混凝土速凝剂的加入对混凝土性能影响研究

郑世杰

健研检测集团有限公司 福建厦门 361100

喷射混凝土是一种借助压力喷枪喷筑细砂石混凝土的施工工艺，喷射混凝土中经常加入速凝剂是为了使新拌混凝土迅速凝结硬化，以提高喷射混凝土的早期强度，能够及时的提供支护防固，尤其在修筑隧道时加固防护作用更为关键。我国目前大多数隧道工程中仍在使用碱性粉状速凝剂和有碱液体速凝剂，其主要组分为硅酸钠、氢氧化钠和氢氧化铝等。该类速凝剂虽然能满足喷射混凝土速凝的施工要求，但由于其碱含量过高且具有强腐蚀性，对混凝土的后期强度和耐久性会产生不利影响，使用时也会腐蚀施工工人皮肤，造成事故安全问题。为了使速凝剂的性能特点在喷射混凝土中发挥更大的作用，近年来，科研人员对速凝剂的凝结性能、力学性能、稳定性及安全环保性开展了诸多研究工作[1]。

1 速凝剂对混凝土性能影响

喷射混凝土中使用的主要液体促进剂是富碱的无碱。富碱液体促进剂由碱金属氢氧化物、碱金属铝酸盐或硅酸盐。它们主要将大量的Na+和OH引入水泥。OH-与Ca2+，SO4反应液体中的Al3+水泥浆体，大大促进了早期钙矾石或硫铝酸盐，从而达到快速硬化和早期强度的目的。富碱液速凝剂具有低成本、高早期的优点但它们含有大量碱性物质，容易造成后期力量严重丧失，诱发碱骨料反应，降低混凝土耐久性，对人体有很强的腐蚀性。为了缓解这些问题，开发了无碱液体促进剂并应用于喷射混凝土施工。根据使用速凝剂可以定义为“无碱”当其当量碱含量小于1%。

硬化水泥基材料的快速结构堆积和强度发展在很多场景下总是被寄予厚望，在这些场景下经常使用促进剂。通过研究使用不同促进剂的水泥浇注料的水化、结构堆积和强度发展。用静态屈服应力的增长来表征1%纳米二氧化硅的新鲜水泥浆的结构堆积。同时测定了浆料的热工曲线、Zeta电位和电导率以及砂浆的强度发展。结果表明，促进剂在不同阶段和不同机制下促进C3S或C3A的反应。以弹性模量的增长或屈服应力超过累积水化热来确定C-S-H的力学效率，可能会对C-S-H的效率给出错误的排序。除了C-S-H凝胶的形成外，结构上的堆积可能来自于其他来源[2]。

为了确定外加剂和速凝剂的最佳组合，以提高10°C养护时混凝土的水平形去除强度（5MPa）考虑到单位水泥用量，使用单一和混合的化学外加剂和速凝剂；测定了坍落度、空气含量和抗压强度。掺合料和促进剂对混凝土强度的影响如下：

Ad＜PC＜ePC-A＜ePC-B＜CaBr2+DEA（C4H11N02）＜CaBr2+NaSCN+DEA。

水泥掺量在330kg/m3及以上时，CaBr2+NaSCN+DEA可改善早期强度。通过实验展示不同钙含量C3S的等温传导趋势和养护温度对混凝土强度的影响。可见该种速凝剂和掺合料的加入使得混凝土凝结速度加快有效改善早期强度。

碱性的速凝剂虽高效但是对于混凝土的碱化作用并不是促进作用，与碱性速凝剂相比，无碱速凝剂具有一定的生态优势，但也存在额外的成本。设计了一个水化模型的形式对无碱速凝剂在硅酸盐水泥中的化学作用机理进行了研究。在实验中发现，与碱性的速凝剂相比，无碱的速凝剂在使用过程中开始阶段对水化反应的促进小，水化反应发生慢，后期速度加快，强度也逐渐增加。研究了超声测量对喷射混凝土凝固和硬化监测的好处。评估了速凝剂类型（碱性铝酸盐或无碱）和用量的敏感性，以及速凝剂与水泥的相容性。在脉冲速度开始大幅增加之前没有发现休眠期，表明固相连通性发生了快速变化。碱性速凝剂的效果优于无碱速凝剂，特别是在90分钟以下。只有碱性速凝剂造成了抗压强度的显著降低。在研究中将速凝剂（CPCA）加入混凝土中同时制作另外一组未加的混凝土空白样对比凝结性能和机械强度通过实验发现，前期混凝土的强度增加非常快，水化反应速度远高于未加速凝剂的混凝土，但后期强度则有所降低。此外，研究还发现，添加碱性促进剂的水泥浆体中氢氧化钙可以很好地填充混凝土内部的空腔。这使得含碱的混凝土速凝剂在同等情况下有较好的促进混凝土水化的效果，在喷射混凝土中也得到了很好的运用[3]。

研究开创了自加速混凝土的概念。研究了在不同温度下，掺加部分水化胶凝材料（预制胶凝材料和回收/未使用混凝土胶凝材料）对反应性粉末混凝土凝结硬化过程的影响。部分水化胶凝材料（PHCMs）的添加速率为质量比的的25%、33%和50%。同时还与加入含有氯基速凝剂（CAs）和不氯基速凝剂（NCAs）的混凝土也进行了测试以进行比较。结果表明，添加的PHCMs起到了凝结硬化的促进作用。掺有PHCMs的混合物的早期抗压强度与对照混合物和掺有加速剂的混合物相当或更高。微观结构分析表明，PHCMs的加入通过减少预诱导期在未水合硅酸三钙周围形成的保护层，增强了水合硅酸钙的成核和再生过程。因此，使用PHCMs为不需要加速外加剂的自加速混凝土铺平了道路，为预制和现浇混凝土提供了一种安全经济的方法。

2 结语

现代混凝土中经常使用许多辅助胶凝材料，导致早期强度较低。但是这样带来的结果是拆模明显滞后，增加了成本，降低了施工效率。通过添加各种类型的速凝剂，早期强度可以得到提高，而不会损害其后期强度和耐久性。因此，这种类型的速凝剂在现代混凝土施工中得到了广泛的应用。在为了获得理想的早期强度发展，开发了多种促进剂和复合促进剂。这使得我们的快速施工技术得以进一步发展。