1、材料研究与应用 2023，17（1）：149157湿法研磨激发制备硅灰水泥净浆的力学性能研究林雨楠1,李犇1*,余盈2,李俊杰3,罗安怡1,李宗洋1,覃潇1（1.佛山科学技术学院交通与土木建筑学院，广东 佛山 528225；2.深圳大学广东省海洋土木工程耐久性重点实验室，广东 深圳 518060；3.广东新业混凝土有限公司，广东 佛山 528300）摘要：为了减少硅灰在运输过程中因增密带来的负面影响。采用湿法研磨来降低硅灰的粒径大小，以提高其活性，同时研究了不同研磨转速（150和 250 rmin1）和水磨时间（5、10、15、20和 25 min）对硅灰制备水泥净浆力学性能的影响。采用 SE
2、M 扫描电镜、X 射线衍射仪、傅立叶变换红外光谱仪等手段，探究了水泥净浆的微观结构、水化产物和官能团的变化。结果表明，在转速 250 rmin1、水磨 20 min的条件下，硅灰的 7和 28 d的抗折强度和抗压强度能够显著提高，尤其是早期（7 d）的分别比基准组提升了 18.4%和 15.8%。说明，湿法研磨能够有效减少硅灰的团聚现象，显著改善硅灰的填充效应和火山灰活性，提高水泥净浆的力学性能。关键词：硅灰；湿法研磨；激发；强度；微观结构；活性；粒径中图分类号：TQ172文献标志码：A 文章编号：1673-9981（2023）01-0149-09引文格式：林雨楠，李犇，余盈，等.湿法研磨激发
3、制备硅灰水泥净浆的力学性能研究 J.材料研究与应用，2023，17（1）：149-157.LIN Yunan，LI Ben，YU Ying，et al.Study on Mechanical Properties of Silica Fume Cement Slurry Prepared by Wet GrindingJ.Materials Research and Application，2023，17（1）：149-157.随着国家经济持续快速发展，硅灰作为工厂在冶炼金属硅和硅铁时产生的副产物，其产量逐年增加。据统计，2021 年我国的工业硅和硅铁产量分 别 达 到 261104和 586
4、104 t，理 论 上 将 产 生196104 t 的硅灰1-2。硅灰本身质轻易漂浮，企业的除尘回收装置对它的回收率又低，直接排入大气严重的污染了环境，而且它还属于 PM2.5 级的大气污染物，对人体的健康构成巨大威胁3。为此，对硅灰的处理和综合利用迫在眉睫。目前，各国研究人员已将硅灰广泛应用于耐火材料、橡胶、混凝土和化工等领域中。而我国对硅灰的应用研究起步较晚，总体利用水平处于中低阶段，且产量少，成本高，所以目前硅灰的利用率仍然很低4-6。硅灰是一种平均粒径小于 1 m 的矿物掺合料，人们将硅灰作为超细辅助胶凝材料替代水泥，在水泥颗粒之间起到微填料的作用7。同时，硅灰的主要化学成分为 SiO
5、2、Fe2O3、Al2O3、CaO，具有较高的火山灰活性，且水化过程和水化产物与硅酸盐水泥相似8。硅灰的加入增加了水化产物的数量，消耗了大量的 Ca（OH）2，从而改善了硬化浆体的孔结构和水泥基材料的界面过渡区9-10。因此，掺有硅灰的混凝土的强度和耐久性均高于普通混凝土11。然而，由于硅灰是一种比表面积很大的超微细材料，在运输、存储过程中需要对硅灰进行增密处理，从而达到降低运输成本、减少飘散污染的目的。经过增密后的硅灰倾向于凝聚成大于 10 m 的颗粒，在水泥搅拌过程中不易分散，从而导致硅灰的物理填充效应和火山灰活性降低，在一定程度上制约了硅灰的应用。相关研究12表明，增密后的硅灰容易造成水
6、泥基材料水化速度慢、早期强度低等问题。因此，硅收稿日期：2022-08-25基金项目：广东省教育厅广东高校科研项目（青年创新人才专项）（2021KQNCX083）作者简介：林雨楠（2002-），男，广东惠来人，本科，研究方向为固废资源化及制备建材的关键技术，E-mail：。通信作者：李犇（1989-），男，山东日照人，博士，教授，研究方向为固废资源化及制备建材的关键技术、水泥基材料的多尺度损伤机理、水泥基材料的耐候性损伤机理，E-mail：。Materials Research and ApplicationEmail：http：/DOI：10.20038/ki.mra.2023.000118
