氢氧化铝干凝胶改性无碱速凝剂的制备与性能研究

张小磊 ，李磊 ，王伟 ，杜航 ，王瑞 ，张建纲 ，田倩

（1.江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏 南京 211103；2.江苏省建筑科学研究院有限公司，高性能土木工程材料国家重点实验室，江苏 南京 210008）

0 前言

液体速凝剂是一种使水泥混凝土快速凝结硬化的外加剂，具有凝结时间短、回弹率低和粉尘量小等优点，从而广泛应用于地下工程、矿山工程和混凝土支护、堵漏及紧急抢险等工程[1]。常规液体速凝剂存在碱含量较高、28 d抗压强度损失较大和腐蚀性强等缺点，为了改善液体速凝剂的不足，常采用硫酸铝系无碱速凝剂来满足喷射混凝土的需求[2]。采用聚合硫酸铝、醇胺类、有机酸或者小分子醇等有机无机复配后[3]，可以明显改善无碱速凝剂的凝结时间和1 d抗压强度。然而改善后的无碱速凝剂还存在水泥适应性不足和28 d抗压强度比较低的缺点，对不同地域和不同工程的施工造成不便，不利于产品的应用。

氢氧化铝干凝胶是一种常用的抑制胃酸原料药[4]，将氢氧化铝干凝胶用在建筑材料领域还较少报道。本文采用氢氧化铝干凝胶作为改性剂改进无碱速凝剂，研究了氢氧化铝干凝胶对无碱速凝剂凝结时间、抗压强度和水泥适应性等性能的影响。

1 试 验

1.1 原材料

氢氧化铝干凝胶，氢氧化铝含量≥80%，制酸力≥230ml/g，日本协和化学工业株式会社；水泥：基准水泥P·O42.5、海螺水泥P·O42.5、鹤林水泥P·O42.5，其化学组成及熟料的矿物组成如表1所示，基本性能如表2所示；砂：厦门ISO标准砂；液体速凝剂（无碱型）：SBT-N（Ⅱ），标记为N（Ⅱ），江苏苏博特新材料股份有限公司。

表1 水泥的化学组成及矿物组成 %

表2 水泥的基本性能

1.2 无碱速凝剂改性

将一定量的氢氧化铝干凝胶加入到无碱速凝剂N（Ⅱ）中，加热至70℃后反应2 h，冷却后采用超声细胞破碎仪（频率20 KHz，输出功率360 W）处理3 min，得到改性无碱速凝剂，标记为N（Ⅲ）。速凝剂的性能指标要求见表3。

表3 速凝剂的性能指标要求

1.3 性能测试方法

水泥净浆的凝结时间和砂浆的强度参照JC 477—2005《喷射混凝土用速凝剂》进行测试。

2 结果与讨论

2.1 氢氧化铝干凝胶对水泥凝结时间的影响

考察不同掺量（按占水泥质量百分比计，下同）下，经氢氧化铝干凝胶改性前后无碱速凝剂N（Ⅱ）和N（Ⅲ）对基准水泥凝结时间的影响，结果如表4所示。

表4 氢氧化铝干凝胶改性对基准水泥凝结时间的影响

从表4可以看出，当无碱速凝剂掺量为6%时，未改性的N（Ⅱ）初凝时间为5 min48 s，终凝时间达到16 min23 s；采用氢氧化铝干凝胶改性的无碱速凝剂N（Ⅲ）初凝时间缩短到3 min40 s，终凝时间缩短至7 min15 s，这表明氢氧化铝干凝胶可以有效缩短凝结时间。这是因为氢氧化铝干凝胶不同于常规氢氧化铝，其可以很快的溶于N（Ⅱ）中，溶液中活性铝离子含量增加，提高了和水泥矿物组分反应的速率[5]，缩短了凝结时间。

2.2 氢氧化铝干凝胶对砂浆抗压强度的影响

表5为氢氧化铝干凝胶改性对掺无碱速凝剂砂浆抗压强度的影响。

表5 氢氧化铝干凝胶改性对砂浆抗压强度的影响

从表5可以看出，随着速凝剂掺量的增加，砂浆抗压强度先提高然后略有降低。当无碱速凝剂掺量为6%时，掺未改性的N（Ⅱ）的砂浆1 d抗压强度为6.72 MPa，28 d抗压强度比为98.1%；采用氢氧化铝干凝胶改性的无碱速凝剂N（Ⅲ）1 d抗压强度提高到9.15 MPa，28 d抗压强度比为107.1%。这说明氢氧化铝干凝胶改性后的无碱速凝剂可以和C3S快速反应，生成CSH凝胶，提高砂浆的抗压强度[6]。

2.3 氢氧化铝干凝胶对水泥适应性的影响

表6为氢氧化铝干凝胶改性对无碱速凝剂与水泥适应性的影响，速凝剂掺量均为8%。

表6 氢氧化铝干凝胶对水泥适应性的影响

由表6可见，改性后的无碱速凝剂可以缩短海螺和鹤林水泥的凝结时间，提高抗压强度。这是因为由于氢氧化铝干凝胶的引入，增加了速凝剂溶液中Al3+的的浓度，而Al3+的含量决定了速凝剂的作用效果。同时氢氧化铝干凝胶与N（Ⅱ）反

应生成离子半径大、电荷量高的水合铝离子聚合体[7]，更有利于打破水泥颗粒表面的电位平衡，加速水泥的絮凝和凝结作用，提高水泥适应性。

3 结论

（1）采用氢氧化铝干凝胶对无碱速凝剂进行改性，可以有效地促进水泥水化进程，当其掺量为8%时，可使基准水泥的初凝时间缩短到2 min，终凝时间3 min35 s；1 d抗压强度提高至14.51 MPa，28 d抗压强度比108.2%。

（2）改性后的无碱速凝剂具有良好的水泥适应性，当改性后的无碱速凝剂掺量为8%时，海螺水泥初凝时间缩短到2 min，终凝时间为4 min30 s，1 d抗压强度提高至16.88 MPa，28 d抗压强度比达到111.6%；鹤林水泥初凝时间降至3 min35 s，终凝 7 min，1 d 抗压强度提升至 7.83 MPa，28 d抗压强度比100.8%，更有利于无碱速凝剂的推广应用。

[1] Lee S T，Kim D G，Jung H S.Sulfate attack of cement matrix containing inorganic alkali-free accelerator[J].KSCE Journal of Civil Engineering，2009，13（1）：49-54.

[2] 李龙浩.新型绿色混凝土速凝剂的设计与制备[D].长沙：湖南师范大学，2015.

[3] 甘杰忠.无氯无碱液体速凝剂的组成、性能及机理研究[D].北京：中国建筑材料科学研究总院，2014.

[4] 李俊山，邓夕军，王雪明.复方氢氧化铝凝胶的制备和质量控制[J].西南国防医药，2006（3）：295-297.

[5] 刘梅艳，何真，蔡新华，等.无碱液体水泥速凝剂的性能及其促凝机理[J].新型建筑材料，2012（6）：36-40.

[6] Salvador R P，Cavalaro S H P，Segura I，et al.Early age hydration of cement pastes with alkaline and alkali-free accelerators forsprayed concrete[J].Construction and Building Materials，2016，111：386-398.

[7] 张建纲，乔艳静，陆海梅，等.复合铝酸盐液体速凝剂的制备与性能[J].新型建筑材料，2012（12）：77-79.