后,中位粒径分别为 4.632μm 2.611μm 6.039μm ,循环流化床粉煤灰粒度更细。粉煤灰 - 矿粉复合超细粉的活性指数和流动度比均满足 S95 矿粉、甚至 S105 矿粉技术要求。粉煤灰 - 矿粉复合超细粉替代 25% 成品 P·O42.5 水泥,复合水泥 3d 28d 抗压强度明显提高。

1   引言

近些年受环保政策和错峰生产的影响,熟料价格上涨,矿粉资源日益紧俏,导致水泥企业生产成本增加。粉煤灰一般是作为掺合料用于水泥及混凝土行业,相对熟料和矿粉来说,粉煤灰价格便宜且资源相对较多,但由于粉煤灰早期水化活性低,大大限制了其在水泥中的掺量以及更为广泛的应用。而且,近年来随着我国以煤矸石、风化煤及煤泥等低热值煤为燃料的循环流化床( CFB )锅炉发电机组大量地投入运行,所产生的 CFB 粉煤灰急剧增加,每年的产量达到约 0.8~1.5 亿 t ,已成为当前急需合理处理与科学利用的主要工业固体废弃物之一。

众所周知,超细粉磨是提高粉煤灰等工业固废应用价值和附加值的重要手段,但是行业一直缺乏真正具备商业化应用价值的超细粉磨技术。建筑材料工业技术情报研究所专家团队经过十余年的潜心研究,于 2018 年研发了能够大规模、低成本、连续性加工超细粉体材料的关键专利技术,以相对廉价的粉煤灰为主要原材料,与一定比例的 S95 矿粉复合,生产比表面积大于 700m 2 /kg ,中位粒径< 10μm 的粉煤灰 - 矿粉复合超细粉,复合粉各项性能优于 S95 矿粉、甚至 S105 矿粉技术要求,是一种高功能性的水泥混合材和混凝土掺合料,可广泛应用于水泥和混凝土生产中,尤其适用于高强高性能混凝土、免压蒸预制混凝土构件、特种工程等领域。

本文主要介绍粉煤灰 - 矿粉复合超细粉的制备及其在水泥中的应用试验研究。

2   试验

2.1  原材料

水泥: P·I42.5 水泥和大同某厂 P·O42.5 水泥;粉煤灰:大同某电厂煤粉炉粉煤灰和循环流化床粉煤灰,均为收集的原灰;矿粉:大同市面在售的 S95 矿粉,比表面积在 400m 2 /kg 左右。

2.2  超细粉制备

利用φ 500 × 500mm 标准试验磨对待测原材料进行超细粉磨,磨内配备具有专利技术的特殊级配研磨体,单次粉磨 5kg ,粉磨时间为 50min

2.3  超细粉复配

由于矿渣微粉具有一定的激发性,可将粉煤灰潜在活性及早激发,现将超细粉煤灰与超细矿粉按照 7:3 6:4 复配制备复合超细粉。

2.4  试验方法

2.4.1  超细粉煤灰和矿粉粒度分布

使用激光粒度分析仪测试粉煤灰和矿粉超细后的粒度分布。

2.4.2  复合超细粉活性指数及流动度比

参照 GB/T 18046-2017 《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》规定的方法测试复合超细粉的活性指数和流动度比。试验配比见表 1 ISO 标准砂用量为 1350g ,用水量为 225g

表1  流动度比及活性指数试验配合比/g

类型

编号

P·I 水泥

原矿粉

超细矿粉

超细粉煤灰

基准

S0

450

原矿粉

DT0

225

225

煤粉炉 - 矿粉

DT1 73

225

67.5

157.5

DT2 64

225

90

135

流化床 - 矿粉

DT3 73

225

67.5

157.5

DT4 64

225

90

135

(备注:编号DT1(73),DT2(64)为煤粉炉粉煤灰与矿粉的比例分别为7:3与6:4,编号DT3(73),DT4(64)为循环流化床粉煤灰与矿粉的比例分别为7:3与6:4)。

2.4.3  复合超细粉在水泥中的应用试验

DT2 64 )和 DT4 64 )组复合超细粉替代部分成品 P·O42.5 水泥后制成胶砂,测试 3d 28d 抗压强度。试验参照 GB/T17671-1999 《水泥胶砂强度检验方法》对水泥胶砂进行强度测试。试验配比见表 2 ISO 标准砂用量为 1350g ,用水量为 225g

表2  水泥胶砂配合比

类型

替代量

P·O 水泥 /g

超细矿粉 /g

超细粉煤灰 /g

基准

0

450

DT2 64

替代 15%

382.5

33.75

33.75

替代 20%

360

45

45

替代 25%

337.5

56.25

56.25

DT4 64

替代 15%

382.5

33.75

33.75

替代 20%

360

45

45

替代 25%

337.5

56.25

56.25

2.5  试验结果与讨论

2.5.1   超细粉煤灰和矿粉粒径分布

经大量试验证明,粉煤灰和矿粉单独粉磨和粉煤灰矿粉复合粉磨具有很好的对应关系。使用超细球磨机对粉煤灰和矿粉分别进行超细粉磨,粉磨时间为 50min ,样品粒度分布数据详见表 3

表3  超细粉煤灰粒度分布

样品

粒度分布 / μm

d 90

d 50

d 10

煤粉炉粉煤灰

11.998

4.632

1.097

流化床粉煤灰

9.352

2.611

0.770

矿粉

18.475

6.039

1.261

由表 3 可知,煤粉炉和循环流化床粉煤灰及矿粉分别经超细粉磨后,中位粒径分别为4.632μm、2.611μm和6.039μm,循环流化床粉煤灰的粒度更细。这是由于循环流化床粉煤灰多数为不规则结构,疏松多孔,玻璃体含量少,易磨性较好。

