一種水泥激發(fā)劑的制備及性能研究

摘 要：針對市面上一些普通硅酸鹽水泥出現(xiàn)早期強(qiáng)度過低的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)出的一種能激發(fā)水泥早期強(qiáng)度且不影響后期強(qiáng)度的水泥激發(fā)劑。介紹了水泥激發(fā)劑在提高水泥早期強(qiáng)度中的作用機(jī)理，并通過對其性能的實(shí)驗(yàn)研究，最終確定了最優(yōu)配方，后續(xù)通過生產(chǎn)工藝參數(shù)優(yōu)化，成功實(shí)現(xiàn)其在工業(yè)化生產(chǎn)中的應(yīng)用，降低了水泥生產(chǎn)成本以及碳排放量，助力廠家實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

關(guān) 鍵 詞：水泥早期強(qiáng)度；堿激發(fā)；成型

中圖分類號：TQ172.4+63文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號： 1004-0935（2024）09-1442-05

硅酸鹽水泥長期以來被建筑行業(yè)作為膠凝材料廣泛應(yīng)用，在其生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的“碳排放”，水泥行業(yè)以全國碳排放總量13.5%的占比位居制造業(yè)領(lǐng)域第二碳排放行業(yè)（僅次于鋼鐵行業(yè)），其節(jié)能減排對中國實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略意義重大。水泥熟料作為水泥生產(chǎn)過程中重要的“產(chǎn)碳”原料之一，如何在降低成本的前提下，保證水泥早期強(qiáng)度滿足要求，同時不影響后期強(qiáng)度，將成為水泥生產(chǎn)階段“降碳”的關(guān)鍵舉措。水泥激發(fā)劑應(yīng)市場需求而被設(shè)計(jì)出來，其應(yīng)對水泥在降低成本的前提下，仍能滿足水泥早期強(qiáng)度要求且不影響后期強(qiáng)度^[1]。

1 水泥激發(fā)劑作用機(jī)理及使用背景

1.1 水泥激發(fā)劑作用機(jī)理

水泥激發(fā)劑主要利用了堿激發(fā)原理，主要成分包括氫氧化物（NaOH）、硫酸鹽（NaSO）、粉煤灰、氯酸鹽等，激發(fā)劑的種類及含量對膠凝材料的性能有很大影響。

1.2 水泥激發(fā)劑的實(shí)驗(yàn)過程及使用效果

實(shí)驗(yàn)材料：氫氧化鈉，工業(yè)級；粉煤灰，寧鄉(xiāng)南方水泥廠；硫氰酸鈉，工業(yè)級；氯酸鹽，工業(yè)級；水泥，南方P.O 42.5，湖南桃江南方水泥公司；機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)3.4；高效減水劑，CZ-101，湖南中巖建材科技有限公司。

實(shí)驗(yàn)主要分為2步進(jìn)行：一是利用水泥助磨劑成分摻入水泥對水泥早期強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)；二是利用堿激發(fā)原理對水泥早期強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。對2種實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行強(qiáng)度對照，確定水泥激發(fā)劑最后配方并進(jìn)行小磨實(shí)驗(yàn)和混凝土適配實(shí)驗(yàn)。

1.3 助磨劑成分對提高水泥早期強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)：配置水泥激發(fā)劑，將樣品充分研磨攪拌。稱取2000g桃江南方水泥，以0.15%的摻量添加3g水泥激發(fā)劑于塑料桶中，充分?jǐn)嚢?，搖勻。采用桃江南方水泥為基礎(chǔ)水泥，設(shè)置空白組和添加水泥激發(fā)劑組做對比實(shí)驗(yàn)^[2]。水泥膠砂實(shí)驗(yàn)中使用的材料及比例如表1所示。

參照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（SO 法）》（GB/T17671—1999）進(jìn)行膠砂成型實(shí)驗(yàn)，并檢測試塊強(qiáng)度。

就提高水泥膠砂成型3d強(qiáng)度方面，通過提高早期強(qiáng)度的原料，設(shè)計(jì)了7個不同的配方，其中以工業(yè)鹽和硫氰酸鈉及粉煤灰為主要原材料。FT-1對比空白如表2所示。

配方FT-1在3 d強(qiáng)度上，對比空白組提高了1.6MPa，較為接近早期強(qiáng)度要求，但仍有提升空間。28 d強(qiáng)度對比空白組提高了2.4MPa。

