醇類助磨劑對(duì)水泥強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究*

楊 彬，丁 斌

（1.青海建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，青海 西寧 810012；2.同濟(jì)大學(xué) 先進(jìn)土木工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804；3.溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 溫州 325003）

水泥助磨劑作為水泥生產(chǎn)中必不可少的原材料之一，是水泥兩磨一燒中磨細(xì)水泥中的必備物質(zhì)，發(fā)揮著極其重要的作用[1,2]。助磨劑的種類涵蓋了無機(jī)物、有機(jī)物、再生材料、工業(yè)廢料等，品種較多，加之助磨劑的助磨機(jī)理較復(fù)雜，因此，能否選用合適的助磨劑，最大限度發(fā)揮助磨劑的助磨效果，將直接影響水泥的諸多理化性質(zhì)[3-6]。本實(shí)驗(yàn)選用了具有代表性的7種有機(jī)物，對(duì)摻量、碳鏈、羥基數(shù)量等對(duì)水泥強(qiáng)度的影響進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

1.1.1 水泥熟料 由祁連山水泥廠提供，尺寸為10～40mm的固體，其化學(xué)組成見表1。

表1 水泥熟料的化學(xué)成分（質(zhì)量百分比%）Tab.1 Chemical composition of cement clinker（%）

1.1.2 石膏 由互助鑫鑫石膏制品有限公司提供，尺寸為10～40mm，其化學(xué)成分及礦物組成見表2。

表2 石膏的化學(xué)成分及礦物組成（質(zhì)量百分比%）Tab.2 Chemical composition and mineral composition of gypsum（%）

1.1.3 標(biāo)準(zhǔn)砂 廈門艾斯歐標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司生產(chǎn)，凈含量20.25kg。

1.1.4 助磨劑 甲醇、乙醇、乙二醇、異丙醇、丙二醇、丙三醇、正丁醇，7種羥基有機(jī)化合物作為助磨劑，均為分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠。其分子結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 7類助磨劑的分子結(jié)構(gòu)Fig.1 Molecular structure of seven kinds of grinding aids

1.2 儀器

SM-500型水泥熟料球磨機(jī)（河北鑫路達(dá)路橋儀器廠）；JJ-5型行星式膠砂攪拌機(jī)（無錫合誠試驗(yàn)儀器有限公司）；ZS-15/96型水泥膠砂振實(shí)臺(tái)（上海雷韻試驗(yàn)儀器制造有限公司）；DYE-300S型水泥膠砂抗折抗壓一體機(jī)（河北隆輝試驗(yàn)儀器廠）。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 配置助磨劑溶液 選取甲醇、乙醇、乙二醇、異丙醇、丙二醇、丙三醇、正丁醇等7種羥基有機(jī)化合物作為助磨劑，用水分別稀釋成5g的溶液。

1.3.2 摻入助磨劑 根據(jù)水泥生產(chǎn)工藝，將7種不同的助磨劑，分別按照0.01%、0.02%和0.04%（質(zhì)量比）均勻摻入熟料中，并確保均勻倒入磨內(nèi)，確保助磨劑與熟料接觸均勻，摻入3%～5%的石膏，粉末均勻。

1.3.3 測(cè)試強(qiáng)度 按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO）法》（GB／T17671-2001），測(cè)試水泥膠砂強(qiáng)度[7]。

2 結(jié)果與討論

2.1 相同摻量下，碳鏈長(zhǎng)短對(duì)水泥強(qiáng)度的影響

2.1.1 0.01%摻量下碳鏈長(zhǎng)度對(duì)水泥強(qiáng)度的影響 為分析助磨劑碳鏈長(zhǎng)度對(duì)水泥強(qiáng)度的影響，實(shí)驗(yàn)選擇甲醇、乙醇、異丙醇、正丁醇等碳鏈結(jié)構(gòu)相對(duì)單一的有機(jī)物，分別按照0.01%，0.02%，0.04%等摻入水泥熟料中，加工形成水泥。通過測(cè)定3、7、28d水泥強(qiáng)度，得出在0.01%摻量的乙醇助磨劑下水泥的3、7、28d抗折強(qiáng)度均最高，除乙醇外，其余助磨劑下水泥抗折強(qiáng)度均和碳鏈長(zhǎng)度呈正比增長(zhǎng)關(guān)系。同樣可以得出，在0.01%摻量下的乙醇助磨劑下水泥的3、7d抗壓強(qiáng)度均最高，但28d后期強(qiáng)度低于異丙醇助磨劑下的水泥強(qiáng)度。除乙醇外，其余助磨劑摻入后，水泥早期抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)與碳鏈長(zhǎng)度增長(zhǎng)的反比關(guān)系，而異丙醇助磨劑對(duì)水泥28d的中后期強(qiáng)度貢獻(xiàn)最大，數(shù)值最高，結(jié)果見圖2。

