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

關 鍵 詞：水泥早期強度；堿激發(fā)；成型

中圖分類號：TQ172.4+63文獻標志碼： 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用，在其生產過程中會產生大量的“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)能減排對中國實現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略意義重大。水泥熟料作為水泥生產過程中重要的“產碳”原料之一，如何在降低成本的前提下，保證水泥早期強度滿足要求，同時不影響后期強度，將成為水泥生產階段“降碳”的關鍵舉措。水泥激發(fā)劑應市場需求而被設計出來，其應對水泥在降低成本的前提下，仍能滿足水泥早期強度要求且不影響后期強度^[1]。

1 水泥激發(fā)劑作用機理及使用背景

1.1 水泥激發(fā)劑作用機理

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)劑的實驗過程及使用效果

實驗材料：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；機制砂，細度模數(shù)3.4；高效減水劑，CZ-101，湖南中巖建材科技有限公司。

實驗主要分為2步進行：一是利用水泥助磨劑成分摻入水泥對水泥早期強度進行調節(jié)；二是利用堿激發(fā)原理對水泥早期強度進行調節(jié)。對2種實驗原理進行強度對照，確定水泥激發(fā)劑最后配方并進行小磨實驗和混凝土適配實驗。

1.3 助磨劑成分對提高水泥早期強度的實驗

實驗方案設計：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，充分攪拌，搖勻。采用桃江南方水泥為基礎水泥，設置空白組和添加水泥激發(fā)劑組做對比實驗^[2]。水泥膠砂實驗中使用的材料及比例如表1所示。

參照《水泥膠砂強度檢驗方法（SO 法）》（GB/T17671—1999）進行膠砂成型實驗，并檢測試塊強度。

就提高水泥膠砂成型3d強度方面，通過提高早期強度的原料，設計了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強度上，對比空白組提高了1.6MPa，較為接近早期強度要求，但仍有提升空間。28 d強度對比空白組提高了2.4MPa。

配方FT-2在配方FT-1的基礎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重復實驗、FT-2、FT-3對比空白如表3所示。

實驗數(shù)據(jù)在3d、28d強度上都出現(xiàn)了強度倒縮現(xiàn)象。而后，在FT-3的基礎上設計出來FT-4，引入了硫酸鋁替換掉了硫氰酸鈉，并與其對比，做了膠砂成型實驗。FT-3重復實驗、FT-4對比空白如表4所示。

實驗數(shù)據(jù)在3d強度上也出現(xiàn)了強度倒縮現(xiàn)象，說明并非由實驗誤差導致了強度倒縮，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強度上都出現(xiàn)了強度倒縮現(xiàn)象。

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

1.4引入堿激發(fā)原理提高水泥早期強度的實驗

20世紀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，進一步與氫氧化鈣反應形成水化硅、鋁酸鈣，使水泥硬化并重新生成NaOH，催化下一輪反應，由此提出“堿激發(fā)”理論^[3]。

此后，蘇聯(lián)開展大量相關研究，開發(fā)新型堿激發(fā)水泥。中國于20世紀80年代也開展了相關研究，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、強度高、耐久性好等優(yōu)點^[4]。

在此基礎上，引入片堿，設計出了配方FT-5、FT-6、FT-7、FT-8、FT-9。FT-5、FT-6對比空白實驗如表6所示。

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

FT-7、FT-8對比空白實驗如表7所示。FT-7配方在3d強度上，對比空白增長了2.7MPa，滿足了實驗要求3d增長2～3MPa的要求。FT-8配方在3d強度上，對比空白增長了1.8MPa，沒能滿足實驗要求。

FT-7重復實驗、FT-9對比空白如表8所示。重復實驗了FT-7配方并對比FT-9配方，F(xiàn)T-7在3d強度上，對比空白增長2.5MPa。對比上次實驗數(shù)據(jù)，并沒有太大差別，并滿足實驗要求。配方FT-9對比空白，3d強度增長了1MPa。

2 階段總結與水泥激發(fā)劑適用性實驗

篩選2個階段的實驗數(shù)據(jù)，引入堿激發(fā)理論的配方FT-7在3d早期強度和28 d后期強度兩個方面都滿足了實驗要求。選定配方FT-7為水泥激發(fā)劑基礎配方，為后續(xù)實驗的配方基礎，繼續(xù)驗證其作用^[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行實驗。

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

2.1 不同摻量實驗

實驗方案：設置0.10%、0.15%、0.20%、0.05% 4組不同的摻量，對比空白^[6]。

不同摻量實驗結果如表9所示。實驗結果表明，水泥激發(fā)劑在摻量為0.15%時，提高早期強度的效果最好。

2.2 不同摻合料實驗

不同摻合料實驗配方和實驗結果如表10至表11所示。

強度數(shù)據(jù)表明，加劑組對比空白在早期強度上平均提高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度效果^[7]。

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

衡陽金山環(huán)保建材公司的2組對比實驗中，加劑組比空白組在早期強度結果上，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，早期強度平均提高3MPa。實驗結果滿足要求。

2.3 不同強度水泥實驗

實驗方案：選取市面上常見的3種不同強度水泥，加入水泥激發(fā)劑，進行強度實驗，結果如表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。

在不同強度水泥的對比實驗中，加劑組在早期強度上都要高于空白組，并隨著強度水泥的不同，強度越高的水泥，加劑組早期強度越高于空白組，表明堿激發(fā)理論在高強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驗

實驗方案：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水泥進行混凝土適配實驗，檢測坍落度，擴展度和流動度，結果如表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]。

通過混凝土適配實驗對比擴展度與坍落度，寧鄉(xiāng)南方空白與寧鄉(xiāng)南方加水泥激發(fā)劑的水泥，在混凝土適配實驗中，擴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 論

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

解決了降低成本后的強度問題，并深入對比了不同強度水泥和不同摻合料水泥，并進行了加入水泥激發(fā)劑后水泥的混凝土適配實驗，進而得出水泥激發(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