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三乙醇胺系矿渣复合助磨剂的实验研究

来源:石家庄市海森化工有限公司  日期:2016-11-05 09:00:00  属于:产品技术
标签:三乙醇胺
文章摘要:通过测试矿渣微粉筛余,比表面积和粒度分布,研究3种三乙醇胺系助磨剂对矿渣粉磨的作用效果,同时利用粒度粒形检测仪和扫描电镜分析了矿渣微粉的颗粒群形貌,并探讨了助磨剂对矿渣微粉活性指数及水泥-矿渣基胶凝材料标准稠度、凝结时间和安定性的影响。结果表明:三种助磨剂均能不同程度降低矿渣微粉筛余,提高其比表面积,提高幅度为5.3%~13.5%;掺入助磨剂后,矿渣微粉颗粒群的圆度降低,粗糙度与伸长度增加,粒度分布发生变化,0~20μm颗粒含量显著增加;水泥-矿渣基胶凝材料凝结时间缩短,标准稠度变化不大,安定性符合国家标准;助磨剂能显著提高矿渣微粉的活性指数,提升其质量等级。三种助磨剂以三乙醇胺复配无机盐的效果最好。
1引言

粒化高炉矿渣(简称矿渣)是钢铁企业冶炼生铁时所排放的废渣,通常每生产1吨生铁,会产生0.5~1t的矿渣。据不完全统计,截止2014年底,全国已堆积3亿吨矿渣,大量堆积的矿渣,不仅侵占土地,而且污染生态环境,从而造成明显或潜在的资源浪费与经济损失。从化学成分上看,粒化高炉矿渣属于一种“低钙高硅”的硅酸盐质材料,将矿渣微粉化作为矿物掺合料应用于水泥、混凝土生产中是其高附加值利用的最理想的技术途径。业已证明:在混凝土中,矿渣微粉以一定比例取代水泥,一方面混凝土工作性、体积稳定性、抗渗透性得以改善,远龄期强度和耐久性得以提高;另一方面,混凝土单位立方米生产成本得到显著降低,生产企业获得良好经济效益。


 
矿渣微粉要想充分发挥其功效,必须将矿渣粉磨至一定细度(一般比表面积≥400m2/kg)。矿渣中玻璃体含量较多,易磨性较差,导致矿渣粉磨至规定细度所产生的能耗极高。在实际工业化生产中,常通过添加助磨剂的方式来降低粉磨能耗。对于矿渣助磨剂,目前我国还没有制定相应的国家标准,粉磨企业大多直接将水泥助磨剂用于矿渣粉磨中,导致助磨效果不明显,难以满足各方面的要求;另外许多科研院所只是研究单一助磨组分的助磨剂,对复合助磨剂的研究并不深入,尚处于探索阶段。本实验以三乙醇胺做为助磨剂主要成分,配制三种三乙醇胺系矿渣复合助磨剂,重点研究三种复合助磨剂对矿渣的助磨效果及它们对矿粉微粉性能的影响,为工业化生产奠定实验基础。

2实验
2.1实验原料

水泥:P·O42.5级水泥,水泥化学成分见表1。
矿渣:鞍山钢铁集团水淬粒化高炉矿渣,碱性系数为1.04,质量系数为1.64,化学成分见表2。
助磨剂:相关文献表明三乙醇胺具有较好的助磨作用,实验以三乙醇胺作为助磨剂主要组分,分别与羧酸、无机盐及醇类化合物复配成三种复合助磨剂(A型、B型、C型)。其中纯度均为分析纯(A.R)。

2.2实验方案

  实验过程中,空白组编号为K0(不加助磨剂);A、B、C三组实验分别代表添加A型、B型和C型复合助磨剂。复合助磨剂掺量为0.2‰、0.4‰、0.6‰及0.8‰,A、B、C三组实验编号分别对应为A1~A4、B1~B4和C1~C4。