7、2 0 2 3材料研究与应用灰的团聚可能是引起硬化水泥浆体力学性能降低的问题所在。机械活化是降低粉体细度、加速早期反应的主要技术之一13，其不仅可减小粉体颗粒尺寸，而且还可使颗粒表面产生缺陷，提高材料的反应性，使材料在早期形成致密的结构。目前，常采用干法研磨工艺对硅灰进行粉体研磨，但研磨过程中粉体仍易产生团聚现象，难以获取较小级别的粉体颗粒。同时，粉体会因大量的能量导入导致自身温度急剧上升，存在爆炸等安全隐患12。因此，湿法研磨工艺应运而生，该方法是最有效且最合乎经济效益的研磨方法。研究表明14，湿法研磨获得细小颗粒的粉碎效率明显高于干法研磨，且湿法研磨工艺表现出更高效率和更低能耗。Wang等
8、 15已证实经过湿法研磨处理后的矿物掺合料可以在不添加任何化学外加剂的情况下实现自水化特性。水磨介质的存在能够促进活性离子的溶解和颗粒表面缺陷的产生，从而显著提高掺合料的水化速率。此外，由于粒子的表面能较低，避免了自聚集现象的出现。在较低的能耗水平下有效地提高了固体废物颗粒的反应性，从而缓解了干磨掺合料容易出现的和易性问题。因此，湿法研磨是降低硅灰团聚、提高硅灰活化效率，改善水泥基材料力学性能的有效方式之一。在以往研究中，尽管湿磨硅灰具有自水化特性，但湿法研磨对含有硅灰的胶凝材料力学性能的影响机制仍不明确。本文采用湿法研磨工艺对硅灰进行活化处理，研究了不同转速、不同研磨时间下硅灰对水泥净浆力学
9、性能的影响，同时测定了标准养护条件下水泥净浆的抗折强度和抗压强度，并利用 SEM 电镜扫描（SEM）、X 衍射分析（XRD）、傅里叶红外光谱分析（FTIR）等微观测试方法，阐明了湿磨硅灰对水泥净浆微观形貌、水化产物、官能团的作用机理。该研究为硅灰的资源化利用提供了一条新途径，也为提高硅灰基胶凝材料的活化效率提供了理论依据和试验参考。1原材料及试验方法1.1原材料本试验采用由广州石井水泥公司生产的 P O 42.5R普通硅酸盐水泥，其化学组成列于表 1。试验所用硅灰来自广东新业混凝土公司，其表观密度为2.0 kgm3、比表面积为 2028 m2g1，基本化学成分列于表 2。试验用水均为佛山市自来
10、水。1.2硅灰的制备方法使用 QM-DK12型行星式球磨机对硅灰进行湿法研磨，其中球料比为 15 1（钢珠与硅灰的质量比），硅灰与水的比例为 1 3（质量比）。分别以 150、250 rmin1的转速对硅灰进行梯度研磨，研磨时间分别为 0、5、10、15、20、25 min。1.3试件的制备及养护水泥净浆的配合比列于表 3。水胶比为 0.4，硅灰掺量为 10%。根据 GB/T17671-2021 水泥胶砂强度检验方法16制备水泥净浆试件，试件的尺寸为 40 mm40 mm160 mm，拆 模 后 置 于 相 对 湿度95%、恒温（202）的养护箱中分别养护至7、14和 28 d。表 1水泥的基
11、本化学组成Table 1Basic chemical composition of cement化学成分含量 w/%Al2O34.66CaO62.64MgO3.12Fe2O33.29SiO221.36SO32.27其它2.66表 2硅灰的基本化学成分Table 2Basic chemical composition of silica fume化学成分含量 w/%SiO294。5Al2O30.27Fe2O30.83CaO0.54MgO0.97其他2.89表 3硅灰水泥净浆配合比Table 3Mix ratio of silica fume cement paste组别基准组未研磨水磨添加量/（
