无碱液体速凝剂对低温下硅酸盐水泥水化及性能的影响

2019-01-17田琨陈凯庄连蕊商先鹏李成锴高荣龙

新型建筑材料 2018年12期

田琨，陈凯，庄连蕊，商先鹏，李成锴，高荣龙

（中建八局第一建设有限公司，山东济南 250001）

0 引言

速凝剂是一种能够加速水泥凝结硬化的外加剂，而且不会过分地影响水泥后期强度的发展，因此，速凝剂在喷射混凝土和喷射砂浆中得以广泛地应用[1-2]。按照化学成分和状态，速凝剂主要有碱性粉状、碱性液态、无碱粉状和无碱液态4大类[3-4]。碱性固态速凝剂和碱性液态速凝剂会导致水泥后期强度大幅度降低，而且可能会导致混凝土碱骨料反应，降低水泥混凝土的耐久性；无碱粉状速凝剂在喷射混凝土中分布不均匀，导致喷射混凝土性能波动较大[5-7]。因此，无碱液体速凝剂成为一个研究的热点。

Paglia和Bravo等[8-9]研究发现：通过研究含硫酸铝物质的无碱速凝剂的速凝机理，认为无碱速凝剂主要是通过硫酸铝促进钙矾石的形成，从而加速凝结，达到速凝的目的。逄鲁峰等[5]通过合理控制工艺条件，使得Al2（SO4）3、乳酸和三乙醇胺反应，制备了无碱液体速凝剂聚合硫酸铝。并研究了该无碱液体速凝剂对硅酸盐水泥水化和性能的影响，结果表明，聚合硫酸铝与水泥具有良好的相容性，并且可显著促进水泥凝结硬化，对水泥后期强度增长也无不利影响。

在喷射混凝土施工的过程中，尤其是在春秋季节，环境温度比较低，导致水泥凝结硬化速度减慢，因此，有必要研究低温下无碱液体速凝剂对硅酸盐水泥水化和性能的影响。本文研究了5、10、15℃下聚合硫酸铝速凝剂对硅酸盐水泥水化和性能的影响。

1 实验

1.1 原材料

硫酸铝、氨水（NH3含量为28%）、三乙醇胺、乳酸：分析纯；水：蒸馏水；水泥：中联P·O42.5水泥，其化学成分如表1所示。

表1 水泥的化学成分 %

1.2 无碱速凝剂的制备

称取一定量的硫酸铝置于四口烧瓶中，加入适量水微热溶解，制得浓度为22%的硫酸铝溶液。将氨水（NH3含量为28%）水溶液和配制好的硫酸铝溶液（氨水稍过量），加入装有温度计、搅拌器的四口烧瓶中，控制中和温度80℃，制备氢氧化铝胶体溶液，将制得的胶体溶液过滤，用适量蒸馏水洗涤3次。再将滤后得到的胶体置于65℃烘箱烘9 h，烘干后胶体磨细。然后将乳酸、三乙醇胺与氢氧化铝胶体一起加入浓度为22%的硫酸铝溶液中，加热至90℃，直至胶体完全溶解，冷却到室温，即可得到聚合硫酸铝。其中乳酸、三乙醇胺掺量分别为聚合硫酸铝总质量的5%、11%。

1.3 测试与表征

1.3.1 凝结时间和砂浆抗压强度

按照JC 477—2005《喷射混凝土用速凝剂》测试5、10、15℃下掺聚合硫酸铝速凝剂水泥净浆的凝结时间及砂浆试件的抗压强度。

1.3.2 水泥砂浆试件内部温度

采用型号为Elitech精创RC-4温度记录仪，记录不同温度养护下水泥砂浆试件内部的温度变化，从而反映聚合硫酸铝对硅酸盐水泥水化的影响。

1.3.3 水泥净浆孔隙率

采用Quanta Poremater-60压汞仪测试28 d水泥净浆孔隙率。

1.3.4 X射线衍射分析

将硬化后的水泥净浆试件粉磨过200目筛，用于X射线衍射测试。所用衍射仪的型号为D8-Advance，射线为Cu Kα，扫描速度为2°/min，扫描方式为步进式扫描，步长为0.02°，扫描角度范围为 5°~60°。