配方FT-2在配方FT-1的基礎(chǔ)上加入了少量的液體三乙醇胺；配方FT-3則以元明粉替換了FT-1中的工業(yè)鹽。FT-1重復(fù)實(shí)驗(yàn)、FT-2、FT-3對比空白如表3所示。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在3d、28d強(qiáng)度上都出現(xiàn)了強(qiáng)度倒縮現(xiàn)象。而后，在FT-3的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出來FT-4，引入了硫酸鋁替換掉了硫氰酸鈉，并與其對比，做了膠砂成型實(shí)驗(yàn)。FT-3重復(fù)實(shí)驗(yàn)、FT-4對比空白如表4所示。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在3d強(qiáng)度上也出現(xiàn)了強(qiáng)度倒縮現(xiàn)象，說明并非由實(shí)驗(yàn)誤差導(dǎo)致了強(qiáng)度倒縮，而是配方問題，故舍棄了配方FT-3。FT-4配方對比空白，在3d、28d強(qiáng)度上都出現(xiàn)了強(qiáng)度倒縮現(xiàn)象。

考慮到前面的配方可能是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)誤差導(dǎo)致強(qiáng)度倒縮，而重復(fù)實(shí)驗(yàn)對比了FT-1和FT-2還有FT-3，結(jié)果如表5所示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，3d強(qiáng)度FT-1較空白增長了1.7MPa，28 d強(qiáng)度與空白組強(qiáng)度相差不大，與之前的數(shù)據(jù)對比，結(jié)果是穩(wěn)定的。FT-2對比空白，3d強(qiáng)度增長了0.8MPa，28 d強(qiáng)度倒縮了0.6MPa，說明FT-2在早期強(qiáng)度上沒有較大提高，且28 d強(qiáng)度上還會有強(qiáng)度倒縮的現(xiàn)象出現(xiàn)。FT-3對比空白再次出現(xiàn)了早期強(qiáng)度倒縮現(xiàn)象，而28 d強(qiáng)度上則與空白相差不大，說明FT-3并不適合提高早期強(qiáng)度，對后期強(qiáng)度也沒有提高。

1.4引入堿激發(fā)原理提高水泥早期強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)

20世紀(jì)30年代，PURDON等研究發(fā)現(xiàn)，少量NaOH在水泥硬化過程中可起催化作用，使水泥中的鋁硅酸鹽易溶而形成硅酸鈉和偏鋁酸鈉，進(jìn)一步與氫氧化鈣反應(yīng)形成水化硅、鋁酸鈣，使水泥硬化并重新生成NaOH，催化下一輪反應(yīng)，由此提出“堿激發(fā)”理論^[3]。

此后，蘇聯(lián)開展大量相關(guān)研究，開發(fā)新型堿激發(fā)水泥。中國于20世紀(jì)80年代也開展了相關(guān)研究，取得大量研究成果。研究發(fā)現(xiàn)，與硅酸鹽水泥相比，堿激發(fā)水泥具有需水量小、水化熱低、強(qiáng)度高、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)^[4]。

在此基礎(chǔ)上，引入片堿，設(shè)計(jì)出了配方FT-5、FT-6、FT-7、FT-8、FT-9。FT-5、FT-6對比空白實(shí)驗(yàn)如表6所示。

FT-5配方在3d強(qiáng)度上，對比空白出現(xiàn)了強(qiáng)度倒縮現(xiàn)象，在28 d強(qiáng)度上，對比空白沒有差別，說明FT-5在早期強(qiáng)度上并沒有提高，后期強(qiáng)度方面也沒有提高。FT-6配方在3d強(qiáng)度上，對比空白增長了1.1MPa，在28 d強(qiáng)度上增長了1.5MPa。這說明其在早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度方面都能較有較好的提高，但仍不能滿足實(shí)驗(yàn)3d增長2～3MPa的要求。

FT-7、FT-8對比空白實(shí)驗(yàn)如表7所示。FT-7配方在3d強(qiáng)度上，對比空白增長了2.7MPa，滿足了實(shí)驗(yàn)要求3d增長2～3MPa的要求。FT-8配方在3d強(qiáng)度上，對比空白增長了1.8MPa，沒能滿足實(shí)驗(yàn)要求。

FT-7重復(fù)實(shí)驗(yàn)、FT-9對比空白如表8所示。重復(fù)實(shí)驗(yàn)了FT-7配方并對比FT-9配方，F(xiàn)T-7在3d強(qiáng)度上，對比空白增長2.5MPa。對比上次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并沒有太大差別，并滿足實(shí)驗(yàn)要求。配方FT-9對比空白，3d強(qiáng)度增長了1MPa。

2 階段總結(jié)與水泥激發(fā)劑適用性實(shí)驗(yàn)

篩選2個階段的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，引入堿激發(fā)理論的配方FT-7在3d早期強(qiáng)度和28 d后期強(qiáng)度兩個方面都滿足了實(shí)驗(yàn)要求。選定配方FT-7為水泥激發(fā)劑基礎(chǔ)配方，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的配方基礎(chǔ)，繼續(xù)驗(yàn)證其作用^[5]。

