甘蔗糖蜜對水泥緩凝和減水的性能研究

    甘蔗廢糖蜜對水泥同時具有緩凝和減水作用。采用酒精凝聚法分離廢糖蜜得到膠體和非膠體組份；從水泥水化熱、表面張力以及吸附性能闡述了其對水泥減水和緩凝的原因。結(jié)果表明，糖蜜中的膠體組份主要起分散作用，而非膠體組份主要起緩凝作用。
    【關(guān)鍵詞】：膠體；非膠體；水泥水化；緩凝；減水
　　甘蔗廢糖蜜是制糖工業(yè)的副產(chǎn)品，主要含有膠體組份和非膠體組份，其中非膠體組份含有蔗糖和還原糖。廢糖蜜既可以用于制作酒精、發(fā)酵母、醬油、味精等的原料，也可以用作混凝土外加劑。用作外加劑時，糖蜜通常先用石灰水中和，然后噴霧干燥制成糖鈣粉劑，可以作為混凝土的緩凝減水劑。而糖鈣對混凝土同時具有減水和緩凝作用的原因的研究尚未見報道。對減水和緩凝機理的研究，既有助于更好地將糖蜜用于混凝土外加劑領(lǐng)域，同時也使制糖廠的副產(chǎn)物廢糖蜜得到了充分的應(yīng)用，提高制糖的附加值。糖蜜在與石灰水中和過程中并沒有根本改變糖蜜中具有減水和緩凝作用的分子基團結(jié)構(gòu)，只是簡單的螯合，同時為了便于噴霧干燥工藝的實現(xiàn)。因此，本文將直接采用甘蔗廢糖蜜作為研究對象，探討其同時具有緩凝和減水作用的原因。
　　實  驗
　　1：實驗材料和儀器
　　甘蔗廢糖蜜：固含量為73.98%；酒精：分析純；a一萘酚：分析純；鹽酸：濃度為O.1mol/L；水泥：江南小野田52.5級P•H水泥。
    Sigma703型數(shù)字表面張力儀：multi N／C 3100 TOC總有機碳分析儀；TAM air多通道等溫量熱儀：水泥凈漿攪拌器；標(biāo)準(zhǔn)法維卡儀。
　　2：糖蜜成分的分離
　　采用酒精凝聚法分離廢糖蜜中的膠體與非膠體組份，因為酒精的介電常數(shù)小，能夠除去親水性膠體的水膜，降低膠體的穩(wěn)定性，因此廢糖蜜中的親水性膠體包括膠質(zhì)、蛋白質(zhì)膠態(tài)物質(zhì)等能被酒精凝聚沉淀下來，加酸使負(fù)電荷膠體達到等電點(pH值4.0—4.5)時，膠體更易凝膠。稱取廢糖蜜(Mo)15.88 g置于250ml三頸燒瓶中，用0.1mol／L的鹽酸調(diào)節(jié)pH值至4.0~4.5，加入乙醇100 mL，并且安裝上回流冷凝管，在沸水浴上加熱15 min，用已經(jīng)干燥至恒重的干濾紙過濾，沉淀，并用95%的乙醇充分洗滌至濾液與a-萘酚不起紫色反應(yīng)為止，沉淀物與濾紙放于烘箱中烘至恒重，得到膠體組份(Mo—gel)，濾液通過減壓蒸餾得到固體物烘至恒重，即為非膠體組份(Mo—sug)。將膠體和非膠體組份重新溶解制備成20%的水溶液，備用。
　　3：性能測試與表征
　　1）凈漿流動度測試
　　參照GB/T 8077-2000《混凝土外加質(zhì)性試驗方法》相關(guān)規(guī)定執(zhí)行，取300 g水泥，105 g水，摻不同用量的外加劑，攪拌3 min，測試水泥凈漿流動度。
　　2）泥凝結(jié)時間測試
　　參照GB/T 1346--2001《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法》相關(guān)規(guī)定執(zhí)行，為了方便比較凝結(jié)時間，水灰比統(tǒng)一采用0.27，在濕氣養(yǎng)護箱中[溫度為(20±1)℃，相對濕度不低于90%]養(yǎng)護，測試初凝和終凝時間。
　　3）泥水化熱測試
　　采用TAM air多通道等溫量熱儀對摻0.1%的Mo、Mo-geI和Mo-sug在3 d內(nèi)的水化熱進行測試，水灰比為0.35。
　　4）面張力測試
　　將2 kg水泥和4 kg水?dāng)嚢?0min后，使用抽濾瓶進行抽濾，得到水泥濾液。
　　5）吸附性能測試
　　Mo、Mo-sug和Mo-gel的吸附性能用multi N／C 3100TOC總有機碳分析儀進行測試。將含上述3種物質(zhì)的溶液200 g與100 g水泥混合、攪拌，其中3種物質(zhì)的含量為水泥用量的0.3%，在不同時間(1、5、10、20、30、60min)各自取樣，用10000 r／min離心機離心5mim后，將上層清液取出并用蒸餾水稀釋，用紫外檢測器檢測吸附速度和吸附量。另配制相同濃度的溶液測試其總有機碳量。吸附濃度計算公式為：吸附濃度(mg/g)=起始總濃度(mg/g)一剩余濃度(mg/g)。

