甘蔗糖蜜改性及对硅酸盐水泥性能的影响

    以糖厂副产物甘蔗糖蜜为原料制备改性糖蜜，研究了其助磨性能对水泥物理性能的影响。研究结果表明：改性糖蜜对水泥具有较好的助磨性能，显著降低45μm筛余量；改性糖蜜使水泥的凝结时间略有延长，可显著提高各龄期的抗压强度，28d抗压强度最多提高5.3MPa；水泥净浆流动度也较空白样增大。
    【关键词】：甘蔗糖蜜；改性；水泥助磨剂；葡萄糖；果糖；戊糖
　　蔗糖蜜是甘蔗制糖的副产物，其产率一般约为原料甘蔗的2.5% -3.0%。甘蔗糖蜜含糖量较高，其中含30%左右的蔗糖和20%左右的还原糖，这些糖分在目前制糖工业技术或经济核算上已不能或不适宜再用结晶方式加以回收。甘蔗糖蜜的成分因甘蔗品种、种植条件、成熟程度以及制糖工艺路线、操作方法不同而有差异。糖蜜可用于生产乙醇、柠檬酸、赖氨酸、味精等精细化工产品 ，或用于生产动物饲料、水泥混凝土行业的外加剂等。糖蜜因能延缓水泥水化过程，在水泥混凝土行业主要作为水泥缓凝剂啕或水泥助磨剂等。糖蜜用作混凝土外加剂时，一般先用石灰水中和，然后经喷雾干燥制粉后再使用。糖蜜与石灰水的中和与螯合过程中并没有根本改变糖蜜中减水和缓凝组分的分子或基团结构。甘蔗糖蜜的主要成分包括蔗糖、还原糖(葡萄糖和果糖)、胶体(果胶质和树胶质)和有机酸类等。甘蔗糖蜜在酸性或碱性条件下进行化学改性，其主要组分可转化为各种单糖及其衍生物或有机酸盐 ，如葡萄糖、果糖、葡萄糖酸钠、戊糖及有机酸盐等。本文以甘蔗糖蜜为原料进行化学改性，初步研究了改性糖蜜对水泥粉磨过程及水泥性能的影响，并探讨其作用机理，为甘蔗糖蜜在水泥混凝土行业中的高效利用提供理论参考。

　　实  验
　　1：实验原料及仪器
    甘蔗糖蜜：(M)样品的成分见表1；浓硫酸：浓度95%；盐酸：浓度35%；氢氧化钠、葡萄糖、果糖、蔗糖、葡萄糖酸钠：均为分析纯；三乙醇胺：浓度85%，嘉兴金燕化工有限公司。P•Ⅱ52.5水泥：取自南京江南小野田水泥有限公司；P•O42.5水泥、水泥熟料、矿渣、石灰石、石膏：均取自南京中联水泥有限公司。

    HH-S2数显恒温水浴锅，85-2控温磁力搅拌器，金坛市医疗厂；pH计，pHs-3c，上海雷磁；DZF-6050真空干燥箱，上海博讯医疗设备厂。

　　2：甘蔗糖蜜的改性

    取甘蔗糖蜜，预先用蒸馏水稀释为50%的溶液备用。在带搅拌桨的三口烧瓶中加入100g甘蔗糖蜜，分别滴加浓硫酸至pH值为2，80℃搅拌反应1 h，样品记为M₁；滴加盐酸至pH值为2，80℃搅拌反应1h，样品记为M₂；滴加浓硫酸至pH值为2，8O℃搅拌反应 1 h，然后滴加NaOH溶液至pH值为13，80℃保温反应30min，样品记为 M₃；滴加盐酸至pH值为2，80℃搅拌反应1 h，然后滴加NaOH溶液至pH值为13，80℃保温反应30 min，样品记为M₄。未改性处理的糖蜜样品记为M₀。

　　3：助磨效果实验方法
    先将水泥熟料及石膏用颚式破碎机破碎至5 mm以下，然后按比例和其它混合材混合均匀，其比例为：熟料75%、矿渣6%、石灰石5%、石膏4%。分别掺入不同剂量的添加剂，在实验磨中粉磨25 min后，分别测试粉磨后水泥样品的45μm和80μm筛余量。

　　4：水泥性能试验方法
    将不同添加剂试样加入成型水中搅拌均匀，进行水泥常规物理力学性能测试，其中水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性参照GB 1346-2001《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》进行测试，水泥胶砂强度参照GB／T17671-1999(7~泥胶砂强度检验方法(ISO法)》进行测试，水泥净浆流动度参照GB／T 8077-2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》进行测试。

　　实验结果及分析

　　1：改性糖蜜对水泥的助磨效果研究
以不同类型的改性糖蜜为助磨组分，研究其对水泥粉磨的助磨效果，并与不掺助磨剂的空白样及掺常规助磨组分三乙醇胺的样品作对比，实验结果见表2