1.3.5 水化产物微观形貌分析

采用TESCAN VEGA 3型扫描电镜观察水泥净浆试件中水化产物微观形貌，扫描电镜的电压为25 kV，电流为20 μA，工作距离为15 mm。

2 结果与讨论

2.1 速凝剂掺量对水泥净浆凝结时间的影响

表2为不同养护温度下速凝剂聚合硫酸铝对水泥净浆凝结时间的影响。

表2 聚合硫酸铝掺量对水泥净浆凝结时间的影响

由表2可见，随着聚合硫酸铝掺量的增加，水泥的初凝和终凝时间明显缩短，这主要是因为硫酸铝促进了水化早期钙矾石的形成[8-9]。当养护温度为5℃、聚合硫酸铝掺量为7.5%时，水泥的初、终凝时间分别为5、10 min，符合JC 477—2005中对合格品的凝结时间要求；当养护温度为10℃、聚合硫酸铝掺量为6.0%时，水泥的初、终凝时间分别为3、7 min；当养护温度为15℃、硫酸铝掺量为4.5%时，水泥的初、终凝时间分别为3、7 min，达到一等品的要求。因此，聚合硫酸铝速凝剂可用于低温下制备喷射混凝土。

2.2 速凝剂掺量对水泥砂浆抗压强度的影响

表3为不同养护温度下聚合硫酸铝对水泥砂浆抗压强度的影响。

表3 聚合硫酸铝掺量对水泥砂浆抗压强度的影响 MPa

由表3可知，当养护温度为5、10、15℃时，随着水泥中聚合硫酸铝掺量的增加，水泥砂浆早期抗压强度提高，尤其是养护温度为5℃时，水泥砂浆强度提高效果比较明显。当养护龄期为28 d时，随着养护温度的升高，水泥砂浆抗压强度提高，这主要是因为，低温养护在一定程度上抑制了水泥矿物的水化。养护温度为5、10、15℃时，随着聚合硫酸铝掺量的增加，水泥砂浆的28 d抗压强度略微降低，但聚合硫酸铝对砂浆抗压强度的不利影响均较小，可以忽略不计。

2.3 速凝剂对水泥砂浆内部温度的影响

水泥中的活性组分水化产生热量，活性组分水化程度越高，水泥砂浆试件的内部温度也就越高，因此，水泥砂浆试件内部的温度也可在一定程度上反应水泥的水化程度。图1为10℃养护下，未掺速凝剂的空白样品及聚合硫酸铝掺量为6.0%时，不同水化时间水泥砂浆的内部温度变化。

图1 10℃养护下聚合硫酸铝对水泥砂浆内部温度的影响

由图1可知，当聚合硫酸铝掺量为6.0%、水化时间为4 h时，水泥砂浆试件内部温度达到最高，为18.8℃；空白样品在水化6 h时，水泥砂浆试件内部温度达到最高，为12.9℃。这说明聚合硫酸铝在很大程度上促进了水泥中铝酸三钙和阿利特矿物在低温条件下的水化，因此，掺入聚合硫酸铝速凝剂提高了低温养护的水泥砂浆在1 d时的抗压强度。

2.4 X射线衍射分析

养护温度为10℃、不同聚合硫酸铝掺量下，水泥水化6 h时水化产物的XRD图谱见图2。

图2 不同聚合硫酸铝掺量下6h水泥水化产物的XRD图谱

由图2可知，随着聚合硫酸铝速凝剂掺量的增加，AFt和Ca（OH）2的衍射峰强度增强，这说明聚合硫酸铝在一定程度上促进了钙矾石的形成，还可促进阿利特矿物的水化，因此，聚合硫酸铝速凝剂提高了低温养护条件下的水泥砂浆抗压强度。

2.5 水化产物微观形貌

图3和图4分别为不同聚合硫酸铝掺量下10℃养护的水泥净浆水化产物在6 h和28 d水化产物的微观形貌。

图3 10℃下养护6 h时水泥净浆水化产物的SEM照片

图4 10℃下养护28 d时水泥净浆水化产物的SEM照片

由图3可知，养护龄期为6 h时，随着聚合硫酸铝速凝剂掺量的增加，水泥颗粒表面逐渐出现一些针棒状的钙矾石，并且晶体颗粒的尺寸逐渐长大，这说明，聚合硫酸铝速凝剂不仅可以促进C3A矿物的水化，而且可以促进针棒状钙矾石的生长发育。由图4可知，养护龄期为28 d时，聚合硫酸铝速凝剂对水泥水化产物的形貌并没有明显的影响，但是随着聚合硫酸铝速凝剂掺量的增加，水泥净浆中的孔洞和微裂缝数量逐渐增多，这在一定程度上不利于水泥强度的发展。