1）不同摻量，即0.10%、0.15%、0.20%、0.05%。

2）不同摻合料，即針對不同廠家不同摻合料的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3）不同強(qiáng)度水泥，即32.5水泥、42.5水泥、52.5水泥下的表現(xiàn)。

2.1 不同摻量實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)方案：設(shè)置0.10%、0.15%、0.20%、0.05% 4組不同的摻量，對比空白^[6]。

不同摻量實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表9所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，水泥激發(fā)劑在摻量為0.15%時，提高早期強(qiáng)度的效果最好。

2.2 不同摻合料實(shí)驗(yàn)

不同摻合料實(shí)驗(yàn)配方和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表10至表11所示。

強(qiáng)度數(shù)據(jù)表明，加劑組對比空白在早期強(qiáng)度上平均提高1.7MPa；替換摻合料之后的小磨水泥，加入水泥激發(fā)劑的組對比空白，在早期強(qiáng)度上，平均提高了3.5MPa。這表明水泥激發(fā)劑在此水泥配方比例的條件下，仍具有良好的提高早期強(qiáng)度效果^[7]。

衡陽金山環(huán)保建材公司空白配方為基礎(chǔ)，替換配方中的摻合料，按照0.15%的摻量加劑。實(shí)驗(yàn)配方和結(jié)果如表14至表16所示。

衡陽金山環(huán)保建材公司的2組對比實(shí)驗(yàn)中，加劑組比空白組在早期強(qiáng)度結(jié)果上，平均提高了2.2MPa；替換摻合料后的小磨水泥，加劑組對比空白組，早期強(qiáng)度平均提高3MPa。實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足要求。

2.3 不同強(qiáng)度水泥實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)方案：選取市面上常見的3種不同強(qiáng)度水泥，加入水泥激發(fā)劑，進(jìn)行強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表17所示。其中，32.5水泥為寧鄉(xiāng)南方出廠袋裝水泥，42.5水泥為桃江南方出廠袋裝水泥，52.5水泥為常德南方出廠袋裝水泥。

在不同強(qiáng)度水泥的對比實(shí)驗(yàn)中，加劑組在早期強(qiáng)度上都要高于空白組，并隨著強(qiáng)度水泥的不同，強(qiáng)度越高的水泥，加劑組早期強(qiáng)度越高于空白組，表明堿激發(fā)理論在高強(qiáng)度水泥中的效果要更加明顯^[8]。

2.4 加入水泥激發(fā)劑水泥混凝土適配實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)方案：將寧鄉(xiāng)南方32.5空白水泥和0.15%摻量加劑的寧鄉(xiāng)南方32.5水泥進(jìn)行混凝土適配實(shí)驗(yàn)，檢測坍落度，擴(kuò)展度和流動度，結(jié)果如表18所示。減水劑選用湖南中巖建材科技有限公司的高性能減水劑CZ101^[9]。

通過混凝土適配實(shí)驗(yàn)對比擴(kuò)展度與坍落度，寧鄉(xiāng)南方空白與寧鄉(xiāng)南方加水泥激發(fā)劑的水泥，在混凝土適配實(shí)驗(yàn)中，擴(kuò)展度與坍落度沒有太大區(qū)別，證明水泥激發(fā)劑對水泥對混凝土性能沒有影響^[10]。

3 結(jié) 論

調(diào)配出了水泥激發(fā)劑的最佳配方和配比，通過堿激發(fā)原理，提高了水泥早期強(qiáng)度，且對后期強(qiáng)度不產(chǎn)生影響，使其滿足水泥生產(chǎn)出廠要求。

解決了降低成本后的強(qiáng)度問題，并深入對比了不同強(qiáng)度水泥和不同摻合料水泥，并進(jìn)行了加入水泥激發(fā)劑后水泥的混凝土適配實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而得出水泥激發(fā)劑的普適性。

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Study onPreparation and Performance of a Cement Activator

JIANG Wenkai， HE Ren， ZHANG Qing， LI Xing， WANG Jun

（Hunan Zhongyan Building Material Technology， Changsha Hunan 410600，China）

Abstract：Aiming at the low early strength problem of some ordinary portland cement in the market，a cement activator was designed to stimulate the early strength of some ordinary Portland cement， without affecting the later strength. The mechanism of cement activator in improving the early strength of cement was introduced， and through experimental research on its performance， the optimal ratio of formula raw materials was ultimately determined. Subsequently， through optimization of production process parameters， its application in industrial production was successfully achieved， which can decrease the cost of cement production and carbon emissions， and help manufacturers achieve high-quality and sustainable development strategies.

Key words：Early strength of cement;Alkali excitation;Molding