一种水泥激发剂的制备及性能研究

摘 要：针对市面上一些普通硅酸盐水泥出现早期强度过低的现象，设计出的一种能激发水泥早期强度且不影响后期强度的水泥激发剂。介绍了水泥激发剂在提高水泥早期强度中的作用机理，并通过对其性能的实验研究，最终确定了最优配方，后续通过生产工艺参数优化，成功实现其在工业化生产中的应用，降低了水泥生产成本以及碳排放量，助力厂家实现高质量、可持续发展战略。

关 键 词：水泥早期强度；碱激发；成型

中图分类号：TQ172.4+63文献标志码： A 文章编号： 1004-0935（2024）09-1442-05

硅酸盐水泥长期以来被建筑行业作为胶凝材料广泛应用，在其生产过程中会产生大量的“碳排放”，水泥行业以全国碳排放总量13.5%的占比位居制造业领域第二碳排放行业（仅次于钢铁行业），其节能减排对中国实现“双碳”战略意义重大。水泥熟料作为水泥生产过程中重要的“产碳”原料之一，如何在降低成本的前提下，保证水泥早期强度满足要求，同时不影响后期强度，将成为水泥生产阶段“降碳”的关键举措。水泥激发剂应市场需求而被设计出来，其应对水泥在降低成本的前提下，仍能满足水泥早期强度要求且不影响后期强度^[1]。

1 水泥激发剂作用机理及使用背景

1.1 水泥激发剂作用机理

水泥激发剂主要利用了碱激发原理，主要成分包括氢氧化物（NaOH）、硫酸盐（NaSO）、粉煤灰、氯酸盐等，激发剂的种类及含量对胶凝材料的性能有很大影响。

1.2 水泥激发剂的实验过程及使用效果

实验材料：氢氧化钠，工业级；粉煤灰，宁乡南方水泥厂；硫氰酸钠，工业级；氯酸盐，工业级；水泥，南方P.O 42.5，湖南桃江南方水泥公司；机制砂，细度模数3.4；高效减水剂，CZ-101，湖南中岩建材科技有限公司。

实验主要分为2步进行：一是利用水泥助磨剂成分掺入水泥对水泥早期强度进行调节；二是利用碱激发原理对水泥早期强度进行调节。对2种实验原理进行强度对照，确定水泥激发剂最后配方并进行小磨实验和混凝土适配实验。

1.3 助磨剂成分对提高水泥早期强度的实验

实验方案设计：配置水泥激发剂，将样品充分研磨搅拌。称取2000g桃江南方水泥，以0.15%的掺量添加3g水泥激发剂于塑料桶中，充分搅拌，摇匀。采用桃江南方水泥为基础水泥，设置空白组和添加水泥激发剂组做对比实验^[2]。水泥胶砂实验中使用的材料及比例如表1所示。

参照《水泥胶砂强度检验方法（SO 法）》（GB/T17671—1999）进行胶砂成型实验，并检测试块强度。

就提高水泥胶砂成型3d强度方面，通过提高早期强度的原料，设计了7个不同的配方，其中以工业盐和硫氰酸钠及粉煤灰为主要原材料。FT-1对比空白如表2所示。

配方FT-1在3 d强度上，对比空白组提高了1.6MPa，较为接近早期强度要求，但仍有提升空间。28 d强度对比空白组提高了2.4MPa。

配方FT-2在配方FT-1的基础上加入了少量的液体三乙醇胺；配方FT-3则以元明粉替换了FT-1中的工业盐。FT-1重复实验、FT-2、FT-3对比空白如表3所示。

实验数据在3d、28d强度上都出现了强度倒缩现象。而后，在FT-3的基础上设计出来FT-4，引入了硫酸铝替换掉了硫氰酸钠，并与其对比，做了胶砂成型实验。FT-3重复实验、FT-4对比空白如表4所示。

实验数据在3d强度上也出现了强度倒缩现象，说明并非由实验误差导致了强度倒缩，而是配方问题，故舍弃了配方FT-3。FT-4配方对比空白，在3d、28d强度上都出现了强度倒缩现象。

考虑到前面的配方可能是因为实验误差导致强度倒缩，而重复实验对比了FT-1和FT-2还有FT-3，结果如表5所示。实验数据中，3d强度FT-1较空白增长了1.7MPa，28 d强度与空白组强度相差不大，与之前的数据对比，结果是稳定的。FT-2对比空白，3d强度增长了0.8MPa，28 d强度倒缩了0.6MPa，说明FT-2在早期强度上没有较大提高，且28 d强度上还会有强度倒缩的现象出现。FT-3对比空白再次出现了早期强度倒缩现象，而28 d强度上则与空白相差不大，说明FT-3并不适合提高早期强度，对后期强度也没有提高。