2.3实验方法

  首先将矿渣在(105±5)℃温度条件下烘干;然后将用水稀释好的的助磨剂,按实验掺量均匀地喷洒在矿渣表面;最后将其投入SM-500型球磨机中进行粉磨。其中,每次入磨5kg矿渣,粉磨时间设定为40min。矿渣微粉筛余与比表面积分别参照GB/T1345-2005《水泥细度检验方法筛析法》和GB/T8074-2008《水泥比表面积测定方法勃式法》测试;粒度分布参照JC/T721-2006《水泥颗粒级配测定方法》测试;水泥-矿渣基胶凝材料标准稠度、凝结时间及安定性参照GB/T1346-2001《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》测试;活性指数按照GB/T18046-2008《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》进行测试。

3结果与讨论
3.1助磨剂对矿渣微粉细度的影响

  将粉磨后矿渣微粉烘干且过0.9mm方孔筛后进行细度测试,为降低整个实验误差,每组试样测试三次,取均值作为最终结果。表3是矿渣微粉的比表面积以及45μm和80μm方孔筛的筛余百分率。
从表3中可以看出,助磨剂的加入使得矿渣微粉45μm和80μm筛余百分率均有不同程度的降低。矿渣颗粒在粉磨过程中,因受到挤压、碰撞等外力作用,在表面会产生新的裂纹。三种助磨剂中均含有表面活性剂成分,表面活性剂由于吸附作用,不但会渗入到矿渣颗粒的裂纹中,填充微细裂纹,使得裂纹难以自行愈合,而且还会使已经出现的裂纹形成“楔劈作用”,加速裂纹扩展,从而促进矿渣颗粒的细化过程。因此在相同粉磨时间内,使用助磨剂可以提升矿渣微粉的粉磨细度。对于80μm筛余百分率,A型助磨剂实验效果较为明显,在助磨剂掺量相同时,与B组和C组实验相比,A组各试样的筛余均为最低值。其中A4的筛余百分率仅为0.9%,与空白样K0相比,降低了71.0%。在整个实验中,C3试样的45μm筛余百分率最低,为3.3%,与空白样K0相比,筛余百分率绝对值降低了5.5%。
粉磨时间相同时,在助磨剂的作用下,矿渣微粉比表面积得到提高,与空白样K0相比,提高幅度为5.3%~13.5%。其中B组试样最为明显,这主要是B组中含有离子化合物(无机盐),它会更有效的降低矿渣微粉表面能,有利于矿渣颗粒在粉磨中裂纹的形成与扩展。试样B4的比表面积最高,为429m2·kg-1。
同时我们可以看出,A、B、C三组实验中,三种助磨剂均存在最佳掺量点。助磨剂过多的添加,会使得矿渣微粉表面的吸附层变厚,粉磨过程中颗粒间更加润滑,相互间碰撞几率变小,从而导致矿渣微粉筛余不再降低,比表面积不再增大,助磨剂的助磨效果不再明显。

3.2助磨剂对矿渣微粉粒度分布的影响

  细度是表示粉体材料颗粒大小的技术参数,筛余与比表面积均不能有效地反映出粉体材料颗粒分散的情况。粒度分布对矿渣微粉的理化性能有着极其重要的影响。相关文献表明:矿渣微粉发挥其活性的有效粒径在0~20μm之间,此范围颗粒的增多有利于矿渣微粉活性指数的提高。表4是将空白样K0及A、B、C各组中45μm筛余最小的试样,采用激光粒度仪,进行粒度分布测试的实验结果。
由表4中数据可知,助磨剂使得矿渣微粉颗粒的粒度分布发生很大变化。0~10μm和10~20μm颗粒的含量增多,20~40μm,40~60μm及>60μm的颗粒含量减少。其中,对矿渣微粉活性起主导作用的0~20μm颗粒含量显著增加,与空白样K0相比,A4、B3、C3试样中此范围含量分别增加了10.2%、14.8%和15.7%。

