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正交实验法对掺活化剂的粉煤灰水泥性能影响因素的研究

第1章 绪论

1.1引言

水泥是我国国民经济重要的基础原材料，不仅为建筑业及基础设施建设提供支撑，而且为改善城乡居住条件、提高人民生活水平提供物质保障。水泥产业在国民经济发展中具有重要的地位和作用。

改革开放以来，我国水泥产业经历了较长时间的高增长期，自1985年以来水泥产量一直居世界第一。特别是经过“九五”和“十五”的发展，水泥产业已成为面向国内、国际两个市场，并具有一定国际竞争力的重要产业，为国民经济持续快速健康发展做出了重要贡献。2007年、2008年、2009年水泥产量分别为13.2亿吨、13.88亿吨、16.3亿吨。可以看出，目前我国仍处在快速发展时期。在这一阶段，消费结构不断升级，城市化进程进一步加快，基础设施建设、房地产开发及大规模的经济建设都将继续拉动水泥产业的快速发展，水泥产业仍然是一个极具发展潜力的产业[1]- [3]。

然而水泥产业是以矿产资源为基本原料，以化石能源为主要燃料，以高温窑炉这种高耗能、高排放作业方式为主体的产业。但在进入21世纪后的短短几年时间内，我国水泥工业发展以新型干法生产技术为主导，在预分解窑节能煅烧工艺、大型原料均化、节能粉磨技术、自动控制技术和环境保护技术等方面，从设计到装备制造都迅速赶上了世界先进水平[45]。由于新型干法生产技术迅速发展，节

，

能减排工作也取得明显成效，反映出科技进步对建材工业节能降耗的巨大推动作用，但水泥产业的碳排放量和能源消耗量在国民经济各行业中仍居于前列[6]。据统计，2009年我国原煤产量为29.6亿吨，燃烧所排放的CO2为77.5亿吨，其中水泥生产能耗约1.8亿吨煤，占当年全国总能耗消耗6.6%，CO2排放总量约13.8亿吨(包括生产水泥用碳酸钙分解排放的CO2)，占当年全国CO2总排放量的26.1% [7]。

行业发展的同时也造成了大量有限资源的浪费。目前国内研发的以辊压机系统和立磨为代表的节能粉磨技术也已实现规模化和产业化，技术指标已接近国际先进水平，与目前的球磨系统相比可降低粉磨能耗20%；突破现有粉碎理论的高效节能粉磨技术也正开展应用基础研究。

因此，在水泥中掺入大量粉煤灰, 不仅实现了工业废弃物的利用, 且作为水泥的成分, 大幅降低了水泥生产成本, 也减少了石灰石资源的消耗以及开采过程对环境的破坏。

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1.2 粉煤灰与粉煤灰水泥

1.2.1 粉煤灰概况

粉煤灰是燃煤（包括低热值燃料）锅炉在燃烧过程中产生的固体颗粒物，包括灰和渣。如按废弃物处理，粉煤灰不仅堆放占压大量土地，而且污染大气环境。作为可利用的资源，可以用于生产水泥、粉煤灰烧结砖、加气混凝土等建材，用于筑路、采煤沉陷区回填、改良土壤等。全国燃煤电厂和低热值电厂排放的粉煤灰高达3.3亿吨以上，占全国固体废弃物的40%。煤炭、电力行业利用粉煤灰2.1亿吨左右，利用率为66%，创造了较好的综合效益。随着我国燃煤（矸石）电厂快速发展，粉煤灰产排量日益增加，带来的环境压力逐年增大，为充分利用资源、减少环境污染，需进一步提高粉煤灰综合利用水平。

1.2.2 粉煤灰水泥

粉煤灰水泥，全称粉煤灰硅酸盐水泥。凡由硅酸盐水泥熟料、粉煤灰（粉煤灰的掺量为20～40％）、适量石膏共同磨细而制成的水硬性胶凝材料称为粉煤灰水泥。按现行国家标准，粉煤灰水泥的强度等级有：32.5、32.5R；42.5、42.5R；52.5、52.5R。

粉煤灰是一种人工火山灰质混合材料，它本身略有或没有水硬胶凝性能，但当以粉状及水存在时，能在常温，特别是在水热处理(蒸汽养护)条件下，与氢氧化钙或其他碱土金属氢氧化物发生化学反应，生成具有水硬胶凝性能的化合物，成为一种增加强度和耐久性的材料。

在混凝土中掺加粉煤灰节约了大量的水泥和细骨料；减少了用水量；改善了混凝土拌和物的和易性；增强混凝土的可泵性；减少了混凝土的徐变；减少水化热、热能膨胀性；提高混凝土抗渗能力；增加混凝土地修饰性[8]。

目前，粉煤灰主要用来生产粉煤灰水泥、粉煤灰砖、粉煤灰硅酸盐砌块、粉煤灰加气混凝土及其他建筑材料，还可用作农业肥料和土壤改良剂，回收工业原料和作环境材料[8]。

1.2.3 粉煤灰活性与激发

粉煤灰的活性主要来自活性SiO2(玻璃体SiO2)和活性A12O3 (玻璃体A12O3 )在一定碱性条件下的水化作用。因此，粉煤灰中活性SiO2、活性A12O3和f-CaO(游离

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氧化钙)都是活性的的有利成分，硫在粉煤灰中一部分以可溶性石膏(CaSO4）的形式存在，它对粉煤灰早期强度的发挥有一定作用，因此粉煤灰中的硫对粉煤灰活性也是有利组成。粉煤灰中的钙含量在3%左右，它对胶凝体的形成是有利的。国外把CaO含量超过10%的粉煤灰称为C类灰，而低于10%的粉煤灰称为F类灰。C类灰其本身具有一定的水硬性，可作水泥混合材，F类灰常作混凝土掺和料，它比C类灰使用时的水化热要低。

粉煤灰中少量的MgO、Na2O、K2O等生成较多玻璃体，在水化反应中会促进碱硅反应。但MgO含量过高时，对安定性带来不利影响。粉煤灰中的未燃炭粒疏松多孔，是一种惰性物质不仅对粉煤灰的活性有害，而且对粉煤灰的压实也不利。过量的Fe2O3对粉煤灰的活性也不利。

