有碱无碱液体速凝剂双掺性能的研究

2019-02-04马强左勇志张巧丽曹高品闫光杰

当代化工 2019年11期

马强左勇志张巧丽曹高品闫光杰

摘要：研究了有碱无碱液体速凝剂双掺的作用效果。测试了有碱无碱液体速凝剂双掺时水泥的凝结时间、水泥胶砂的1 d抗压强度、28 d抗压强度比和90 d抗压强度保留值。试验结果表明，有碱无碱液体速凝剂双掺时具有良好的速凝效果。有碱无碱液体速凝剂按照5∶5的质量比双掺时，在掺量<5%的条件下，能够满足水泥的初凝时间<5 min、终凝时间<12 min;水泥砂浆的1 d抗压强度>7.0 MPa，28 d抗压强度比>90%，90 d抗压强度保留值>100%。

关键词：速凝剂;有碱无碱;双掺

中图分类号：TQ528.042 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2019）11-2580-04

Study on the Property of Double-mixture of Alkali and

Alkali-free Liquid Flash Setting Admixture

MA Qiang¹， ZUO Yong-zhi¹， ZHANG Qiao-li¹， CAO Gao-pin¹， YAN Guang-jie²

（1. Beijing Building Construction Research Institute Co.， Ltd.， Beijng 100039，China;

2. Department of Training and Research， Transport Management Institute of Ministry of Transport， Beijng 101601， China）

Abstract： The effect of the double-mixture of alkali and alkali-free liquid flash setting admixture was studied. The setting time of cement， 1 d compressive strength， 28 d compressive strength ratio and the retention value of 90 d compressive strength of cement mortar with alkali and alkali-free liquid flash setting admixture were measured. The results showed that， the property of the double-mixture of alkali and alkali-free liquid flash setting admixture was good. Under the condition that the dosage was less than 5% and the mixing mass ratio of the alkali and alkali-free liquid flash setting admixture was 5：5， the initial and final setting time of cement was less than 5 min and 12 min， respectively; the 1 d compressive strength of cement mortar was more than 7.0 MPa， the 28 d compressive strength ratio was more than 90%， the retention value of 90 d compressive strength was more than 100%.

Key words： Flash setting admixture; Alkali and alkali-free; Double-mixture

隨着我国高铁、地铁隧道项目的广泛开展，喷射混凝土的使用达到了前所未有的高度，于此同时在军事抢修、强建方面，喷射混凝土也具有十分广阔的应用前景^[1]。湿喷混凝土在使用过程中出现的速凝剂掺量过高、混凝土凝结时间过长和后期抗压强度过低等技术难题也日渐显现出来。碱性速凝剂会加剧混凝土后期强度的损失，而无碱速凝剂掺量高，也不利于大量推广应用^[2-4]。此外，我国水泥产量大，生产企业多，材料来源和水泥的矿物的差异，使得水泥与速凝剂的适应性问题非常突出^[5，6]。

以铝酸盐为主的碱性液体速凝剂其主要的作用机理如式下所示。

NaAlO₂+2H₂O →Al （OH）₃+NaOH （1）

2NaAlO₂+3CaO+7H₂O→3CaO·Al₂O₃·6H₂O+2NaOH（2）

在反應过程中产生了大量的NaOH，它能够跟水泥中的石膏之间建立以下平衡关系：

2NaOH+CaSO₄→Ca（OH）₂+Na₂SO₄（3）

速凝剂中的铝酸盐与水泥溶解的钙离子发生水化反应，生成水化铝酸钙，并形成晶核，有利于C₃A的进一步水化反应。于此同时，速凝剂的水解打破了水溶液中酸碱平衡，使得水溶液的碱性增强，进而消除了CaSO₄的缓凝作用，水化热大量释放，促进了C₃S的水化^[7]。因此，碱性液体速凝剂的作用效果与水泥中石膏的溶解速度、C₃A的含量有着直接的关系，也是决定该类液体速凝剂水泥适应性的关键因素之一^[8，9]。

以硫铝酸盐为主的液体速凝剂其主要作用机理如下所示。

Al₂（SO₄）₃+ 3CaO + 5H₂O → 3CaSO₄·2H₂O + 2Al（OH）₃（4）

2NaAlO₂+ 3CaO+ 7H₂O → 3CaO·Al₂O₃·6H₂O +2NaOH（5）

3CaO·Al₂O₃·6H₂O + 3CaSO₄·2H₂O +

24H₂O→3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O（6）

速凝剂中的AL₂（SO₄）₃与液相中水泥水化溶出的大量Ca²⁺迅速发生化学反应，生成大量的钙矾石，钙矾石呈针棒状结构，能够促使水泥浆体迅速形成搭接;由于石膏被大量地消耗，铝酸盐水化反应加速，水泥浆体温度迅速升高，进一步促进了水化反应^[2，7]。可见，由于无碱速凝剂自身含有大量的硫酸铝，在钙矾石生成阶段受到水泥中的矿物影响较小，因此水泥适应性优于铝酸盐速凝剂^[10]。

