摘要：根据矿渣结构和粉磨特性，选择某聚硅氧烷化合物作为主体制取了一种新型矿渣助磨活化剂。将此助剂与前期试验中激发效果良好的多元醇胺、硫酸盐、铝酸盐和元明粉进行对比试验，研究其对矿渣助磨和活性的影响。结果表明：此无碱混合物掺量低，可以明显减小矿渣细度，改善矿渣粒度分布，并且能激发矿渣早期活性；与硫酸盐和铝酸盐复配后产生叠加效应，可提高矿渣水泥7d强度3-5MPa，28d强度5-8MPa。
关键词：矿渣助磨 活性指数 细度 粒度分布
中图分类号：TQ172.463
Research on the New Composite Multifunctional Aids of Slag
Abstract: Basing on the structure and grinding characteristic of slag, one polysiloxane was chosen as the main element of an non-alkali aid for activation and grinding of slag. Comparing with some effective aids, triethanolamine, ferric sulfate, sodium aluminate and sodium sulfate, the aid can obviously improve the fineness and size distribution of slag and also stimulate the slag activity, which contributed to the early compressive strength of the slag cements. The results were even better when that polysiloxane aid compounding with ferric sulfate or sodium aluminate respectively, which can increase the compressive strength of slag by 3～5MPa at 7d age as well as by 5～8MPa at 28 age.
Key words: grinding aids; fineness; size distribution; activity index
引言
众所周知，高炉矿渣具有良好的水化活性，作为混凝土掺合料可以改善混凝土和易性，降低水化热，提高抗腐蚀性、耐久性等，被广泛应用于水泥建材行业。但矿渣的活性低于熟料，研究表明，矿渣只有在比表面积400m2/kg以上才能较好地发挥胶凝性能，而矿渣与熟料共同粉磨不能达到各自的最佳粒度分布，因此提倡矿渣微粉的单独粉磨。
矿渣属于难磨物料，邦德功指数大于熟料30%多，磨机功耗大效率低。同时，矿渣的大量掺入会导致水泥和混凝土早期强度降低，这也是亟待解决的问题[2]。在物料粉磨工艺中掺入少量化学添加剂，一方面有效改善粉磨过程，即在磨机功率消耗相同的条件下增加产量和磨机功率消耗相同的条件下增加产品细度；同时，希望通过添加剂吸附于矿渣颗粒的微裂纹表面或与颗粒发生物理化学反应以提高矿渣的早期活性。但目前助磨剂的研究主要是针对水泥熟料，对矿渣的研究也局限于单一助磨作用，对多功能型复合助磨剂的研究很少。
1试验
1.1原材料
试验所用的PO42.5等级水泥，粒状高炉矿渣等原材料均取自上海崛荣实业有限公司，其化学成分见表1。化学试剂：铝酸盐、硫酸盐、多元醇胺和元明粉均为化学纯试剂；将某含羟基的高分子化合物与无机溶剂1:3混合并分散处理后，制得新型助剂，记为G。
1.2 试验仪器
SM-500型Φ500×500mm标准试验小磨；DBT-127型勃式透气比表面积仪；AEC-20型水泥强度试验机；SF-150水泥细度负压筛析仪；LS230型激光粒度分析仪。
2试验方法
(1) 小磨试验：用标准试验小磨对矿渣按每次5kg进行粉磨。粉状助剂直接掺入待磨试样中，液体助剂装入可喷装置均匀喷洒于待磨的物料表面。所掺助剂的名称、掺量及粉磨时间见表2。
(2) 物理力学性能试验：矿粉和水泥的细度和比表面积测定按GB/T 1345-1991和GB/T 8074-1987进行；矿渣水泥的活性指数和抗压强度试验按照“用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉” GB/T18046－2000进行；水泥胶砂流动度测定方法按GB/T 2419－1994进行。 
3 结果及分析
3.1 试验结果
表3和表4列出掺入各种助剂粉磨后，矿渣的物理力学性能。其中矿渣的强度值为：将粉磨后的矿粉以50%的掺量与纯水泥混合得到矿渣水泥的力学强度；矿渣活性指数为矿渣的强度与纯水泥强度的比值。O为纯水泥。 
3.2 结果分析和讨论
3.2.1细度和比表面积分析