在水泥生产中，一般通过磨细来进行活性的物理激发；在混凝土配置中，一般通过掺加一些化工原料来进行活性的化学激发。粉煤灰的玻璃微珠表面存在惰性表面层，水化活性很低，阻止其内部进一步的水化，粉煤灰的水化首先从玻璃体的断裂面开始。粉煤灰磨细到一定程度再进一步磨细需要掺助磨剂，而不同助磨剂对物料适应性不同[9]。

1.2.4粉煤灰市场前景与运用

粉煤灰综合利用是国家一项长期技术经济政策,是一项功在当代,利在千秋的事业。水泥行业作为利用粉煤灰的重点行业之一,虽然取得了很大的成绩,但是仍有许多厂家没有充分认识利用粉煤灰所能给企业带来的技术经济效益,我们德州第二建材厂做为国家定点粉煤灰水泥生产示范基地,通过多年的生产经营实践,深刻认识到对粉煤灰的综合利用,要想取得好的经济效益,一靠技术、二靠政策、三靠市场开拓,只要能将三者有机结合起来,给企业所带来的不仅仅是对社会所作出的保护环境方面的贡献,而且也给企业带来良好的经济效益[2]。

粉煤灰作为一种具有潜在水硬性的工业废渣,人们往往只注意其作为混合材料所产生的经济效益,而忽视其具有与粘土十分相似的化学成分。利用粉煤灰配料,基本在生料中全部代替粘土,由于其本身颗粒细小的特性,在生料中掺加12%的粉煤灰时,物料综合入磨粒度降低。同时,粉煤灰在生料磨中起到相当助磨剂的作用, 烧结制品如粉煤灰烧结砖,加入不高于35%的粉煤灰,可节约煤碳20%。也可作为烧结粉煤灰陶粒,产品可代替部分细砂、碎石,做轻质混凝土、或做为陶粒砌块、保温砌块、保温板材料；生产粉煤灰水泥粉煤灰可代粘土配料,辅以石膏、荧石复合矿化剂,烧制早强型高标号水泥熟料；粉煤灰水泥作为我国现行国家标准中的六大水泥品种之一,其年生产量是最低的,据有关资料统计,在1996年我国

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水泥总产量达到4.5亿吨的条件下,粉煤灰水泥的总产量仅有1000万吨,占总量的四十五分之一,这其中除技术上的原因外,也有市场方面的因素,主要是用户已习惯于使用普通水泥、矿渣水泥等,而对粉煤灰水泥不甚了解,不愿使用,无形中给生产厂家带来很大压力[10

，11]

。

综上所述,作为一个水泥生产企业,想要取得好的经济效益和社会环境效益,搞好粉煤灰利用工作,必须同时做好技术开发、政策运用、市场开拓三方面的文章,才能在发展壮大自身的同时,为国家和社会做出一个应有的贡献[7]。

1.3 活化剂

1.3.1 减水剂

减水剂是指在混凝土和易性及水泥用量不变条件下，能减少拌合用水量、提高混凝土强度；或在和易性及强度不变条件下，节约水泥用量的活化剂。具有分散作用、润滑作用、空间位阻作用、接枝共聚支链的缓释作用。

砂浆干缩值尤其是早期收缩值随着减水剂掺量的增加而增大,且高效减水剂比普通减水剂增大砂浆干缩值的效果更加明显[4] 。强度等级为C15～C60及以上的泵送或常态混凝土工程。特别适用于配制高耐久、高流态、高保坍、高强以及对外观质量要求高的混凝土工程。对于配制高流动性混凝土、自密实混凝土、清水饰面混凝土极为有利。

1.3.2 助磨剂

在水泥物料的粉磨过程中，加入少量的外加物质（气体、液体或固体的物质），能够显著提高粉磨效率或降低能耗，而又不损害水泥性能的这种添加剂通称为水泥助磨剂。

水泥助磨剂是一种改善水泥粉磨效果和性能的添加剂，可以显著提高水泥台时产量和各项技术指标。水泥助磨剂能大幅度降低粉磨过程中形成的静电吸附包球现象，并可以降低粉磨过程中形成的超细颗粒的再次聚结趋势。水泥助磨剂也能显著改善水泥流动性，提高磨机的研磨效果和选粉机的选粉效率，从而降低粉磨能耗。使用助磨剂生产的水泥具有较低的压实聚结趋势，从而有利于水泥的装卸，并可减少水泥库的挂壁现象。作为一种物理激发剂，助磨剂能改善水泥颗粒分布并激发水化动力，从而提高水泥早期强度和后期强度[12

，13]

。

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1.3.3激发剂

激发剂是一种能够激发工业废渣里面的活性物质，让其发生化学反应的复合剂。粉煤灰、炉渣等工业废渣里面含有大量的SiO2和Al2O3这些活性物质，但它们以“玻璃体”惰性状态存在，通过激发的化学方法，让其发生化学反应，产生粘结性，可大大降低水泥用量提高其利用率。掺加适量的激发剂可以提高粉煤灰的火山灰活性,不同激发剂对不同龄期粉煤灰活性的激发作用不同,以2%掺量的氯化钙、硫酸钠、氢氧化钙的增强效果较为理想[14

，15]

。

1.4本课题研究的目的与意义

粉煤灰是排放量最大的工业废料之一，将其作为活性集料制备粉煤灰水泥，是水泥工业可持续发展的需要。粉煤灰的活性在常温下是隐潜的，在激发剂的激发作用下可以显著提高其水化活性，改善粉煤灰水泥的性能。本实验采用正交实验法分析激发剂与助磨剂品种及掺量，粉磨时间，水灰比，减水剂掺量对粉煤灰水泥性能的影响，从而提出最佳配方，为采用活化剂改良粉煤灰水泥的性能提供依据，具有一定的经济价值与环保效益[16]。

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第2章 实验方法与内容

2.1 原料情况

1.粉煤灰：外购 2.激发剂：外购

3.水泥：外购，32.5等级普通水泥 4.助磨剂：外购 5.减水剂：外购 6.ISO标准砂：外购

2.2 实验方法

本实验采用正交实验法分析激发剂与助磨剂的品种掺量，减水剂掺量，粉磨时间，水灰比对粉煤灰水泥不同龄期强度与凝结时间等性能的影响[10

，13]