　　結(jié)果與討論
　　1：性能研究
　　甘蔗廢糖蜜原料的性質(zhì)
　  甘蔗廢糖蜜為黑褐色黏稠狀，含有多種物質(zhì)。不同摻量廢糖蜜的水泥凈漿流動度和凝結(jié)時間測試結(jié)果見表1。由表1可見，隨著廢糖蜜摻量的增加，凈漿流動度逐漸增大，但是摻量過大時，凝結(jié)時間太短而快速凝固。廢糖蜜的臨界摻量為0.8%；當(dāng)小于0.3%時，能夠起到緩凝作用，凝結(jié)時間隨著摻量的增大而延長；當(dāng)摻量大于0.3%時，凝結(jié)時間隨著摻量的增大而迅速縮短；當(dāng)摻量更大時，如大于0.5%時，起到促凝作用，有時會出現(xiàn)假凝現(xiàn)象。緩凝的原因是糖蜜中含有大量的蔗糖、葡萄糖和果糖等，能夠與水泥中的Ca離子結(jié)合，變成蔗糖鈣，葡萄糖鈣和果糖鈣，這些物質(zhì)為親水性物質(zhì)，當(dāng)水泥和水混合時，它們能夠吸附在水泥顆粒表面而形成親水的吸附穩(wěn)定層，并改變了水泥水化產(chǎn)物的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使水化產(chǎn)物的活性降低，從而起到緩凝的作用。

　　膠體與非膠體物質(zhì)的性能研究
　　通過酒精凝聚法將膠體和非膠體組份分離，研究分別摻廢糖蜜與其2種分離組份的水泥凈漿流動度和凝結(jié)時間的關(guān)系，實驗結(jié)果見表2。

　　從表2可見，摻分離得到的膠體組份的水泥凈漿流動度比原糖蜜大，但初凝和終凝時間縮短，而摻非膠體組份的凈漿流動度比原糖蜜略微縮短，但是凝結(jié)時間則大大延長。由此可知，甘蔗廢糖蜜中膠體組份主要表現(xiàn)為分散性，而非膠體組份則主要表現(xiàn)為緩凝性，非膠體組分的成分主要為糖，這與前面介紹的緩凝機理相吻合，從而使得甘蔗廢糖蜜同時具有減水和緩凝的效果。
　　2：水泥水化熱　
　　水化熱是反應(yīng)水泥水化進程的重要指標(biāo)，水泥水化的實際溫度取決于水化放熱速率和散熱速率，實際應(yīng)用中最為關(guān)心的是水化放熱速率。水泥水化放熱的周期很長，但是大部分熱量是在水化3 d內(nèi)發(fā)生的。W／C=0.35，分別摻0.1%Mo、Mo-gel和Mo-sug水泥漿體的放熱速率曲線見圖1。

