甘蔗糖蜜对水泥缓凝和减水的性能研究

    甘蔗废糖蜜对水泥同时具有缓凝和减水作用。采用酒精凝聚法分离废糖蜜得到胶体和非胶体组份；从水泥水化热、表面张力以及吸附性能阐述了其对水泥减水和缓凝的原因。结果表明，糖蜜中的胶体组份主要起分散作用，而非胶体组份主要起缓凝作用。
    【关键词】：胶体；非胶体；水泥水化；缓凝；减水
　　甘蔗废糖蜜是制糖工业的副产品，主要含有胶体组份和非胶体组份，其中非胶体组份含有蔗糖和还原糖。废糖蜜既可以用于制作酒精、发酵母、酱油、味精等的原料，也可以用作混凝土外加剂。用作外加剂时，糖蜜通常先用石灰水中和，然后喷雾干燥制成糖钙粉剂，可以作为混凝土的缓凝减水剂。而糖钙对混凝土同时具有减水和缓凝作用的原因的研究尚未见报道。对减水和缓凝机理的研究，既有助于更好地将糖蜜用于混凝土外加剂领域，同时也使制糖厂的副产物废糖蜜得到了充分的应用，提高制糖的附加值。糖蜜在与石灰水中和过程中并没有根本改变糖蜜中具有减水和缓凝作用的分子基团结构，只是简单的螯合，同时为了便于喷雾干燥工艺的实现。因此，本文将直接采用甘蔗废糖蜜作为研究对象，探讨其同时具有缓凝和减水作用的原因。
　　实  验
　　1：实验材料和仪器
　　甘蔗废糖蜜：固含量为73.98%；酒精：分析纯；a一萘酚：分析纯；盐酸：浓度为O.1mol/L；水泥：江南小野田52.5级P•H水泥。
    Sigma703型数字表面张力仪：multi N／C 3100 TOC总有机碳分析仪；TAM air多通道等温量热仪：水泥净浆搅拌器；标准法维卡仪。
　　2：糖蜜成分的分离
　　采用酒精凝聚法分离废糖蜜中的胶体与非胶体组份，因为酒精的介电常数小，能够除去亲水性胶体的水膜，降低胶体的稳定性，因此废糖蜜中的亲水性胶体包括胶质、蛋白质胶态物质等能被酒精凝聚沉淀下来，加酸使负电荷胶体达到等电点(pH值4.0—4.5)时，胶体更易凝胶。称取废糖蜜(Mo)15.88 g置于250ml三颈烧瓶中，用0.1mol／L的盐酸调节pH值至4.0~4.5，加入乙醇100 mL，并且安装上回流冷凝管，在沸水浴上加热15 min，用已经干燥至恒重的干滤纸过滤，沉淀，并用95%的乙醇充分洗涤至滤液与a-萘酚不起紫色反应为止，沉淀物与滤纸放于烘箱中烘至恒重，得到胶体组份(Mo—gel)，滤液通过减压蒸馏得到固体物烘至恒重，即为非胶体组份(Mo—sug)。将胶体和非胶体组份重新溶解制备成20%的水溶液，备用。
　　3：性能测试与表征
　　1）净浆流动度测试
　　参照GB/T 8077-2000《混凝土外加质性试验方法》相关规定执行，取300 g水泥，105 g水，掺不同用量的外加剂，搅拌3 min，测试水泥净浆流动度。
　　2）泥凝结时间测试
　　参照GB/T 1346--2001《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》相关规定执行，为了方便比较凝结时间，水灰比统一采用0.27，在湿气养护箱中[温度为(20±1)℃，相对湿度不低于90%]养护，测试初凝和终凝时间。
　　3）泥水化热测试
　　采用TAM air多通道等温量热仪对掺0.1%的Mo、Mo-geI和Mo-sug在3 d内的水化热进行测试，水灰比为0.35。
　　4）面张力测试
　　将2 kg水泥和4 kg水搅拌30min后，使用抽滤瓶进行抽滤，得到水泥滤液。
　　5）吸附性能测试
　　Mo、Mo-sug和Mo-gel的吸附性能用multi N／C 3100TOC总有机碳分析仪进行测试。将含上述3种物质的溶液200 g与100 g水泥混合、搅拌，其中3种物质的含量为水泥用量的0.3%，在不同时间(1、5、10、20、30、60min)各自取样，用10000 r／min离心机离心5mim后，将上层清液取出并用蒸馏水稀释，用紫外检测器检测吸附速度和吸附量。另配制相同浓度的溶液测试其总有机碳量。吸附浓度计算公式为：吸附浓度(mg/g)=起始总浓度(mg/g)一剩余浓度(mg/g)。

　　结果与讨论
　　1：性能研究
　　甘蔗废糖蜜原料的性质
　  甘蔗废糖蜜为黑褐色黏稠状，含有多种物质。不同掺量废糖蜜的水泥净浆流动度和凝结时间测试结果见表1。由表1可见，随着废糖蜜掺量的增加，净浆流动度逐渐增大，但是掺量过大时，凝结时间太短而快速凝固。废糖蜜的临界掺量为0.8%；当小于0.3%时，能够起到缓凝作用，凝结时间随着掺量的增大而延长；当掺量大于0.3%时，凝结时间随着掺量的增大而迅速缩短；当掺量更大时，如大于0.5%时，起到促凝作用，有时会出现假凝现象。缓凝的原因是糖蜜中含有大量的蔗糖、葡萄糖和果糖等，能够与水泥中的Ca离子结合，变成蔗糖钙，葡萄糖钙和果糖钙，这些物质为亲水性物质，当水泥和水混合时，它们能够吸附在水泥颗粒表面而形成亲水的吸附稳定层，并改变了水泥水化产物的网状结构，使水化产物的活性降低，从而起到缓凝的作用。