。

2.3 实验工艺流程

购买原料→按实验配方配料→混合均匀→粉磨→成型→按国家标准测定粉煤灰水泥的性能。

2.4 实验配方

按表2-1所示配比分别称取一定量的水泥、粉煤灰、激发剂、减水剂，其中水泥与粉煤灰按质量比为7:3配成粉煤灰水泥，将它们混合均匀后放入水泥试验磨中。按规定时间进行粉磨。采用正交表 L(44?23)配成16组试验试样，如表2-2所示

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16正交实验法对掺活化剂的粉煤灰水泥性能影响因素的研究

因素 水平 1 2 3 4

A B

表2-1 因素水平对照表

C D

E F G

激发剂掺助磨剂掺减水剂掺粉磨时间量（wt%） 量（wt%） 量（wt%） （min） 0

1 2 3

0 0.03 0.06 0.09

0 1 1.5 2

0 5 10 15

激发剂品种 氯化钠 硫酸钠

助磨剂品种 水灰比 三乙醇胺 乙二醇

0.5 0.4

因素 编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

表2-2正交实验配方表 A B C D E 激发剂掺助磨剂掺减水剂掺粉磨时间激发剂品量（wt%） 量（wt%） 量（wt%） （min） 种 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 4 4 4 4

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4

1 2 3 4 2 1 4 3 3 4 1 2 4 3 2 1

1 2 3 4 3 4 1 2 4 3 2 1 2 1 4 3

1 1 2 2 2 2 1 1 1 1 2 2 2 2 1 1

F 助磨剂品种 1 2 1 2 2 1 2 1 2 1 2 1 1 2 1 2

G 水灰比 1 2 2 1 1 2 2 1 2 1 1 2 2 1 1 2

2.5 实验仪器设备

本实验主要实验仪器如下：

（1）压力试验机：YE-2000C，压力精度±1% （2）水泥胶砂搅拌机

（3）水泥胶砂振实台（GB-85型） （4）水泥试验磨机（SYM500型） （5）TC30K-H电子称（d=1g）

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（6）水泥标准稠度凝结时间测定仪 （7）电动抗折试验机 （8）水泥净浆搅拌机 （9）钢尺：精度1mm

2.6 粉煤灰水泥性能的测试

2.6.1 粉煤灰水泥强度的检验

2.6.1.1 水泥强度

水泥强度是指水泥试件单位面积上所能承受的破坏荷载值，是水泥重要的力学性能，也是划分水泥质量等级一一水泥标号的依据。同一水泥用不同方法测试时，所得强度值不同。水泥强度可以用水泥净浆、水泥胶砂和水泥混凝土试件来进行检验。然而，水泥净浆强度只能反映水化水泥浆体的内聚力，却不能反映水泥浆对砂、石等集料的胶结能力，这样就脱离了水泥在混凝土和砂浆中使用的实际情况。用混凝土试件进行检验所得的强度最符合水泥在混凝土中使用的实际，然而试验用的砂石条件很难统一，检验工作也很麻烦。用水泥胶砂检验水泥强度，即能在一定程度上反映出水泥对集料的胶结能力。为了提高检验结果的可靠性与可比性，采用统一技术要求的标准砂。标准砂除了化学成分、杂质含量和粒度组成有统一要求外，还都规定了统一采砂场地和标准砂生产厂。

2.6.1.2 试样成型

（1）成型前将试模擦净，四周的模板与接触面上涂黄甘油，紧密装配，防止漏浆，内壁均匀刷一薄层机油，以便于脱模。

（2）按一定的水灰比，称量完毕就要准备胶砂搅拌了。先将称好的水泥与标准砂倒入搅拌锅内，开动搅拌机，拌和后将粘在叶片上的胶砂刮下，取下搅拌锅。

（3）在搅拌胶砂的同时，将试模及下料漏斗卡紧在振动台面中心，将搅拌好的胶砂均匀地装入下料漏斗中，开动振动台，胶砂通过漏斗流入试模的下料时间应控制在20—40秒内，否则须调整漏斗下料口宽度或用小刀划动胶砂加速下料。

（4）振动完毕，取下试模，用三棱刮平刀将高出试模的胶砂，然后将表面多余的胶砂刮去，用三棱刀刮2”3刀把试件刮平。接着在试件上编号。编号后，将试模放入养护箱养护。

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（5）养护一天后脱模，一组用于早期强度的测试。另一组水养护至七天测中期强度。

2.6.1.3 试验步骤

（1）擦去试件表面水分和砂粒，清除抗折夹具上圆柱表面粘着的杂物。检查试件两侧面气孔情况，试件放入夹具内时，将气孔多或气孔大的一面向上作为加荷面，并使试件两端面与夹具定位板平齐。

（2）在试件放入前应调节平衡锤，使杠杆处于平衡位置。试件放入后，调整夹具，使杠杆在试件折断时尽可能接近平衡位置。

（3）折断后，记录数据，取出两个断块，照整条试件形状放置，清除夹圆柱表面粘着的杂物，继续试验第二及第三条试件。

（4）抗折试验后的断块立即进行抗压试验，试件受压面为40×40mm，试验时将抗压夹具摆置在试验机压板中心，清除试件受压面与上下加压板间的砂粒或杂物，以试件侧面为受压面。

（5）压力机加荷速度，在试件刚开始受力时使加压板均匀地压在试件表面上，在接近破坏时严格控制加荷速度于规定值范围内，试件受压后取出，清除压板下粘着的杂物，继续下一次试验。

2.6.2粉煤灰水泥标准稠度测定

2.6.2.1 实验仪器和方法

（1）标准稠度用水量用符合GB3350.6规定的仪器进行测定，此时仪器试棒下端应为空心试锥，装净浆的试模采用锥形模；

（2）标准稠度用水量可用调整水量和固定水量两种方法中的任一种测定，如发生争议时以调整水量方法为准；

（3）用固定水量方法测定时，根据测得的试锥下沉深度Ｓ(mm)按下式(或仪器上对 应标尺)计算得到标准稠度用水量P(%)。

P=33.4-0.185S

当试锥下沉深度小于13mm时，应改用调整水量方法测定。

2.6.2.2 实验步骤

（1）试验前须检查仪器金属棒应能自由滑动；试锥降至模顶面位置时，指针应对准标尺零点；搅拌机运转正常等；

（2）水泥净浆的拌制用符合GB3350.8的水泥净浆搅拌机搅拌,搅拌锅和搅拌叶片先用湿棉布擦过，将称好的500g水泥试样倒入搅拌锅内。拌和时，先将锅放

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到搅拌机锅座上，升至搅拌位置，开动机器，同时徐徐加入拌和水，慢速搅拌120s，停拌15s，接着快速搅拌 120s后停机；