圖2 0.01%摻量下不同助磨劑對(duì)水泥強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of different grinding aids on cement strength at 0.01% content

由圖2可以看出，在0.01%摻量下，乙醇助磨劑對(duì)水泥的抗折強(qiáng)度和早中期抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)均最佳，而異丙醇摻入后，水泥的后期抗壓強(qiáng)度最高。同時(shí)不難看出，0.01%的助磨劑摻量下，水泥強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.1.2 0.02%摻量下碳鏈長(zhǎng)度對(duì)水泥強(qiáng)度的影響

圖3為0.02%摻量不同助磨劑作用下，水泥強(qiáng)度的變化規(guī)律。

圖3 0.02%摻量下不同助磨劑對(duì)水泥強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of different grinding aids on cement strength at 0.02% content

由圖3可知，甲醇作用下，3d抗折強(qiáng)度最大；正丁醇作用下，7d抗折強(qiáng)度最大；乙醇作用下，28d的抗折強(qiáng)度最大，但低于0.01%摻量下水泥的28d抗折強(qiáng)度?？箟簭?qiáng)度方面，異丙醇作用下3、7d的水泥抗壓強(qiáng)度均最大，而正丁醇作用下28d抗壓強(qiáng)度最大。試驗(yàn)證明，0.02%摻量下，助磨劑對(duì)水泥28d的抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)均高于0.01%摻量。

2.1.3 0.04%摻量下碳鏈長(zhǎng)度對(duì)水泥強(qiáng)度的影響

圖4為0.04%摻量下不同助磨劑對(duì)水泥強(qiáng)度的影響。

圖4 0.04%摻量下不同助磨劑對(duì)水泥強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of different grinding aids on cement strength at 0.04% content

由圖4可知，在正丁醇作用下，除28d的抗折強(qiáng)度與甲醇作用下的數(shù)據(jù)一致且最大外，3及7d的抗折強(qiáng)度均最小。而3d抗壓強(qiáng)度方面，除乙醇外，隨著碳鏈的增長(zhǎng)，強(qiáng)度下降，中后期抗壓強(qiáng)度除正丁醇外，其余隨碳鏈的增長(zhǎng)而增加。

2.2 相同碳鏈長(zhǎng)度下，羥基數(shù)量對(duì)水泥強(qiáng)度的影響

2.2.1 0.01%摻量下乙醇和乙二醇作為助磨劑對(duì)水泥強(qiáng)度的影響

圖5為0.01%摻量下乙醇和乙二醇作為助磨劑對(duì)水泥強(qiáng)度的影響。

由圖5可知，除3d抗折強(qiáng)度和7d抗壓強(qiáng)度隨著羥基數(shù)量的增加而有所增大外，其余齡期的抗折抗壓強(qiáng)度均隨著羥基數(shù)量增加而降低。即碳鏈長(zhǎng)度為2時(shí)，助磨劑中羥基官能團(tuán)數(shù)量曾都對(duì)后期的抗折和抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。

圖5 0.01%摻量下乙醇和乙二醇作為助磨劑對(duì)水泥強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of ethanol and ethylene glycol as grinding aids on cement strength at 0.01% content

2.2.2 0.02%摻量下乙醇和乙二醇作為助磨劑對(duì)水泥強(qiáng)度的影響

圖6為0.02%摻量下乙醇和乙二醇作為助磨劑對(duì)水泥強(qiáng)度的影響。

圖6 0.02%摻量下乙醇和乙二醇作為助磨劑對(duì)水泥強(qiáng)度的影響Fig.6 Effect of ethanol and ethylene glycol as grinding aids on cement strength at 0.02% content