　　胶体与非胶体物质的性能研究
　　通过酒精凝聚法将胶体和非胶体组份分离，研究分别掺废糖蜜与其2种分离组份的水泥净浆流动度和凝结时间的关系，实验结果见表2。

　　从表2可见，掺分离得到的胶体组份的水泥净浆流动度比原糖蜜大，但初凝和终凝时间缩短，而掺非胶体组份的净浆流动度比原糖蜜略微缩短，但是凝结时间则大大延长。由此可知，甘蔗废糖蜜中胶体组份主要表现为分散性，而非胶体组份则主要表现为缓凝性，非胶体组分的成分主要为糖，这与前面介绍的缓凝机理相吻合，从而使得甘蔗废糖蜜同时具有减水和缓凝的效果。
　　2：水泥水化热　
　　水化热是反应水泥水化进程的重要指标，水泥水化的实际温度取决于水化放热速率和散热速率，实际应用中最为关心的是水化放热速率。水泥水化放热的周期很长，但是大部分热量是在水化3 d内发生的。W／C=0.35，分别掺0.1%Mo、Mo-gel和Mo-sug水泥浆体的放热速率曲线见图1。

　　3：表面张力
　　水泥加水拌合后，其颗粒表面被水润湿的状况对水泥的性能影响很大，而分散剂能使水泥更好地润湿，从而使流动性得到改善。润湿作用主要与分散剂降低溶液表面张力的能力有关，一般来说，溶液的表面张力越小，其颗粒润湿性越好。水泥滤液中不同浓度的糖蜜原料、胶体组份和非胶体组份与表面张力的关系如图2所示。

　　由图2可见，掺Mo、Mo-gel和Mo-sug水泥滤液的表面张力均随着其浓度的增大而减小。当三者的质量百分含量均为0．1%时，掺Mo、Mo-gel和Mo-sug的水泥滤液表面张力分别为70.4、63.7、71.5 mN／m；与水泥滤液的表面张力(71.8 mN／m)相比较，Mo-gel降低水泥滤液的表面张力的幅度最大。当其质量百分含量继续增大到1.0%时，Mo-sug降低表面张力5.1%，Mo-gel降低表面张力27.2%。整体而言，Mo-gel降低水泥滤液的表面张力最大，证明Mo-gel的表面活性最好。因此，胶体组份对水泥的分散性也很好，这与水泥净浆的实验结果一致。而Mo-sug的表面活性较差，分散效果也不佳，因此，非胶体组份主要是起缓凝效果。
　　4:吸附性能
　　减水剂分散是通过吸附来实现，减水剂的吸附改变了水泥一水分散体系固一液界面的性质，使水泥颗粒之间的作用力发生变化，从而最终影响新拌水泥浆体的性能。吸附量是衡量减水剂吸附能力和分散效果的一个重要指标。Mo、Mo-gel、Mo-sug的掺量均为0.3%时，三者在水泥颗粒上的吸附量随着时间的变化曲线如图3所示。

　　如图3可见，随着时间的延长，三者的吸附量都在逐渐增大。当吸附1 min时，Mo-gel的吸附量远远大于Mo和Mo-sug的吸附量，这表明在相同掺量下，Mo-gel的吸附基团更多；因此，Mo-gel的亲水能力比Yo和Mo-sug强，在掺入水泥后的分散效果好。随着时间的推移，三者的吸附量大小为Mo-gel>Mo>Mo-sug，而Mo、Mo-gel和Mo-sug都是小分子物质，不存在空间位阻作用，由此可知胶体对水泥的分散作用显著，而Mo-sug的分散作用最差。从而说明胶体组份主要起减水作用。

　　结  论

　　(1)掺甘蔗废糖蜜的水泥净浆流动度随着其掺量的增加而逐渐增大；糖蜜凝结时间的临界掺量为0.3%；当小于0.3%时，能够起到缓凝作用；当大于0.3%时，起到促凝作用。
　　(2)掺胶体组份的水泥净浆流动度比掺甘蔗废糖蜜的大，但凝结时间缩短；而掺非胶体组份的水泥净浆流动度比掺甘蔗废糖蜜的略微减小，但是凝结时间则大大延长。该结果与水泥水化热的结果相符合。糖蜜的减水和缓凝作用是两者共同作用的结果。
　　(3)表面张力的研究表明：Mo、M0-gel和Mo-sug水泥滤液的表面张力随着其浓度的增加而减小；当掺量为1.0%时，Mo-sug降低表面张力5.1%，Mo-gel降低表面张力27.2%。胶体组份对水泥具有分散性，非胶体组份主要起缓凝作用。
　　(4)Mo、Mo-gel、Mo-sug在水泥颗粒上不同时间的吸附量大小为Mo-gel>Mo>Mo-sug，表明胶体的分散作用显著，而非胶体主要起缓凝作用。（本文搜集整理于网络，如有侵权之处，请联系我们删除。）