醇类助磨剂对水泥强度影响的试验研究*

杨 彬，丁 斌

（1.青海建筑职业技术学院，青海 西宁 810012；2.同济大学 先进土木工程教育部重点实验室，上海 201804；3.温州职业技术学院，浙江 温州 325003）

水泥助磨剂作为水泥生产中必不可少的原材料之一，是水泥两磨一烧中磨细水泥中的必备物质，发挥着极其重要的作用[1,2]。助磨剂的种类涵盖了无机物、有机物、再生材料、工业废料等，品种较多，加之助磨剂的助磨机理较复杂，因此，能否选用合适的助磨剂，最大限度发挥助磨剂的助磨效果，将直接影响水泥的诸多理化性质[3-6]。本实验选用了具有代表性的7种有机物，对掺量、碳链、羟基数量等对水泥强度的影响进行了研究。

1 实验部分

1.1 实验原料

1.1.1 水泥熟料 由祁连山水泥厂提供，尺寸为10～40mm的固体，其化学组成见表1。

表1 水泥熟料的化学成分（质量百分比%）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，尺寸为10～40mm，其化学成分及矿物组成见表2。

表2 石膏的化学成分及矿物组成（质量百分比%）Tab.2 Chemical composition and mineral composition of gypsum（%）

1.1.3 标准砂 厦门艾斯欧标准砂有限公司生产，净含量20.25kg。

1.1.4 助磨剂 甲醇、乙醇、乙二醇、异丙醇、丙二醇、丙三醇、正丁醇，7种羟基有机化合物作为助磨剂，均为分析纯，天津市大茂化学试剂厂。其分子结构示意图见图1。

图1 7类助磨剂的分子结构Fig.1 Molecular structure of seven kinds of grinding aids

1.2 仪器

SM-500型水泥熟料球磨机（河北鑫路达路桥仪器厂）；JJ-5型行星式胶砂搅拌机（无锡合诚试验仪器有限公司）；ZS-15/96型水泥胶砂振实台（上海雷韵试验仪器制造有限公司）；DYE-300S型水泥胶砂抗折抗压一体机（河北隆辉试验仪器厂）。

1.3 试验方法

1.3.1 配置助磨剂溶液 选取甲醇、乙醇、乙二醇、异丙醇、丙二醇、丙三醇、正丁醇等7种羟基有机化合物作为助磨剂，用水分别稀释成5g的溶液。

1.3.2 掺入助磨剂 根据水泥生产工艺，将7种不同的助磨剂，分别按照0.01%、0.02%和0.04%（质量比）均匀掺入熟料中，并确保均匀倒入磨内，确保助磨剂与熟料接触均匀，掺入3%～5%的石膏，粉末均匀。

1.3.3 测试强度 按照《水泥胶砂强度检验方法（ISO）法》（GB／T17671-2001），测试水泥胶砂强度[7]。

2 结果与讨论

2.1 相同掺量下，碳链长短对水泥强度的影响

2.1.1 0.01%掺量下碳链长度对水泥强度的影响 为分析助磨剂碳链长度对水泥强度的影响，实验选择甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇等碳链结构相对单一的有机物，分别按照0.01%，0.02%，0.04%等掺入水泥熟料中，加工形成水泥。通过测定3、7、28d水泥强度，得出在0.01%掺量的乙醇助磨剂下水泥的3、7、28d抗折强度均最高，除乙醇外，其余助磨剂下水泥抗折强度均和碳链长度呈正比增长关系。同样可以得出，在0.01%掺量下的乙醇助磨剂下水泥的3、7d抗压强度均最高，但28d后期强度低于异丙醇助磨剂下的水泥强度。除乙醇外，其余助磨剂掺入后，水泥早期抗压强度均呈现与碳链长度增长的反比关系，而异丙醇助磨剂对水泥28d的中后期强度贡献最大，数值最高，结果见图2。

图2 0.01%掺量下不同助磨剂对水泥强度的影响Fig.2 Effect of different grinding aids on cement strength at 0.01% content

由图2可以看出，在0.01%掺量下，乙醇助磨剂对水泥的抗折强度和早中期抗压强度的贡献均最佳，而异丙醇掺入后，水泥的后期抗压强度最高。同时不难看出，0.01%的助磨剂掺量下，水泥强度未达到设计要求。

2.1.2 0.02%掺量下碳链长度对水泥强度的影响

图3为0.02%掺量不同助磨剂作用下，水泥强度的变化规律。

图3 0.02%掺量下不同助磨剂对水泥强度的影响Fig.3 Effect of different grinding aids on cement strength at 0.02% content

由图3可知，甲醇作用下，3d抗折强度最大；正丁醇作用下，7d抗折强度最大；乙醇作用下，28d的抗折强度最大，但低于0.01%掺量下水泥的28d抗折强度。抗压强度方面，异丙醇作用下3、7d的水泥抗压强度均最大，而正丁醇作用下28d抗压强度最大。试验证明，0.02%掺量下，助磨剂对水泥28d的抗压强度贡献均高于0.01%掺量。