（3）采用调整水量方法时拌和水量按经验找水，采用固定水量方法时拌和水量用142.5mL水，水量准确至0.5mL拌和结束后，立即将拌好的净浆装放锥模内，用小刀插捣，振动数次，刮去多余净浆；抹平后迅速放到试锥下面固定位置上，将试锥降至净浆表面拧紧螺丝，然后突然放松，让试锥自由沉入净浆中，到试锥停止下沉时记录试锥下沉深度。整个操作应在搅拌后1.5min 内完成；

（4）用调整水量方法测定时，以试锥下沉深度28±2mm时的净浆为标准稠度净浆。其拌和水量为该水泥的标准稠度用水量(P)，按水泥质量的百分比计。如下沉深度超出范围，须另称试样，调整水量，重新试验，直至达到28±2mm时为止。

2.6.3 粉煤灰水泥凝结时间的测定

2.6.3.1 实验仪器和方法

(1) 凝结时间用符合ＧＢ3350.6规定的仪器进行测定，此时仪器试棒下端应改装为试 针，装净浆的试模采用圆模；

(2) 凝结时间的测定可以用人工测定,也可用符合本标准操作要求的自动凝结时间测定仪测定，两者有矛盾时以人工测定为准；

2.6.3.2 实验步骤

(1) 测定前的准备工作：将圆模放在玻璃板上，在内侧稍稍涂上一层机油，调整凝结 时间测定仪的试针接触玻璃板时指针应对准标尺零点；

(2) 试件的制备：以标准稠度用水量加水,按2.6.2条的操作方法制成标准稠度净浆后立即一次装入圆模振动数次刮平，然后放入湿汽养护箱内。记录开始加水的时间作为 凝结时间的起始时间；

(3) 凝结时间的测定：试件在湿汽养护箱中养护至加水后30min时进行第一次测定。测定时，从湿汽养护箱中取出圆模放到试针下，使试针与净浆面接触，拧紧螺丝1-2s后突然放松，试针垂直自由沉入净浆，观察试针停止下沉时指针读数。当试针沉至距底板2～3mm时即，为水泥达到初凝状态；当下沉不超过1-0.5mm时，为水泥达到终凝状态。由开始加水至初凝、终凝状态的时间分别为该水泥的初凝时间和终凝时间，用小时(h)和分 (min)来表示。

(4) 测定时应注意，在最初测定的操作时应轻轻扶持金属棒，使其徐徐下降以防试针撞弯，但结果以自由下落为准；在整个测试过程中试针贯入的位置至少

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要距圆模内壁10mm。临近初凝时，每隔5min测定一次，临近终时每隔15min测定一次，到达初凝或终凝状态时应立即重复测一次，当两次结论相同时才能定为到达初凝或终凝状态。每次测定不得让试针落入原针孔，每次测试完毕须将试针擦净并将圆模放回湿汽养护箱内，整个测定过程中要防止圆模受振。

2.6.4 粉煤灰水泥安定性的测定

2.6.4.1 实验方法

测定方法可以用试饼法也可用雷氏法，有争议时以雷氏法为准。试饼法是观察水泥净浆试饼沸煮后的外形变化来检验水泥的体积安定性。雷氏法是测定 水泥净浆在雷氏夹中沸煮后的膨胀值。

2.6.4.2 实验步骤

(1) 测定前的准备工作：若采用雷氏法时每个雷氏夹需配备质量约75-80g的玻璃板两块，若采用试饼法时一个样品需准备两块约100mm×100mm的玻璃板。每种方法每个试样需成型两个试件。凡与水泥净浆接角的玻璃板和雷氏夹表面都要稍稍涂上一层油；

(2) 水泥标准稠度净浆和制备：以标准稠度用水量加水按2.6.2的操作方法制成标准稠度净浆；

(3) 试饼的成型方法：将制好的净浆取出一部分分成两等份，使之呈球形，放在预先准备好的玻璃板上，轻轻振动玻璃板并用湿布擦过的小刀由边缘向中央抹动，做成直径70～80mm、中心厚约10mm、边缘渐薄、表面光滑的试饼，接着将试饼放入湿汽养护箱内养护 24±2h；

(4) 雷氏夹试件的制备方法：将预先准备好的雷氏夹放在已稍擦油的玻璃板上，并立刻将已制好的标准稠度净浆装满试模，装模时一只后轻轻扶持试模，另一只后用宽约10mm 的小刀插捣15次左右然后抹平，盖上稍涂油的玻璃板，接着立刻将试模移至湿汽养护箱内 养护24±2h；

(5) 沸煮：调整好沸煮箱内的水位，使能保证在整个沸煮过程中都没过试件，不需中途添补试验用水，同时又保证能在30±5min内升至沸腾。脱去玻璃板取下试件，当为饼法时先检查试饼是否完整(如已开裂翘曲要检查原因，确证无外因时，该试饼已属不合格不必沸煮)，在试饼无缺陷的情况下将试饼放在沸煮 箱的水中篦板上，然后在30±5min内加热至沸，并恒沸3h±5min。当用雷氏法时，先测量试件指针尖端间的距离（Ａ），精确到0.5mm，接着将试件放入水中篦板上，指针朝上，试件之间互不交叉，然后在30±5min内加热至沸并恒沸3h±5min。

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(6) 结果判别：沸煮结束，即放掉箱中的热水，打开箱盖，待箱体冷却至室温，取出试 件进行判别。若为试饼，目测未发现裂缝，用直尺检查也没有弯曲的试饼为安定性合格，反之为不合格。当两个试饼判别结果有矛盾时，该水泥的安定性为不合格。若为雷氏夹，测量试件指针尖端间的距离（Ｃ），记录至小数点后一位，当两个试 件煮后增加距离（Ｃ－Ａ）的平均值不大于5.0mm时，即认为该水泥安定性合格，当两个试件 的（Ｃ－Ａ）值相差超过4mm时，应用同一样品立即重做一次试验。