2.5.2   复合超细粉活性指数

经前期大量试验研究和摸索,找出粉煤灰和矿粉的最佳比例范围,矿粉的比例一般占 30~50% 。现将超细粉煤灰与矿粉按照 7:3 6:4 复配并制成水泥胶砂,测试其抗压强度并计算出活性指数。试验结果见表 4

表4  抗压强度及活性指数试验结果

类型

编号

7d 抗压强度 /MPa

7d 活性指数 /%

28d 抗压强度 /MPa

28d 活性指数 /%

基准

S0

34.8

52.5

原矿粉

DT0

27.6

79.3

56.8

108.2

煤粉炉 - 矿粉

DT1 73

29.6

85.1

57.6

109.7

DT2 64

32.0

91.8

58.1

110.7

流化床 - 矿粉

DT3 73

38.9

111.6

65.3

124.4

DT4 64

40.0

114.9

63.2

120.4

由表 4 可知,当使用大同煤粉炉粉煤灰作原材料时,复合超细粉 7d 28d 活性指数都高于原矿粉的技术要求水平,尤其是 7d 活性指数,当粉煤灰与矿粉的比例为 6:4 时, 7d 活性指数较基准组增加了 12.5%

当使用大同循环流化床粉煤灰作原材料时, 7d 28d 活性指数都远高于原矿粉,甚至超过 S105 矿粉活性要求,当粉煤灰与矿粉的比例为 6:4 时, 7d 28d 活性指数分别较原矿粉增加了 35.6% 10.7%

这是由于:( 1 )复合超细粉的填充效应可减小胶凝体系的空隙率,促进强度的提高;( 2 )龄期的延长促进了复合超细粉中活性硅铝物质的溶出并与水泥水化产物Ca(OH) 2 发生胶凝反应生成 C-S-H C-A-H 凝胶,促进强度的提高。循环流化床粉煤灰由于氧化钙和三氧化硫含量较高,其本身具有一定的胶凝性,经超细粉磨和矿渣激发后,能很大程度的提高其反应活性,因此强度提升的更多。

2.5.3  复合超细粉流动度比

按照表 1 的配比配制胶砂,其流动度及流动度比试验结果见表 5

表5  流动度及流动度比试验结果

类型

编号

流动度 /mm

流动度比 /%

基准

S0

210

原矿粉

DT0

190

90.5

煤粉炉 - 矿粉

DT1 73

210

100

DT2 64

210

100

流化床 - 矿粉

DT3 73

190

90.5

DT4 64

205

97.6

由表 5 看出,当使用煤粉炉粉煤灰作为原材料时,两种比例复合超细粉流动度比均远高于原矿粉组;

当使用循环流化床粉煤灰作原材料时,当粉煤灰与矿粉的比例为 6:4 时,复合超细粉流动度比高于原矿粉组。

这是由于复合超细粉能填充于水泥颗粒之间的空隙中,密实了粉体的堆积结构,减小了空隙率,从而减小了填充用水,胶凝体系的需水量比降低,游离水增多,流动度增加。

2.5.4   复合超细粉在水泥中的应用试验

DT2 64 )和 DT4 64 )组复合超细粉分别替代 15% 20% 25% 的成品 P · O42.5 水泥,到龄期测定水泥胶砂的抗压强度。试验结果见表 6

表6  水泥胶砂基本性能试验结果

类型

类别及替代量

抗压强度 /MPa

3d

28d

基准

0

26.5

51.0

DT2 64

替代 15%

28.7

55.8

替代 20%

27.9

57.2

替代 25%

28.1

57.8

DT4 64

替代 15%

28.3

60.7

替代 20%

30.3

60.6

替代 25%

29.0

58.9

由表 6 可以看出, DT2 DT4 组复合超细粉替代 15% 20% 25% 的水泥后胶砂 3d 28d 抗压强度均有不同程度的增加,尤其是 28d 抗压强度提升更为明显。

3   结论

1 )经超细球磨机超细粉磨后,煤粉炉及循环流化床粉煤灰和矿粉颗粒中位粒径分别为4.632μm、2.611μm和6.039μm,循环流化床粉煤灰粒度更细,易磨性好。

2 当采用煤粉炉粉煤灰作原材料时,当粉煤灰和矿粉的比例为 7:3 6:4 时,复合超细粉的活性指数和流动度比均远高于 S95 矿粉技术要求;当使用循环流化床粉煤灰作原材料时,当粉煤灰和矿粉的比例为 7:3 6:4 时,复合超细粉的活性指数均达到 S105 矿粉技术要求。

3 )当煤粉炉和循环流化床粉煤灰与矿粉的比例为 6:4 时,复合超细粉替代 25% 的成品水泥,复合水泥 3d 28d 抗压强度明显增加。

后记:

目前,该技术已在山东、山西、河南、河北、辽宁、黑龙江等地区得到产业化应用,新建和改造项目达 30 余项,可对市场上现有φ 2.4 × 13m 、φ 2.6 × 13m φ 3.2 × 13m 等球磨机进行特殊改造,对普通球磨机内部衬板、研磨体、隔仓板以及出料装置进行改造,也可配置φ 3.2 × 16m 的新型超细球磨机。

改造项目以φ 3.2 × 13m 球磨机为例,采用开路粉磨工艺,台时产量 35t/h 以上,综合电耗小于 50KW·h ;新型φ 3.2×16m 超细球磨机,采用开路粉磨工艺,台时产量可达 60t/h ,综合电耗小于 35 KW·h 。新型φ 3.2 × 16m 超细球磨机具有更高的产能和更低的生产成本,经济性优势突出。

假如您对超细技术感兴趣,欢迎致电: 13718217895