3.3助磨剂对水泥-矿渣基胶凝材料标准稠度、凝结时间和安定性的影响

  将各组矿渣微粉分别等量取代50%的42.5级普通硅酸盐水泥,制成水泥-矿渣基胶凝材料,参照标准GB/T1346-2001,测试此种胶凝材料的标准稠度、凝结时间和安定性。图1、图2为助磨剂对水泥-矿渣基胶凝材料标准稠度及凝结时间的影响。
胶凝材料标准稠度与其颗粒细度有一定关联,通常情况,粉体颗粒越细,胶凝材料需水量越大,标准稠度也越大。从先前实验中可知,加入助磨剂后,矿渣微粉粒径变小,比表面积增大,将其配成水泥-矿渣基胶凝材料后,标准稠度理论上应该变大,但在从图1中并没发现这一规律。这主要是因为助磨剂中的三乙醇胺具有一定的减水作用,因此,经助磨剂作用的水泥-矿渣基胶凝材料标准稠度在26.6%~27.4%范围内波动,没有明显的规律性。
从图2中可以清楚看到,与空白样相比,添加助磨剂的水泥-矿渣基胶凝材料凝结时间明显缩短。这主要是因为助磨剂使水泥-矿渣基胶凝材料细颗粒增多,加速了胶凝材料的水化速度。其中B3最为明显,初凝时间为179min,终凝时间为208min,与空白试样K0相比,初凝时间与终凝时间分别缩短了36min和52min。
各组试样经雷氏夹法测试后,安定性均符合国家标准要求,说明三种助磨剂对水泥-矿渣基胶凝材料安定性无不利影响。
3.4助磨剂对矿渣微粉活性的影响
活性是评价矿渣微粉质量优劣的一项重要指标,按照GB/T18046-2008,测试各组矿渣微粉的活性,矿渣微粉7d及28d活性指数如图3、图4所示。
 
由图3及图4中可以看出,K0试样7d与28d活性指数分别为73%和92%,属于S75级矿渣微粉;而其余各组加助磨剂试样在两个龄期的活性指数均有不同程度的提升,均达到S95级等级标准;其中B4试样7d活性指数达到93%,28d活性指数为108%,相对于空白组,分别净增长了20%和16%,接近于S105级等级要求。此实验结果与矿渣微粉比表面积的提高相一致,这在某种程度上说明矿渣微粉活性指数之所以提高,主要是因为助磨剂细化了矿渣颗粒,增大了矿渣微粉的比表面积。

3.5助磨剂对矿渣微粉颗粒群形貌特征影响

  采用SYMPATEC粒度粒形检测仪对K0、A4、B4及C3四组试样进行颗粒群形貌分析,并以圆度、表面粗糙程度、伸长度来量化其形貌特征。圆度,表示颗粒投影与圆的近似程度;粗糙度,表示颗粒表面结构的形状指数;伸长度,表示颗粒长径与短径的比值,用来衡量颗粒的取向性。表5为矿渣微粉颗粒群形貌分析累积值。同时采用富士S4800型扫描电子显微镜拍摄其SEM照片,如图5所示。
从表5中的数据可以看出,加入助磨剂后,矿渣微粉颗粒群的圆度降低,粗糙度与伸长度增加。结合图5可以看出,矿渣在助磨剂作用下,其形貌发生明显改变,大块玻璃体破碎成细小快装玻璃体,粉体颗粒明显细化,这说明助磨剂有助于矿渣玻璃体的的破裂,矿渣玻璃体易磨性提高,提高了矿渣微粉的活性。
4结论

(1)助磨剂加入后,矿渣微粉45μm及80μm筛余出现不同程度的降低,比表面积得到提高。三种助磨剂均能起到助磨作用,其中B型助磨剂(三乙醇胺+无机盐)效果最佳。在粉磨时间相同时,三种助磨剂均存在最佳掺量,分别为0.8‰、0.8‰和0.6‰;
(2)助磨剂能有效改善矿渣微粉的粒度分布及颗粒形貌。经助磨剂作用后,矿渣微粉0~20μm颗粒含量显著增加。同时,矿渣微粉颗粒群的圆度降低,粗糙度与伸长度增加,大块玻璃体破裂为细小玻璃体明显,矿渣易磨性增强,活性指数得到提高;
(3)助磨剂对水泥-矿渣基胶凝材料标准稠度影响不大,对其安定性无不利影响,但胶凝材料凝结时间出现不同程度的缩短。


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