　　从表2可以看出，使用未处理糖蜜的样品M₀较空白样的80μm和45μm筛余略有降低，其对水泥粉磨的助磨效果一般。而改性后的糖蜜较未处理糖蜜的45μm及80μm筛余均有降低，其中M₃和M₄的效果最为显著。M₃和M₄的80μm筛余较常规的助磨组分-L醇胺样品高0.3%；M₄样品的45μm筛余达到10．5%，优于常规助磨组分三乙醇胺样品的12.3%，这说明改性糖蜜M₄粗磨阶段的助磨效果低于三乙胺，但是细磨阶段的助磨效果优于三乙醇胺。

　　2:改性糖蜜对水泥物理性能的影响
　　以不同类型的改性糖蜜作为水泥添加剂，加入水泥成型水中进行水泥常规物理力学性能检测，试验水泥为南京小野田水泥有限公司P•II 52.5水泥，测试结果见表3。

　　从表3可以看出，掺入改性糖蜜后，各水泥试样的标准稠度用水量较空白样基本无变化，而各水泥试样的凝结时间均有延长，初凝时间最高延长了17 min，而终凝时间最多延长了25 min。这表明经改性后，糖蜜的缓凝组分的缓凝作用增强。缓凝类组分，如糖类及其衍生物，在合适掺量时能改变水泥水化过程、优化水泥石结构、降低水泥石的孔隙率，从而改善后期及远龄期强度。从表3还可以看出，糖蜜经改性后各试样1d抗压强度均降低，其中M₄试样较空白样降低了1 MPa；3 d抗压强度较空白样略有增长，其中M₃和M₄试样分别较空白样提高了3.7MPa和5.3MPa。M₃和M₄试样分别较空白样提高了1.6 MPa和2.2 MPa；而28d抗压强度则增长较明显，M₃和M₄试样分别较空白样提高了3.7MPa和5.3MPa。

　　3：改性糖蜜对水泥净浆流动度的影响

　　从图1可以看出，掺入改性糖蜜均提高了水泥净浆流动度。其中M₃和M₄试样的水泥净浆流动度达216mm，较空白样增大了11 mm，较未改性糖蜜M₀试样增大了8 mm。这表明，改性糖蜜有利于提高水泥净浆流动度，这有利于改善水泥同混凝土外加剂的适应性。

　　4：不同单糖及衍生物对水泥性能的影响
为研究糖蜜改性后不同产物对水泥性能的影响，选取了葡萄糖、果糖、蔗糖、果葡糖浆(果糖与葡萄糖按1：1的摩尔比配制)及葡萄糖酸钠，研究其对水泥性能的影响，结果见表4。

　　从表4可以看出，不同糖类及衍生物对水泥性能的影响差异较大。蔗糖、葡萄糖和葡萄糖酸钠对水泥的凝结时间影响较大，而果糖对凝结时间则影响相对较小；蔗糖、葡萄糖和葡萄糖酸钠有利于显著提高水泥胶砂流动度，而果糖则几乎没有影响。而葡萄糖和果葡糖浆对水泥的强度影响较大。

　　机理分析
　　甘蔗糖蜜的主要成分包括蔗糖、还原糖(葡萄糖和果糖)、胶体(果胶质和树胶质)和有机酸类等。蔗糖在酸性条件下受热，酸将催化蔗糖水解为葡萄糖和果糖；甘蔗糖蜜中的胶体以树胶质为主，而树胶质的成分以多缩戊糖为主，在一定温度下加酸水解为戊糖。单糖如葡萄糖，在碱性条件下易被转化为葡萄糖酸，并随后被反应液中的NaOH中和为葡萄糖酸钠；而糖蜜中原来存在的有机酸类则也被中和为有机酸盐。甘蔗糖蜜改性后的产物为单糖(葡萄糖、果糖和戊糖)、单糖衍生物(如葡萄糖酸钠)及有机酸盐的混合物，结合表3可以看出，掺入单糖及单糖衍生物对胶砂抗压强度和流动度的影响优于蔗糖。

    结  语
    （1）以糖厂副产物甘蔗糖蜜为原料，经合适的酸、碱改性工艺后制备高效的水泥添加剂是可行的。甘蔗糖蜜化学改性的工艺简单，投入成本低，变废为宝，在经济上及环境保护方面均有重大意义。
    （2）甘蔗糖蜜经过合适的化学改性工艺后，其对水泥粉末的助磨效果显著提高，尤其是细磨阶段的助磨效果；改性糖蜜使水泥的凝结时间略有延长，显著提高各龄期强度，28d抗压强度最多可提高5.3MPa；水泥净浆流动度也较空白样增大。
    （3）甘蔗糖蜜经改性，转变为单糖（葡萄糖、果糖和戊糖）、单糖衍生物（如葡萄糖酸钠）及有机酸盐的混合物，其对胶砂抗压强度和流动度的提高效果优于蔗糖。（本文搜集整理于网络，如有侵权之处，请联系我们删除。）