1.4引入碱激发原理提高水泥早期强度的实验

20世纪30年代，PURDON等研究发现，少量NaOH在水泥硬化过程中可起催化作用，使水泥中的铝硅酸盐易溶而形成硅酸钠和偏铝酸钠，进一步与氢氧化钙反应形成水化硅、铝酸钙，使水泥硬化并重新生成NaOH，催化下一轮反应，由此提出“碱激发”理论^[3]。

此后，苏联开展大量相关研究，开发新型碱激发水泥。中国于20世纪80年代也开展了相关研究，取得大量研究成果。研究发现，与硅酸盐水泥相比，碱激发水泥具有需水量小、水化热低、强度高、耐久性好等优点^[4]。

在此基础上，引入片碱，设计出了配方FT-5、FT-6、FT-7、FT-8、FT-9。FT-5、FT-6对比空白实验如表6所示。

FT-5配方在3d强度上，对比空白出现了强度倒缩现象，在28 d强度上，对比空白没有差别，说明FT-5在早期强度上并没有提高，后期强度方面也没有提高。FT-6配方在3d强度上，对比空白增长了1.1MPa，在28 d强度上增长了1.5MPa。这说明其在早期强度和后期强度方面都能较有较好的提高，但仍不能满足实验3d增长2～3MPa的要求。

FT-7、FT-8对比空白实验如表7所示。FT-7配方在3d强度上，对比空白增长了2.7MPa，满足了实验要求3d增长2～3MPa的要求。FT-8配方在3d强度上，对比空白增长了1.8MPa，没能满足实验要求。

FT-7重复实验、FT-9对比空白如表8所示。重复实验了FT-7配方并对比FT-9配方，FT-7在3d强度上，对比空白增长2.5MPa。对比上次实验数据，并没有太大差别，并满足实验要求。配方FT-9对比空白，3d强度增长了1MPa。

2 阶段总结与水泥激发剂适用性实验

筛选2个阶段的实验数据，引入碱激发理论的配方FT-7在3d早期强度和28 d后期强度两个方面都满足了实验要求。选定配方FT-7为水泥激发剂基础配方，为后续实验的配方基础，继续验证其作用^[5]。

1）不同掺量，即0.10%、0.15%、0.20%、0.05%。

2）不同掺合料，即针对不同厂家不同掺合料的条件下进行实验。

3）不同强度水泥，即32.5水泥、42.5水泥、52.5水泥下的表现。

2.1 不同掺量实验

实验方案：设置0.10%、0.15%、0.20%、0.05% 4组不同的掺量，对比空白^[6]。

不同掺量实验结果如表9所示。实验结果表明，水泥激发剂在掺量为0.15%时，提高早期强度的效果最好。

2.2 不同掺合料实验

不同掺合料实验配方和实验结果如表10至表11所示。

强度数据表明，加剂组对比空白在早期强度上平均提高1.7MPa；替换掺合料之后的小磨水泥，加入水泥激发剂的组对比空白，在早期强度上，平均提高了3.5MPa。这表明水泥激发剂在此水泥配方比例的条件下，仍具有良好的提高早期强度效果^[7]。

衡阳金山环保建材公司空白配方为基础，替换配方中的掺合料，按照0.15%的掺量加剂。实验配方和结果如表14至表16所示。

衡阳金山环保建材公司的2组对比实验中，加剂组比空白组在早期强度结果上，平均提高了2.2MPa；替换掺合料后的小磨水泥，加剂组对比空白组，早期强度平均提高3MPa。实验结果满足要求。

2.3 不同强度水泥实验

实验方案：选取市面上常见的3种不同强度水泥，加入水泥激发剂，进行强度实验，结果如表17所示。其中，32.5水泥为宁乡南方出厂袋装水泥，42.5水泥为桃江南方出厂袋装水泥，52.5水泥为常德南方出厂袋装水泥。

在不同强度水泥的对比实验中，加剂组在早期强度上都要高于空白组，并随着强度水泥的不同，强度越高的水泥，加剂组早期强度越高于空白组，表明碱激发理论在高强度水泥中的效果要更加明显^[8]。

2.4 加入水泥激发剂水泥混凝土适配实验

实验方案：将宁乡南方32.5空白水泥和0.15%掺量加剂的宁乡南方32.5水泥进行混凝土适配实验，检测坍落度，扩展度和流动度，结果如表18所示。减水剂选用湖南中岩建材科技有限公司的高性能减水剂CZ101^[9]。

通过混凝土适配实验对比扩展度与坍落度，宁乡南方空白与宁乡南方加水泥激发剂的水泥，在混凝土适配实验中，扩展度与坍落度没有太大区别，证明水泥激发剂对水泥对混凝土性能没有影响^[10]。

3 结 论

调配出了水泥激发剂的最佳配方和配比，通过碱激发原理，提高了水泥早期强度，且对后期强度不产生影响，使其满足水泥生产出厂要求。

解决了降低成本后的强度问题，并深入对比了不同强度水泥和不同掺合料水泥，并进行了加入水泥激发剂后水泥的混凝土适配实验，进而得出水泥激发剂的普适性。

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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