　　3：表面張力
　　水泥加水拌合后，其顆粒表面被水潤濕的狀況對水泥的性能影響很大，而分散劑能使水泥更好地潤濕，從而使流動性得到改善。潤濕作用主要與分散劑降低溶液表面張力的能力有關(guān)，一般來說，溶液的表面張力越小，其顆粒潤濕性越好。水泥濾液中不同濃度的糖蜜原料、膠體組份和非膠體組份與表面張力的關(guān)系如圖2所示。

　　由圖2可見，摻Mo、Mo-gel和Mo-sug水泥濾液的表面張力均隨著其濃度的增大而減小。當(dāng)三者的質(zhì)量百分含量均為0．1%時，摻Mo、Mo-gel和Mo-sug的水泥濾液表面張力分別為70.4、63.7、71.5 mN／m；與水泥濾液的表面張力(71.8 mN／m)相比較，Mo-gel降低水泥濾液的表面張力的幅度最大。當(dāng)其質(zhì)量百分含量繼續(xù)增大到1.0%時，Mo-sug降低表面張力5.1%，Mo-gel降低表面張力27.2%。整體而言，Mo-gel降低水泥濾液的表面張力最大，證明Mo-gel的表面活性最好。因此，膠體組份對水泥的分散性也很好，這與水泥凈漿的實驗結(jié)果一致。而Mo-sug的表面活性較差，分散效果也不佳，因此，非膠體組份主要是起緩凝效果。
　　4:吸附性能
　　減水劑分散是通過吸附來實現(xiàn)，減水劑的吸附改變了水泥一水分散體系固一液界面的性質(zhì)，使水泥顆粒之間的作用力發(fā)生變化，從而最終影響新拌水泥漿體的性能。吸附量是衡量減水劑吸附能力和分散效果的一個重要指標(biāo)。Mo、Mo-gel、Mo-sug的摻量均為0.3%時，三者在水泥顆粒上的吸附量隨著時間的變化曲線如圖3所示。

　　如圖3可見，隨著時間的延長，三者的吸附量都在逐漸增大。當(dāng)吸附1 min時，Mo-gel的吸附量遠遠大于Mo和Mo-sug的吸附量，這表明在相同摻量下，Mo-gel的吸附基團更多；因此，Mo-gel的親水能力比Yo和Mo-sug強，在摻入水泥后的分散效果好。隨著時間的推移，三者的吸附量大小為Mo-gel>Mo>Mo-sug，而Mo、Mo-gel和Mo-sug都是小分子物質(zhì)，不存在空間位阻作用，由此可知膠體對水泥的分散作用顯著，而Mo-sug的分散作用最差。從而說明膠體組份主要起減水作用。

　　結(jié)  論

　　(1)摻甘蔗廢糖蜜的水泥凈漿流動度隨著其摻量的增加而逐漸增大；糖蜜凝結(jié)時間的臨界摻量為0.3%；當(dāng)小于0.3%時，能夠起到緩凝作用；當(dāng)大于0.3%時，起到促凝作用。
　　(2)摻膠體組份的水泥凈漿流動度比摻甘蔗廢糖蜜的大，但凝結(jié)時間縮短；而摻非膠體組份的水泥凈漿流動度比摻甘蔗廢糖蜜的略微減小，但是凝結(jié)時間則大大延長。該結(jié)果與水泥水化熱的結(jié)果相符合。糖蜜的減水和緩凝作用是兩者共同作用的結(jié)果。
　　(3)表面張力的研究表明：Mo、M0-gel和Mo-sug水泥濾液的表面張力隨著其濃度的增加而減��；當(dāng)摻量為1.0%時，Mo-sug降低表面張力5.1%，Mo-gel降低表面張力27.2%。膠體組份對水泥具有分散性，非膠體組份主要起緩凝作用。
　　(4)Mo、Mo-gel、Mo-sug在水泥顆粒上不同時間的吸附量大小為Mo-gel>Mo>Mo-sug，表明膠體的分散作用顯著，而非膠體主要起緩凝作用。（本文搜集整理于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)之處，請聯(lián)系我們刪除。）