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第3章 实验结果与分析讨论

3.1 活化剂对粉煤灰水泥强度的影响

3.1.1活化剂对粉煤灰水泥早期强度的影响

表3-1列出了各粉煤灰试样3天强度的数据。从表中可以看出，实验编号6的抗压强度最大为25.14MPa，抗折强度也为最大值6.78MPa，即激发剂掺量为1%，助磨剂掺量为0.03%，不加减水剂，激发剂选用硫酸钠，助磨剂选用三乙醇胺，粉磨时间为15min，水灰比为0.4时粉煤灰试样具有最大强度。而实验编号1即不加激发剂，不加助磨剂，不加减水剂，粉磨时间为0min，水灰比为0.5时抗压强度最小，为6.38MPa，抗折强度也为最小1.69MPa。

表3-1 各粉煤灰水泥试样3天强度

因素 A 编号 激发剂掺

B 助磨剂掺

C 减水剂掺

D

E激发

F助磨剂品种 1 2 1 2 2 1 2 1 2 1 2 1 1 2 1 2

1 2 2 1 1 2 2 1 2 1 1 2 2 1 1 2

6.38 16.46 20.99 18.18 18.88 25.14 22.07 22.65 23.80 25.01 18.31 19.84 23.35 14.23 23.65 23.78

1.69 4.56 5.53 4.79 4.96 6.78 5.62 5.94 6.35 6.65 4.83 5.25 6.07 3.84 6.18 6.30

G水灰比

抗压强

抗折强

粉磨时间 剂品

种 1 1 2 2 2 2 1 1 1 1 2 2 2 2 1 1

度MPa 度MPa

量（wt%） 量（wt%） 量（wt%） （min）

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 4 4 4 4

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4

1 2 3 4 2 1 4 3 3 4 1 2 4 3 2 1

1 2 3 4 3 4 1 2 4 3 2 1 2 1 4 3

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福州大学本科生科研训练计划（SRTP）项目试验总结

表3-2、表3-3列出了粉煤灰水泥试样3天抗压强度、抗折强度极差分析数据。表中K1，K2，K3，K4分别表示各因素在1,2,3,4水平的影响下粉煤灰水泥试样的抗压强度和抗折强度平均值，R为极差，其大小反应各因素对粉煤灰水泥的3天强度的影响程度。

由表3-2中的极差R的值：Ra=7.15、Rb=3.00、Rc=3.78、Rd=8.61、Re=0.64、Rf=0.61、Rg=3.06。可以断定各个因素对实验的影响的主次顺序为D>A>G>C>B>E>F,即各个因素对粉煤灰水泥3天强度的影响作用的大小按从大到小的顺序依次为粉磨时间，激发剂掺量，水灰比，减水剂掺量，助磨剂掺量，激发剂品种，助磨剂品种。其中粉磨时间为影响粉煤灰水泥3天强度的最主要因素。

由表3-3中的极差R的值：Ra=1.69、Rb=0.80、Rc=0.88、Rd=1.93、Re=0.15、Rf=0.35、Rg=0.95。可以断定各个因素对实验的影响的主次顺序为D>A>G>C>B>F>E,即各个因素对粉煤灰水泥3天强度的影响作用的大小按从大到小的顺序依次为粉磨时间，激发剂掺量，水灰比，减水剂掺量，助磨剂掺量，助磨剂品种，激发剂品种。其中粉磨时间为影响粉煤灰水泥3天强度的最主要因素。

表3-2 各粉煤灰水泥3天抗压强度极差分析

因素 极差

A 激发剂掺量

B 助磨剂掺量

C 减水剂掺量

D 粉磨时间

E 激发剂品种

F 助磨剂品种

G 水灰比

（wt%） （wt%） （wt%） （min）

K1 K2 K3 K4 R

15.50 22.65 21.76 21.25 7.15

18.12 20.16 19.65 21.12 3.00

18.37 19.71 20.42 22.15 3.78

14.04 20.48 20.10 18.25 20.22 19.84 19.46 21.31 22.20 22.65 8.61

0.64

0.64

3.06

表3-3 各粉煤灰水泥3天抗折强度极差分析

因素

A

B 助磨剂掺

C 减水剂掺

D

E

F 助磨剂品种 5.51 5.16

4.86 5.81 G 水灰比

极差 激发剂掺粉磨时间 激发剂

品种 5.41 5.26

量（wt%） 量（wt%） 量（wt%） （min） K1 K2

4.14 5.83

4.77 5.46

4.9 5.24

4.1 5.35

14

正交实验法对掺活化剂的粉煤灰水泥性能影响因素的研究

续表

因素 极差

A 激发剂掺

B 助磨剂掺

C 减水剂掺

D

E

F 助磨剂品种 0.35

0.95 G 水灰比

粉磨时间 激发剂

品种 0.15

量（wt%） 量（wt%） 量（wt%） （min） K3 K4 R

5.77 5.6 1.69

5.54 5.57 0.80

5.42 5.78 0.88

5.86 6.03 1.93

以各因素的水平值为横坐标，以K值为纵坐标，建立直角坐标系，绘制各因素的直观趋势图，以便能直观的分析各因素对粉煤灰水泥试样强度的影响，如图3-1～图3-7。

从图3-1可以看出，粉煤灰水泥试样的强度值随激发剂掺量的增加先上升到一值，然后缓慢下降。当激发剂掺量为2%抗压强度与抗折强度都为最大。

从图3-2可以看出，随着助磨剂掺量的增加，抗压抗折强度也相应升高。但是升高到一定值后，强度增强趋势缓慢。当助磨剂掺量为0.09%时可以认为粉煤灰水泥试样强度已达到最大值。