从以上机理可以看出，AL₂（SO₄）₃和NaAlO₂是对于水泥的速凝起到主要作用的离子基团。因此，若能将这些离子一起加入水泥，将具有优良的速凝性能，同时，由于其作用机理的互补性，将给水泥带来更加良好的适应性。

本研究的目的是解决目前预拌湿喷混凝土存在的速凝剂掺量过高、凝结时间过长和混凝土后期抗压强度过低三者不匹配的技术难题。采用有碱无碱双组分速凝剂的协同作用，使水泥水化进行二次加速反应，形成更多稳定型水化晶型，同时满足工程需要的低掺量（<5%）、初凝时间短（<5 min）、高抗压强度比（d₂₈>90%、d₉₀>100%）的技术要求。

1 实验部分

1.1 试验原材料

固含量50%的有碱液体速凝剂，市售价格2 600元/t;固含量为50%的无碱液体速凝剂，市售价格为2 400元/t。

基准水泥，华新P·O42.5水泥，尖峰P·O42.5水泥。

1.2 试验方法

按照GB/T35159-2017《喷射混凝土用速凝剂》规定的方法，测试掺速凝剂后水泥净浆的凝结时间、水泥砂浆1 d抗压强度、28 d抗压强度比和90 d抗压强度保留值。

2 试验结果

2.1 有碱速凝剂和无碱速凝剂单掺对水泥凝结时间的影响

将有碱速凝剂和无碱液体速凝剂按照不同掺量分别加入到水泥净浆中，不同掺量条件下速凝剂对水泥凝结时间的影响结果见表1。

表1给出了有碱、无碱液体速凝剂单掺对水泥净浆凝结时间的影响，从表中可以看出，在单掺的条件下，有碱速凝剂达到5%的掺量时方可满足GB/T35159-2017《喷射混凝土用速凝剂》规程对凝结时间的要求。对无碱速凝剂而言，掺量则要达到6%时，才能满足规程对凝结时间的要求。

2.2 有碱速凝剂和无碱速凝剂双掺对水泥凝结时间的影响

采用同时掺入的方法将有碱、无碱液体速凝剂按照不同的质量比，依次加入到水泥净浆中，不同掺量对水泥凝结时间的影响结果见表2。

表2给出了有碱速凝剂和无碱速凝剂双掺时对水泥净浆凝结时间的影响，从表中可以看出，有碱速凝剂和无碱速凝剂的双掺时速凝效果显著，当掺量达到4%时，水泥净浆的凝结时间能够达到GB/T35159-2017《喷射混凝土用速凝剂》规程的要求。

同时从表2还可以看出，有碱速凝剂和无碱速凝剂双掺时的比例对凝结时间的影响较大，两者的比例在5∶5时，协同作用最为显著，速凝效果达到最佳。

2.3 速凝剂的加入对水泥砂浆抗压强度的影响

选用基准水泥测试不同种类的速凝剂对水泥砂浆抗压强度的影响，将不同种类的速凝剂按照一定的掺量加入水泥胶砂中，依照GB/T35159-2017《喷射混凝土用速凝剂》规定的方法，制备水泥胶砂试件并测试其不同龄期的抗压强度，试验结果如表3所示。

表3给出了有碱速凝剂和无碱速凝剂的掺入对水泥硬化砂浆抗压强度的影响。从表中可以看出，有碱速凝剂的加入能够显著提高水泥砂浆1d抗压强度，同时也降低了28 d抗压强度比和90 d抗压强度保留值。随着有碱速凝剂掺量的增加，硬化砂浆1d抗压强度值也随之增大，而28 d抗压强度比和90 d抗压强度保留值却呈现逐渐降低的趋势，当掺量达到6%时，28 d抗压强度比和90 d抗压强度保留值均低于70%，无法满足GB/T35159-2017《喷射混凝土用速凝剂》规程对28 d抗压强度比的要求。