矿渣属于难磨物质，邦德功指数较高。加入助剂的目的之一就是改善矿渣的粉磨特性。细度和比表面积都在一定程度上反应出颗粒的分布情况。从表4中可以看到，掺入不同助剂的矿渣在相同粉磨条件下细度得到了明显改善，降低了近30%～45%。其中掺入高分子G的S2，G和铝酸盐复合的S7分别在单体和复合助剂中效果最好，见图1。
比表面积的情况有所不同，各助剂对矿渣比表面积的提高并不大。这有可能是因为助磨剂的掺入改变了矿渣颗粒的粒度分布，同时会改变粉体颗粒间的接触角和摩擦阻力，使测定的矿渣比表面积比实际的要低。但总体说来，复合助剂对矿渣比表面积的提高效果要好于单助剂。
S2细度远小于空白矿粉S1，比表面积却无甚变化。因此，通过进行激光粒度分析来研究助剂G对改善矿渣颗粒分布的作用。图2是S1和S2的颗粒频率分布图。 图中曲线表明，掺入助剂G后矿渣的颗粒分布略为变窄，S2的分布面积为87.4%，S1为94.0%。具体而言，当粒径<10µm时，S2和S1颗粒分布差别不大，曲线几乎重合；当粒径大于10µm小于40µm时，S2颗粒含量明显高于未掺助磨剂的S1，尤其粒径为18和30µm左右出现两个最大值；而>40µm时，S1的颗粒含量要高于S2。可见，助剂的掺入使S2的颗粒分布比S1要集中，颗粒也更为均匀。变化集中在10µm～75µm这一段。
3.2.2矿渣抗压强度和活性指数分析
矿渣作为混合材具有良好的水化活性，但其二次水化，需要水泥水化提供碱和硫酸盐作为激活剂，因此早期水化强度普遍较低。 
图3和图4为各矿渣水泥7d和28d的活性指数比较。空白矿渣S1的7d抗压强度为纯水泥的74%，28d强度接近空白水泥。掺入助剂后矿渣的 7d抗压强度均得到了提高，约占纯水泥的80%；各矿渣水泥的28d强度均超过空白样。从图中可以明显看出，单体助剂中，助剂G的效果十分明显，7d强度超过多元醇胺和元明粉等较传统的激发剂，28d强度虽然低于元明粉，但元明粉掺量较大(5%)并为碱性激发剂。此外，复合助剂的激发效果均好于单体，7d的强度优势尤为明显。将G与硫酸盐和铝酸盐复合效果好于硫酸盐与铝酸盐复合。同时，助剂的掺入提高了矿渣水泥的抗折强度。
3.2.3 其他性能比较
从表4数据来看，未掺助剂的矿渣流动度均略大于空白水泥；掺入助剂后的矿渣流动度有所变化，但都变化不大，流动度比在98～106之间。与纯水泥相比，各矿渣水泥标准稠度用水量有所下降，分析原因，矿渣多为密实玻璃体，表面粗糙，当矿渣掺量较高而粉磨细度不太大时将使水泥需水量减小，易产生泌水现象；掺助剂与未掺助剂对矿渣水泥的需水量影响不大。此外，矿渣水泥的凝结时间普遍低于纯水泥，因为早期矿渣活性较低；各矿渣水泥的凝结时间也相差不大。
3.3 机理探讨
通过试验分析，助剂G对矿渣的粉磨进程有一定影响，改变了物料的颗粒级配和粒径分布，同时提高了矿渣的早期化学活性，具有助磨和激发复合的功能。
矿渣为同性玻璃体，与异性晶体结构的熟料相比，在相同条件下，矿渣难以产生新断面，助磨剂的解聚和分散作用就得不到充分体现。因此多种高效水泥助磨剂对矿渣粉磨并无显著效果。助剂G主体为高分子聚合物，主要成份为某聚硅氧烷混合物，常温下粘度不大于40厘沲，具有很低的表面张力和较高的表面活性。表面张力稳定在20～21mN/m，比其他有机溶剂和水低[4]。按照Griffith公式，材料的断裂应力σ取决于断裂表面能γ和裂缝长度C。粉磨过程中G吸附在矿渣微裂缝的表面，降低了物料的表面自由能，因而固体的强度降低，变形增加，颗粒软化，粉碎容易进行。
G有一定的粘性，具有良好的润滑性，且极易在材料表面铺展成膜。在粉磨过程中，吸附在固体微粒上，可以改进它和分散介质的润湿。微粒外面包裹的一层分散剂分子吸附膜，使颗粒间相互排斥，减少了剪切摩擦，从而减少了矿渣的粘度，提高其流动性，阻止颗粒与颗粒之间、颗粒与磨矿介质及衬板之间的团聚[3]，使矿渣颗粒得到分散。
助剂G还可增强矿渣的活性指数。分析原因：一方面由于G的助磨作用，使矿渣颗粒均匀，细颗粒含量增多，级配趋于合理，因此水化过程得以加快。此外，G具有良好的疏水性。从结构来看，G主链由极性键Si-O组成，但因甲基以σ键与硅原子连接，从而增加了自由旋转的空间，而朝外排列的甲基上的氢原子又与水的氢原子相互排斥，是水分子难与亲水性的氧接近[4]。因此，当它覆盖于矿渣表面后，使矿渣表面也呈疏水性，即使物料与水之间的表面能γml显著降低，从而有效地防止了毛细管力引起的粉体团聚。G对矿渣活性的提高还待进一步研究。
3.4 结论
1 矿渣粉磨过程中掺入助剂可以明显降低矿渣的细度，但似乎对比表面积影响不大。与硫酸盐、多元醇胺和元明粉等传统激发剂相比，自制助剂G对矿渣细度改善明显。从激光粒度分析来看，添加G的矿渣颗粒曲线比未添加G的更为均匀，较多颗粒集中在粒径10µm～40µm的范围内。
2 助剂G，多元醇胺和元明粉均有利于提高矿渣的早中期强度。单体G可以提高矿渣的7d和28d强度4～5MPa；与某硫酸盐和某铝酸盐复合后效果更好，矿渣的7d活性指数可提高10%，28d强度15%。
3 G主体为高分子化合物，具有良好的润滑性，较低的表面张力和较高的表面活性。因此粉磨过程中可以通过吸附在矿渣颗粒表面起到软化矿渣，防止颗粒团聚作用。