3天强度的影响 3天强度的影响

图3-1 激发剂掺量对粉煤灰水泥试样 图3-2 助磨剂掺量对粉煤灰水泥试样

从图3-3可以看出减水剂掺量对3天抗压强度影响不大，强度值总体变化缓慢，当减水剂掺量为2%，可以认为粉煤灰水泥试样强度值达到最大。

从图3-4与图3-5可以看出，激发剂品种、助磨剂品种不同对粉煤灰水泥强度也略有影响，但总体上影响不大。当激发剂选用氯化钠、助磨剂选用三乙醇胺时粉煤灰水泥的3天抗压强度、抗折强度稍大。

从图3-6可以看出,随着粉磨时间的增加，粉煤灰水泥试样抗压、抗折强度持续提升，超过10min后强度增大较缓慢。粉磨15min强度最大。因此，为提高粉煤灰水泥试样的3天强度可把粉磨时间控制在15min。

15

福州大学本科生科研训练计划（SRTP）项目试验总结

图3-3 减水剂掺量对粉煤灰水泥 图3-4 激发剂品种对粉煤灰水泥

3天强度的影响 3天强度的影响

图3-5 助磨剂品种对粉煤灰水泥 图3-6 粉磨时间对粉煤灰水泥

3天强度的影响 3天强度的影响

从图3-7可以看出，水灰比越小，抗压与抗折强度也随之增加。因此，为提高粉煤灰水泥试样的3天强度可把水灰比控制在0.4。

图3-7 水灰比对粉煤灰水泥

3天强度的影响

16

正交实验法对掺活化剂的粉煤灰水泥性能影响因素的研究

综合以上分析，为提高粉煤灰水泥的3天抗压、抗折强度，其最佳实验配方为A2B4C4D4E2F1G2。即激发剂掺量为1%，助磨剂掺量为0.09%，减水剂掺量为2%，激发剂采用氯化钠，助磨剂采用三乙醇胺，粉磨时间为15min，水灰比0.4[16]。

3.1.2 活化剂对粉煤灰水泥后期强度的影响

表3-4列出了各粉煤灰试样28天强度的数据。从表中可以看出，实验编号9的抗压强度最大为46.89MPa，抗折强度也为最大值9.16MPa，即激发剂掺量为2%，不加助磨剂，减水剂掺量为1.5%，激发剂选用氯化钠，粉磨时间为15min，水灰比为0.4时粉煤灰试样具有最大强度。而实验编号1即不加激发剂，不加助磨剂，不加减水剂，粉磨时间为0min，水灰比为0.5时抗压强度最小，为27.88MPa，抗折强度也为最小5.43MPa。

表3-4 粉煤灰水泥试样28天强度

因素 编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

A 掺1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 4 4 4 4

B 量掺

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4

C 量掺

1 2 3 4 2 1 4 3 3 4 1 2 4 3 2 1

D 量间

1 2 3 4 3 4 1 2 4 3 2 1 2 1 4 3

E F G 抗压抗折MPa

MPa

激发剂助磨剂减水剂粉磨时激发助磨水灰强度 强度

剂品剂品比

种 1 2 1 2 2 1 2 1 2 1 2 1 1 2 1 2

1 2 2 1 1 2 2 1 2 1 1 2 2 1 1 2

27.88 5.43 40.19 7.86 39.49 7.68 36.94 7.16 38.28 7.63 40.26 7.89 33.11 6.49 44.72 8.70 46.89 9.16 44.66 8.58 34.83 6.88 34.07 6.61 38.02 7.42 32.22 6.21 40.70 8.12 31.01 6.02

1 1 2 2 2 2 1 1 1 1 2 2 2 2 1 1

（wt%） （wt%） （wt%） （min） 种

17

福州大学本科生科研训练计划（SRTP）项目试验总结

表3-5、表3-6列出了粉煤灰水泥试样28天抗压强度、抗折强度极差分析数据。表中K1，K2，K3，K4，分别表示各个因素在1,2,3,4水平的影响下粉煤灰水泥试样的抗压强度和抗折强度平均值，R为极差，是每列K1, K2，K3，K4中最大值与最小值之差，其大小反应各因素对粉煤灰水泥28天强度的影响程度。

由表3-5中的极差R的值：Ra=4.73、Rb=2.10、Rc=7.33、Rd=9.44、Re=1.91、Rf=2.10、Rg=0.32。可以断定各个因素对实验的影响的主次顺序为D>C>A>B>F>E>G,即各个因素对粉煤灰水泥28天强度的影响作用的大小按从大到小的顺序依次为粉磨时间，减水剂掺量，激发剂掺量，助磨剂掺量，助磨剂品种，激发剂品种，水灰比。其中粉磨时间为影响粉煤灰水泥28天强度的最主要因素。

由表3-6中的极差R的值：Ra=0.87、Rb=0.52、Rc=1.38、Rd=1.89、Re=0.36、Rf=0.37、Rg=0.05。可以断定各个因素对实验的影响的主次顺序为D>C>A>B>F>E>G,即各个因素对粉煤灰28天强度的影响作用的大小按从大到小的顺序依次为粉磨时间，减水剂掺量，激发剂掺量，助磨剂掺量，助磨剂品种，激发剂品种，水灰比。其中粉磨时间为影响粉煤灰水泥28天强度的最主要因素。

表3-5 各粉煤灰水泥28天抗压强度极差分析

因素

A

B 助磨剂掺

C 减水剂掺

D

E

F 助磨剂品种 38.79 36.69 2.10

37.58 37.90 0.32 G 水灰比

极差 激发剂掺粉磨时间 激发剂

品种 38.66 36.75 1.91

量（wt%） 量（wt%） 量（wt%） （min） K1 K2 K3 K4 R

36.11 39.11 40.13 35.54 4.73

37.77 38.79 37.13 36.69 2.10

33.50 38.41 40.83 36.75 7.33

31.84 40.19 38.34 41.28 9.44

表3-6 各粉煤灰水泥28天抗折强度极差分析

因素

A

B 助磨剂掺

C 减水剂掺

D

E

F 助磨剂品种 7.55 7.18 0.37

7.34 7.39 0.05 G 水灰比

极差 激发剂掺粉磨时间 激发剂

品种 7.55 7.19 0.36

量（wt%） 量（wt%） 量（wt%） （min） K1 K2 K3 K4 R

7.03 7.68 7.81 6.94 0.87

7.41 7.64 7.29 7.12 0.52

6.56 7.56 7.94 7.41 1.38

6.19 7.72 7.48 8.08 1.89

18

正交实验法对掺活化剂的粉煤灰水泥性能影响因素的研究

以各因素的水平值为横坐标，以K值为纵坐标，建立直角坐标系，绘制各因素的直观趋势图，以便能直观的分析各因素对粉煤灰水泥试样强度的影响，如图3-8～图3-14。

从图3-8可以看出，粉煤灰水泥试样的强度值随激发剂掺量的增加先上升到最大值，然后下降。当激发剂掺量为2%时粉煤灰水泥试样28天抗压强度与抗折强度都为最大。

从图3-9可以看出，随着助磨剂掺量的增加，抗压抗折强度也相应升高。但是升高到一定值后，强度开始下降，。当助磨剂掺量为0.03%时粉煤灰水泥试样28天强度达到最大值。