12、kgm3）水260.48260.48260.48水泥651.2586.08586.08硅灰065.1265.121.4试验方法1.4.1粒度测定为研究硅灰颗粒粒径的大小及分布对硅灰活性的影响，利用济南润之科技公司生产的 RISE-2012型激光粒度仪对硅灰的粒度进行测定。该仪器是通过颗粒的衍射或散射光的空间分布（散射谱），分析颗粒大小。1.4.2抗折强度依据 GB/T17671-2021 水泥胶砂强度检验方法16中 的 抗 折 强 度 测 定 规 范 进 行 试 验。使 用HYE-300-10 型水泥抗折抗压恒应力试验机分别对龄期为 7、14、28 d 的硅灰水泥净浆试件进行抗折试验。将试件放
13、在试验机的支撑圆柱上，使试件的长轴方向与支撑圆柱垂直，通过加荷圆柱以 40 Ns1的速率均匀地将荷载垂直加在棱柱体相对的侧面上，直至柱体折断并记录下数据。1.4.3抗压强度依据 GB/T17671-2021 水泥胶砂强度检验方法 16 中的抗压强度测定规范进行试验。抗压强度试验是在抗折强度试验折断后的半截棱柱体的侧面进行的，试验时保证棱柱体的中心与压力机压板的受压中心差在 0.5 mm 内，通过压力板以（2400200）Ns1的速率均匀地加荷，直至试件破坏并记录下数据。1.4.4微观测试采用 SEM 电镜扫描、X 衍射分析和傅里叶红外光谱分析仪器，探究硅灰在净浆试件中的微观形貌、键位变化和晶体
14、变化。首先将预测龄期的试件浸泡于无水酒精中 72 h 终止水化，再放入（502）的烘干箱中烘干 48 h，以减小水分对微观实验的影响。将干燥后的试件小心敲碎，选取平整断面，进行SEM 电镜扫描试验。使用研钵将干燥试件研磨成粉末，再分别进行 X 衍射分析和傅里叶红外光谱分析。SEM 扫描电镜选用蔡司 GeminiSEM300，其放大倍数为 12200万倍；XRD 分析仪为布鲁克 AXS公司的 D&AX 射线衍射仪，实际测试角度为 580；傅里叶红外光谱分析选用天光 FTIR-960 型傅里叶变换红外红外光谱仪。2结果与讨论2.1湿法研磨对硅灰粒径大小的影响当转速为 150 rmin1时，不同研磨
15、时间下硅灰的粒径分布如图 1所示。从图 1可见：当水磨时间为0 min 时，硅灰的粒径区间为 4.89180.28 m，粒径分布主要集中在 42.6 m；随着水磨时间的增加，硅 灰 粒 径 的 分 级 曲 线 峰 值 向 左 并 向 下 移 动，并在 020 m 区间内曲线逐渐变陡，表明硅灰的粒径逐渐减小；当水磨 15 min 后，硅灰粒径减小趋势减缓，并在水磨 25 min 时达到最小粒径；当水磨时间为 25 min时，硅灰的粒径区间为 1.9873.179 m，粒径主要分布在 14.44 m，比水磨 0 min 的降低了66.2%。表明，随着水磨时间的增加，硅灰的粒径分布集中，并且粒径越来
16、越小。这主要是大粒径的硅灰更容易受到钢球的撞击，导致原有结构碎裂，从而降低粒径的大小。图 1转速 150 rmin1下不同研磨时间的硅灰粒径分布图Figure 1Particle size distribution of silica fume at different grinding times at 150 rmin-1150第 17 卷 第 1 期林雨楠等：湿法研磨激发制备硅灰水泥净浆的力学性能研究1.4试验方法1.4.1粒度测定为研究硅灰颗粒粒径的大小及分布对硅灰活性的影响，利用济南润之科技公司生产的 RISE-2012型激光粒度仪对硅灰的粒度进行测定。该仪器是通过颗粒的衍射或散射光的空间分布（散射谱），分析颗粒大小。1.4.2抗折强度依据 GB/T17671-2021 水泥胶砂强度检验方法16中 的 抗 折 强 度 测 定 规 范 进 行 试 验。使 用HYE-300-10 型水泥抗折抗压恒应力试验机分别对龄期为 7、14、28 d 的硅灰水泥净浆试件进行抗折试验。将试件放在试验机的支撑圆柱上，使试件的长轴方向与支撑圆柱垂直，通过加荷圆柱以 40 Ns1的速率均匀地将荷载垂