2.1.3 0.04%掺量下碳链长度对水泥强度的影响

图4为0.04%掺量下不同助磨剂对水泥强度的影响。

图4 0.04%掺量下不同助磨剂对水泥强度的影响Fig.4 Effect of different grinding aids on cement strength at 0.04% content

由图4可知，在正丁醇作用下，除28d的抗折强度与甲醇作用下的数据一致且最大外，3及7d的抗折强度均最小。而3d抗压强度方面，除乙醇外，随着碳链的增长，强度下降，中后期抗压强度除正丁醇外，其余随碳链的增长而增加。

2.2 相同碳链长度下，羟基数量对水泥强度的影响

2.2.1 0.01%掺量下乙醇和乙二醇作为助磨剂对水泥强度的影响

图5为0.01%掺量下乙醇和乙二醇作为助磨剂对水泥强度的影响。

由图5可知，除3d抗折强度和7d抗压强度随着羟基数量的增加而有所增大外，其余龄期的抗折抗压强度均随着羟基数量增加而降低。即碳链长度为2时，助磨剂中羟基官能团数量曾都对后期的抗折和抗压强度产生不利影响。

图5 0.01%掺量下乙醇和乙二醇作为助磨剂对水泥强度的影响Fig.5 Effect of ethanol and ethylene glycol as grinding aids on cement strength at 0.01% content

2.2.2 0.02%掺量下乙醇和乙二醇作为助磨剂对水泥强度的影响

图6为0.02%掺量下乙醇和乙二醇作为助磨剂对水泥强度的影响。

图6 0.02%掺量下乙醇和乙二醇作为助磨剂对水泥强度的影响Fig.6 Effect of ethanol and ethylene glycol as grinding aids on cement strength at 0.02% content

由图6可知，0.02%掺量下，乙醇和乙二醇作为助磨剂对水泥强度的影响较0.01%掺量下发生显著变化，除7和28d抗压强度随着官能团的数值增加或保持不变之外，其余各龄期的抗折抗压强度均随官能团数量的增加而降低。

2.2.3 0.04%掺量下乙醇和乙二醇作为助磨剂对水泥强度的影响

图7为0.04%掺量下乙醇和乙二醇作为助磨剂对水泥强度的影响。

图7 0.04%掺量下乙醇和乙二醇作为助磨剂对水泥强度的影响Fig.7 Effect of ethanol and ethylene glycol as grinding aids on cement strength at 0.04% content

由图7可知，0.04%掺量下，除7、28d抗折强度数据保持不变，3、7d抗压强度数据降低之外，其余抗折抗压强度均随着官能团数量的增加而增加。

2.2.4 0.01%掺量下异丙醇、丙二醇和丙三醇作为助磨剂对水泥强度的影响

图8为0.01%掺量下异丙醇、丙二醇和丙三醇作为助磨剂对水泥强度的影响。

图8 0.01%掺量下异丙醇、丙二醇和丙三醇作为助磨剂对水泥强度的影响Fig.8 Effect of isopropanol,propylene glycol and glycerol as grinding aids on cement strength at 0.01% content

由图8可知，0.01%掺量下，除7d抗压强度随着官能团数量的增加而增大外，其余各龄期的抗折抗压强度均与官能团数量增加呈现“U”型关系，即由高到低，再由低到高。换言之，在0.01%掺量下，羟基官能团从1增加到2，水泥强度降低，从2增加到3，水泥强度又增大。表明在0.01%掺量下，丙三醇对于各龄期的水泥强度贡献均最大。

2.2.5 0.02%掺量下异丙醇、丙二醇和丙三醇作为助磨剂对水泥强度的影响

图9为0.02%掺量下异丙醇、丙二醇和丙三醇作为助磨剂对水泥强度的影响。

图9 0.02%掺量下异丙醇、丙二醇和丙三醇作为助磨剂对水泥强度的影响Fig.9 Effect of isopropanol,propylene glycol and glycerol as grinding aids on cement strength at 0.02% content

由图9可知，0.02%掺量下，不同的助磨剂作用后，随着官能团数量的增加，水泥3d抗折强度呈现“U”型增长，7和28d抗折强度呈现倒“U”型降低。而各龄期抗压强度均随着羟基官能团的增加而降低。

2.2.6 0.04%掺量下异丙醇、丙二醇和丙三醇作为助磨剂对水泥强度的影响

图10为0.04%掺量下异丙醇、丙二醇和丙三醇作为助磨剂对水泥强度的影响。

图10 0.04%掺量下异丙醇、丙二醇和丙三醇作为助磨剂对水泥强度的影响Fig.10 Effect of isopropanol,propylene glycol and glycerol as grinding aids on cement strength at 0.04% content

由图10可知，0.04%掺量下，不同的助磨剂作用后，随着官能团数量的增加，水泥3、7d抗折强度，3d抗压强度呈现“U”型增长，7和28d抗折强度均随着羟基官能团的增加而降低。

3 结论

（1）对比试验中使用的多种羟基醇类助磨剂可以发现，对强度贡献最大的助磨剂掺量为0.02%和0.04%，低掺量0.01%下，对水泥的强度影响不明显。

（2）综合考虑试验结果认为，异丙醇和丙二醇作为助磨剂时，水泥各龄期强度可获得综合最大值，助磨剂效果最佳。