图3-8 激发剂掺量对粉煤灰水泥 图3-9 助磨剂掺量对粉煤灰水泥

28天强度的影响 28天强度的影响

从图3-10可以看出，随着减水剂掺量的增加，粉煤灰水泥28天强度呈先上升后下降的趋势。当减水剂掺量为1.5%时粉煤灰水泥试样28天强度值达到最大。

从图3-11、3-12可以看出激发剂品种、助磨剂品种不同对粉煤灰水泥28天强度也略有影响，但总体上影响不大。当激发剂选用氯化钠、助磨剂选用三乙醇胺时粉煤灰水泥的28天抗压强度、抗折强度稍大。

从图3-13可以看出随着粉磨时间的增加，粉煤灰水泥试样抗压、抗折强度先上升到一定值后下降再继续升高，当粉磨时间为15min时粉煤灰水泥试样具有最大的28天抗压、抗折强度。

19

福州大学本科生科研训练计划（SRTP）项目试验总结

40 抗 压 强度 抗 折强度353025Ki/MPa2015105氯化钠硫酸钠激发 剂品种

28天强度的影响 28天强度的影响

40

图3-10 减水剂掺量对粉煤灰水泥 图3-11 激发剂品种对粉煤灰水泥

抗 压 强度 抗 折强度3530252015105424038363432302826242220181614121086051015 抗 压 强度 抗 折强度Ki/MPa三乙醇胺乙二醇助磨剂品种ki/MPa粉　磨时间/min

图3-12 助磨剂品种对粉煤灰水泥 图3-13 粉磨时间对粉煤灰水泥

28天强度的影响 28天的强度影响

从图3-14可以看出，水灰比对28天强度的影响基本趋于平缓。水灰比为0.40时强度稍微大点。

40 抗 压 强度 抗 折强度353025Ki/MPa20151050.40.5水灰比

28天的强度影响

20

图3-14 水灰比对粉煤灰水泥

正交实验法对掺活化剂的粉煤灰水泥性能影响因素的研究

综合以上分析，为提高粉煤灰水泥的28天抗压、抗折强度，其最佳实验配方为：A3B2C3D4E1F1G2。即激发剂掺量为2%，助磨剂掺量为0.03%，减水剂掺量为1.5%，激发剂采用氯化钠，助磨剂采用三乙醇胺，粉磨时间为15min，水灰比0.40。

3.2 活化剂对粉煤灰水泥标准稠度与凝结时间的影响

3.2.1 活化剂对粉煤灰水泥凝结时间的影响的初步分析

根据表3-7可以看出不同编号粉煤灰水泥试样的标准稠度与凝结时间分布情况。其中，标准稠度最大的有实验编号6，结合表2-1、表2-2知该编号采用激发剂掺量1%，助磨剂掺量0.03%，减水剂掺量0%，粉磨时间15min，激发剂采用硫酸钠，助磨剂采用三乙醇胺，水灰比0.4。实验编号16的标准稠度次之，实验编号5的标准稠度最小。实验编号16的初凝时间最短，结合表2-1、表2-2知该编号采用激发剂掺量3%，助磨剂掺量0.09%，减水剂掺量0%，粉磨时间10min，激发剂采用氯化钠，助磨剂采用乙二醇，水灰比0.4。实验编号1的初凝时间次之，实验编号3的初凝时间最长。实验编号5的终凝时间最短，结合表2-1、表2-2知该编号采用激发剂掺量1%，助磨剂掺量0%，减水剂掺量1%，粉磨时间10min，激发剂采用硫酸钠，水灰比0.5，在此条件下粉煤灰水泥的终凝时间最短。

水泥的体积安定性是水泥最基本的而且是十分重要的物理性能，它反映水泥浆体在硬化过程中因体积膨胀不均而变形的情况。上述的16个实验的粉煤灰水泥的安定性均合格。

表3-7 粉煤灰水泥试样的标准稠度与凝结时间

编号 1 2 3 4 5 6 7 8

标准稠度（%） 25.0 22.7 24.7 22.9 22.1 28.2 22.7 23.8

初凝时间（min） 终凝时间（min） 安定性 83 198 260 160 100 143 140 92

21

306 255 325 260 184 275 315 250

合格 合格 合格 合格 合格 合格 合格 合格

福州大学本科生科研训练计划（SRTP）项目试验总结

续表 编号 9 10 11 12 13 14 15 16

标准稠度（%） 23.2 22.3 25.9 24.9 24.0 23.6 23.2 27.3

初凝时间（min） 终凝时间（min） 安定性 150 255 100 190 195 220 135 60

290 330 185 400 405 340 220 215

合格 合格 合格 合格 合格 合格 合格 合格

3.2.2活化剂对粉煤灰水泥标准稠度的影响

表3-8粉煤灰水泥试样的标准稠度的极差分析表中，K1, K2，K3，K4分别表示在各个因素的1,2,3,4水平的影响下粉煤灰水泥的标准稠度的平均值，⊿R为极差，是每列K1, K2，K3，K4中最大值与最小值之差，其大小反应各个因素对粉煤灰水泥的标准稠度的影响程度。

由表3-8中的极差⊿R的值：Ra=0.70、Rb=1.15、Rc=3.62、Rd=0.33、Re=1.06、Rf=0.71可以断定各个因素对实验的影响的主次顺序为C>B>E>F>A>D,即各个因素对粉煤灰水泥标准稠度的影响作用的大小按从大到小的顺序依次为减水剂掺量，助磨剂掺量，激发剂品种，助磨剂品种，激发剂掺量，粉磨时间。