表3显示，无碱速凝剂的加入，对水泥硬化砂浆1 d抗压强度和28 d抗压强度比均有较大的影响，随着无碱速凝剂掺量的增加，其水泥硬化砂浆1 d抗压强度和28 d抗压强度比也随之显著增长。更为明显的是，无碱液体速凝剂的加入，大大增加了硬化砂浆后期的抗压强度，使得水泥硬化砂浆28 d抗压强度比超过了100%，90 d抗压强度保留值也明显高于110%。

当有碱速凝剂和无碱速凝剂双掺时，水泥硬化砂浆1 d抗压强度随着掺量的增大而增大，而28 d抗压强度比和90 d抗压强度保留值却随之逐渐降低。在双掺掺量不大于6%的条件下，水泥硬化砂浆1 d抗压强度大于10 MPa，28 d抗压强度比大于90%，90 d抗压强度保留值大于100%，均能满足GB/T35159-2017《喷射混凝土用速凝剂》规程对硬化砂浆抗压强度的技术要求。。

2.4 速凝剂对水泥的适应性

将有碱速凝剂和无碱速凝剂按照5∶5的质量比在不同掺量条件下依次加入到华新P·O42.5水泥和尖峰P·O42.5水泥中，依照GB/T35159-2017《喷射混凝土用速凝剂》规定的方法，测试速凝剂对工程水泥的适应性，试验结果见表4。

由表4可以看出，有碱无碱液体速凝剂按照5∶5的质量比掺加时，对工程用尖峰P·O42.5水泥和华新P·O42.5水泥都有较好的适应性，但适应性有所不同。

对于两种水泥而言，随着速凝剂掺量的增加，水泥净浆的初凝时间呈现减少趋势，且都能够满足<5 min的标准要求;终凝时间也随速凝剂掺量的增加而减少，且能够满足<12 min的标准要求。水泥砂浆的早期强度随速凝剂掺量的增加而增大，且满足1天抗压强度均大于7.0 MPa的标准要求。水泥砂浆的后期强度随速凝剂掺量的增加而降低，其28 d抗压强度比均满足>90%的标准要求，90 d抗压强度保留值也满足>100%的标准要求。

有堿无碱液体速凝剂的协同作用对华新P·O42.5水泥的凝结时间的改变作用明显，对尖峰P·O42.5水泥后期强度的提高方面作用显著。

3 结果分析与讨论

3.1 经济可行分析

从试验结果2可以看出，单掺有碱速凝剂5%时，凝结时间、砂浆抗压强度能够满足国家相关标准。单掺无碱速凝剂达到6%时，凝结时间和砂浆抗压强度能满足国家相关标准。有碱无碱液体速凝剂按照5∶5的质量比双掺时，4%的掺量便能满足GB/T35159-2017《喷射混凝土用速凝剂》规程对凝结时间和砂浆抗压强度的要求。

新建玉磨铁路南联山1#隧道初支喷射混凝土配合比见表5。

如表5所示，C30初支喷射混凝土中有碱液体速凝剂的掺量为5%，单方速凝剂的用量为23.1 kg，折合速凝剂材料成本为60.06元/m³。

若改为无碱液体速凝剂施工，掺量则变为6%，折合速凝剂材料成本为66.53元/m³，相对有碱速凝剂成本增加10.8%。

若改为有碱无碱液体速凝剂按照5∶5的质量比施工，掺量则降为4%，折合速凝剂材料成本为46.2元/m³，相对有碱速凝剂成本下降23.1%。由此可见，有碱无碱液体速凝剂的双掺施工能够带来更好的经济效益。

3.2 技术可行性分析

传统的混凝土湿喷机仅配有一套液体速凝剂计量添加设备，只适用于单一液体速凝剂的计量和添加，无法满足两种不同种类速凝剂的同时添加。

笔者已申请专利《一种用于双组分液体速凝剂添加的喷射设备及施工方法》，针对液体速凝剂的喷射设备进行了改进，研究发明了拥有两套独立的液体速凝剂计量和添加的喷射设备，为有碱无碱液体速凝剂的同时添加提供了有力的技术支持。

4 结论

（1）有碱速凝剂和无碱速凝剂双掺时具有良好的促凝性能。

（2）有碱无碱液体速凝剂按照5∶5的质量比双掺时，在掺量<5%的条件下，能够满足水泥的初凝时间<5 min、终凝时间<12 min;水泥砂浆的1 d抗压强度>7.0 MPa，28 d抗压强度比>90%，90 d抗压强度保留值>100%。

（3）有碱无碱液体速凝剂双掺时能够创造更好的经济效益，具有良好的应用前景。

参考文献：