由圖6可知，0.02%摻量下，乙醇和乙二醇作為助磨劑對(duì)水泥強(qiáng)度的影響較0.01%摻量下發(fā)生顯著變化，除7和28d抗壓強(qiáng)度隨著官能團(tuán)的數(shù)值增加或保持不變之外，其余各齡期的抗折抗壓強(qiáng)度均隨官能團(tuán)數(shù)量的增加而降低。

2.2.3 0.04%摻量下乙醇和乙二醇作為助磨劑對(duì)水泥強(qiáng)度的影響

圖7為0.04%摻量下乙醇和乙二醇作為助磨劑對(duì)水泥強(qiáng)度的影響。

圖7 0.04%摻量下乙醇和乙二醇作為助磨劑對(duì)水泥強(qiáng)度的影響Fig.7 Effect of ethanol and ethylene glycol as grinding aids on cement strength at 0.04% content

由圖7可知，0.04%摻量下，除7、28d抗折強(qiáng)度數(shù)據(jù)保持不變，3、7d抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)降低之外，其余抗折抗壓強(qiáng)度均隨著官能團(tuán)數(shù)量的增加而增加。

2.2.4 0.01%摻量下異丙醇、丙二醇和丙三醇作為助磨劑對(duì)水泥強(qiáng)度的影響

圖8為0.01%摻量下異丙醇、丙二醇和丙三醇作為助磨劑對(duì)水泥強(qiáng)度的影響。

圖8 0.01%摻量下異丙醇、丙二醇和丙三醇作為助磨劑對(duì)水泥強(qiáng)度的影響Fig.8 Effect of isopropanol,propylene glycol and glycerol as grinding aids on cement strength at 0.01% content

由圖8可知，0.01%摻量下，除7d抗壓強(qiáng)度隨著官能團(tuán)數(shù)量的增加而增大外，其余各齡期的抗折抗壓強(qiáng)度均與官能團(tuán)數(shù)量增加呈現(xiàn)“U”型關(guān)系，即由高到低，再由低到高。換言之，在0.01%摻量下，羥基官能團(tuán)從1增加到2，水泥強(qiáng)度降低，從2增加到3，水泥強(qiáng)度又增大。表明在0.01%摻量下，丙三醇對(duì)于各齡期的水泥強(qiáng)度貢獻(xiàn)均最大。

2.2.5 0.02%摻量下異丙醇、丙二醇和丙三醇作為助磨劑對(duì)水泥強(qiáng)度的影響

圖9為0.02%摻量下異丙醇、丙二醇和丙三醇作為助磨劑對(duì)水泥強(qiáng)度的影響。

圖9 0.02%摻量下異丙醇、丙二醇和丙三醇作為助磨劑對(duì)水泥強(qiáng)度的影響Fig.9 Effect of isopropanol,propylene glycol and glycerol as grinding aids on cement strength at 0.02% content

由圖9可知，0.02%摻量下，不同的助磨劑作用后，隨著官能團(tuán)數(shù)量的增加，水泥3d抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)“U”型增長(zhǎng)，7和28d抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)倒“U”型降低。而各齡期抗壓強(qiáng)度均隨著羥基官能團(tuán)的增加而降低。

2.2.6 0.04%摻量下異丙醇、丙二醇和丙三醇作為助磨劑對(duì)水泥強(qiáng)度的影響

圖10為0.04%摻量下異丙醇、丙二醇和丙三醇作為助磨劑對(duì)水泥強(qiáng)度的影響。

圖10 0.04%摻量下異丙醇、丙二醇和丙三醇作為助磨劑對(duì)水泥強(qiáng)度的影響Fig.10 Effect of isopropanol,propylene glycol and glycerol as grinding aids on cement strength at 0.04% content

由圖10可知，0.04%摻量下，不同的助磨劑作用后，隨著官能團(tuán)數(shù)量的增加，水泥3、7d抗折強(qiáng)度，3d抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)“U”型增長(zhǎng)，7和28d抗折強(qiáng)度均隨著羥基官能團(tuán)的增加而降低。

3 結(jié)論

（1）對(duì)比試驗(yàn)中使用的多種羥基醇類助磨劑可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)強(qiáng)度貢獻(xiàn)最大的助磨劑摻量為0.02%和0.04%，低摻量0.01%下，對(duì)水泥的強(qiáng)度影響不明顯。

（2）綜合考慮試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為，異丙醇和丙二醇作為助磨劑時(shí)，水泥各齡期強(qiáng)度可獲得綜合最大值，助磨劑效果最佳。