表3-8 粉煤灰水泥标准稠度极差分析

因素 编号

激发剂掺

助磨剂掺

减水剂掺

粉磨时间（min） D 24.05 24.10 24.10 24.38 0.33

激发剂品助磨剂品

种 E 23.78 24.84 1.06

种 F 24.51 23.80 0.71

量（wt%） 量（wt%） 量（wt%） A B

C 26.60 23.23 23.83 22.98 3.62

K1 K2 K3 K4 ⊿R

23.83 24.20 24.08 24.53 0.70

23.58 24.20 24.13 24.73 1.15

以各因素的水平值为横坐标，以K值为纵坐标，建立直角坐标系，绘制各因素的直观趋势图，以便能直观的分析各因素对粉煤灰水泥试样标准稠度的影响，如图3-15～图3-12。

从图3-15可以看出，添加激发剂的粉煤灰水泥标准稠度平均值K值随激发

22

正交实验法对掺活化剂的粉煤灰水泥性能影响因素的研究

剂掺量水平的增加而先上升后下降到一定高度，然后继续上升。当激发剂掺量为3%时粉煤灰水泥的标准稠度最大，不加激发剂时粉煤灰的标准稠度最小。

从图3-16可以看出，添加助磨剂的粉煤灰水泥标准稠度平均值K值随助磨剂掺量水平的增加先上升后下降到一定高度，然后继续上升。当助磨剂掺量为0.09%时粉煤灰水泥的标准稠度最大，不加助磨剂时粉煤灰的标准稠度最小。

24.624.524.424.324.224.124.023.923.80123Ki/%激发 剂掺 量/ W t %

图3-15 激发剂掺量对粉煤灰水泥 图3-16 助磨剂掺量对粉煤灰水泥

标准稠度的影响 标准稠度的影响

从图3-17可以看出，添加减水剂的粉煤灰水泥标准稠度平均值k值随减水剂掺量的增加先下降，然后稍有上升，接着继续下降，总体上呈下降趋势。当不加减水剂时粉煤灰水泥的标准稠度最大，减水剂掺量为2%时粉煤灰的标准稠度最小。

从图3-18可以看出，激发剂品种选择氯化钠时粉煤灰水泥标准稠度平均值为23.78比使用硫酸钠为激发剂的标准稠度24.84低。

标准稠度的影响 标准稠度的影响

23

图3-17 减水剂掺量对粉煤灰水泥 图3-18 激发剂品种对粉煤灰水泥

福州大学本科生科研训练计划（SRTP）项目试验总结

从图3-19可以看出，助磨剂品种采用三乙醇胺时粉煤灰水泥的标准稠度比使用乙二醇的标准稠度高。

从图3-20可以看出，粉煤灰水泥的标准稠度随粉磨时间的增加标准稠度呈上升趋势。粉磨时间越长，标准稠度越大。

图3-19 助磨剂品种对粉煤灰水泥 图3-20 粉磨时间对粉煤灰水泥

标准稠度的影响 标准稠度的影响

3.2.3 活化剂对粉煤灰水泥初凝时间的影响

表3-9粉煤灰水泥试样的初凝时间的极差分析表中，K1, K2，K3，K4分别表示在各个因素的1,2,3,4水平的影响下粉煤灰水泥的初凝时间的平均值，⊿R为极差，是每列K1, K2，K3，K4中最大值与最小值之差，其大小反应各个因素对粉煤灰水泥的初凝时间长短的影响程度。

由表3-9中的极差⊿R的值：Ra=56.50、Rb=75.50、Rc=91.00、Rd=22.50、Re=8.13、Rf=28.18可以断定各个因素对实验的影响的主次顺序为C>B>A>F>D>E,即各个因素对粉煤灰水泥初凝时间的影响作用的大小按从大到小的顺序依次为减水剂掺量，助磨剂掺量，激发剂掺量，助磨剂品种，粉磨时间，激发剂品种。

表3-9 粉煤灰水泥初凝时间极差分析

因素 编号

激发剂掺

助磨剂掺

减水剂掺

粉磨时间（min） D 158.25 146.25 168.75 147.00 22.50

激发剂品

种 E 159.13 151.00 8.13

助磨剂品

种 F 169.13 141.00 28.13

量（wt%） 量（wt%） 量（wt%） A B

K1 K2 K3 K4 ⊿R

C 96.50 155.75 180.50 187.50 91.00

24

175.25 118.75 173.75 152.50 56.50

132.00 204.00 158.75 125.50 75.50

正交实验法对掺活化剂的粉煤灰水泥性能影响因素的研究

以各因素的水平值为横坐标，以K值为纵坐标，建立直角坐标系，绘制各因素的直观趋势图，以便能直观的分析各因素对粉煤灰水泥试样初凝时间的影响，如图3-10～图3-12。

由图3-21可知：添加激发剂的粉煤灰水泥初凝时间平均值K值随激发剂掺量水平的增加而先减小到一个极小值再增大到一个极大值后再减小，当激发剂掺量为1%时粉煤灰水泥的初凝时间最短。

由图3-22可知：添加助磨剂的粉煤灰水泥初凝时间平均值K值随助磨剂掺量的增加而增大到一个极大值后再减小，当助磨剂掺量为0.09%时粉煤灰水泥的初凝时间最短。

图3-21 活化剂掺量对粉煤灰水泥 图3-22 助磨剂掺量对粉煤灰水泥

初凝时间的影响 初凝时间的影响

由图3-23可知：添加减水剂的粉煤灰水泥初凝时间平均值K值随减水剂掺量水平的增加而增大，因此不添加减水剂时粉煤灰水泥的初凝时间最短。

由图3-24可知：当激发剂采用氯化钠时，初凝时间平均值为159min，比采用硫酸钠时初凝时间要长得多，所以激发剂选用硫酸钠为佳。

初凝时间的影响 初凝时间的影响

图3-23 减水剂掺量对粉煤灰水泥 图3-24 激发剂品种对粉煤灰水泥

25

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/72f2.html