快速封锚砂浆用缓凝剂试验研究

吴韶亮

（中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所，北京 100081）

CRTSⅢ型先张法轨道板是目前板式无砟轨道的主要结构形式，广泛应用于高速铁路中。与其他轨道板相比，CRTSⅢ型先张法轨道板锚穴直径小、数量多，普通干硬性封锚砂浆无法保证封锚质量。通过对封锚砂浆材料体系、施工工装与工艺的重新设计与构建，中国铁道科学研究院集团有限公司研制出了满足Q/CR 567—2017《高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道先张法预应力混凝土轨道板》要求的可挤入式快速封锚砂浆材料。通过减水剂、塑性膨胀剂、流变改性剂等外加剂来控制砂浆的流动性、注塑性、体积稳定性；通过添加缓凝剂来控制砂浆的可施工时间。本文研究了不同种类及掺量的缓凝剂对CRTSⅢ型先张法轨道板封锚砂浆可施工时间及力学性能的影响。

1 试验内容

1.1 试验材料

封锚砂浆的原材料包括干粉、乳胶、拌和水。干粉主要由52.5 快硬硫铝酸盐水泥、40～80 目石英砂、高性能聚羧酸减水剂、塑性膨胀剂、流变改性剂和缓凝剂组成；胶乳为自行配制的丙烯酸体系的聚合物乳液；拌和水为符合饮用水要求的自来水。

1.2 试验设备

30 L 砂浆搅拌机，搅拌三挡可调；自制砂浆装袋机；CMT6104和CM5305微机控制电子万能试验机。

1.3 试验方案

固定干粉体系中水泥、石英砂、减水剂、塑性膨胀剂、流变改性剂的配比，分别加入硼酸、硼砂、酒石酸、葡萄糖酸钠4种缓凝剂。通过调整缓凝剂掺量并采用适当的搅拌工艺，制备出满足Q/CR 567—2017要求的快速封锚砂浆。参照GB/T 1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》中的终凝时间进行可施工时间测试；按照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》进行抗压强度测试。

2 试验结果分析

2.1 缓凝剂掺量与可施工时间的匹配

轨道板的生产工艺流程对快速封锚砂浆有2方面要求：①必须具有适宜的可施工时间，以保证封锚作业的批量施工；②施工完成后必须能够在较短时间内凝结硬化，以确保后续养护工序的正常进行。

快硬硫铝酸盐水泥能够快速凝结是由钙矾石在水泥浆体中的析晶特点所决定的［1-3］。要延长水泥的凝结时间，须加入与其相匹配的外加剂，在水化初期包裹水泥熟料颗粒，延迟钙矾石的生成［4-6］。不同种类的缓凝剂作用方式不同，有的通过大基团阴离子吸附在固相和水化产物表面形成包裹层，有的与胶凝材料中的Ca2+等反应形成硼酸钙等小晶粒包裹在水泥颗粒水化层表面，但均能减缓钙矾石晶体的形成及生长速度，最终达到延缓水泥水化的目的。不同种类缓凝剂的水溶性、吸附和反应速度、形成包裹层结构等均有差异，导致达到相同缓凝效果所需要的掺量不同。

研究过程中，将CRTSⅢ型先张法轨道板封锚砂浆可施工时间控制在（60±5）min。通过多次试配，分别确定了4 种缓凝剂在20，35 ℃条件下满足可施工时间要求的质量掺量，见表1。可知：要制得可施工时间相近的封锚砂浆，不同种类缓凝剂的质量掺量差异较大，其中硼酸和硼砂用量较小；随着温度的升高，4 种缓凝剂的质量掺量均有不同程度的增大。

表1 4种缓凝剂满足可施工时间要求的质量掺量

2.2 缓凝剂对封锚砂浆力学性能的影响

当缓凝剂处于适宜掺量范围时，产生的作为包裹层的阴离子基团或者硼酸钙在较好地将水泥颗粒包裹的同时，还能够余下较少的通道让水和SO42-离子等缓慢渗入到包裹层内，逐步引起膜内水泥颗粒水化。随着缓凝剂的消耗和生成钙矾石量的增加，包裹层逐渐脱落，最终达到既能保证砂浆具有适宜的可施工时间又能保证砂浆结构及时硬化的目的。

在20 ℃条件下，按照表1 的质量掺量，分别加入4 种缓凝剂制得封锚砂浆，并进行 1，7，28 d 抗压强度测试，结果见表2。可知，在满足可施工时间要求的条件下，硼酸和硼砂制得的封锚砂浆抗压强度相对较高，酒石酸次之，葡萄糖酸钠最低。

表2 封锚砂浆抗压强度测试结果

2.3 缓凝剂的优选试验研究

综合考虑经济性和封锚砂浆的力学性能，优选硼酸和硼砂作为封锚砂浆的缓凝剂。

加入不同质量掺量的硼酸和硼砂制成封锚砂浆，进行可施工时间和1 d 抗压强度测试，结果见图1。可知，随着缓凝剂掺量的增加，封锚砂浆的可施工时间明显延长且增加幅度越来越大，但其1 d 抗压强度逐渐降低。这是因为随着缓凝剂掺量的增加，生成的硼酸钙包裹层更加致密稳定，水分子和离子因扩散阻力过大而不易进入膜内，水泥出现过度缓凝甚至不凝，造成封锚砂浆抗压强度降低。

图1 缓凝剂掺量对封锚砂浆性能的影响

根据测试结果，为了保证施工现场封锚砂浆施工作业和轨道板入水养护需求，常温（25 ℃）下硼酸、硼砂的质量掺量分别以0.18%，0.30%为宜。

针对硼酸和硼砂的质量掺量相差较大的现象，可以从溶解、缓凝、消退3个过程进行分析。

1）溶解过程

为使缓凝剂尽快溶解并参与反应，缓凝剂须具有适宜的溶解度。不同温度下硼砂和硼酸的溶解度曲线见图2。可知，硼酸的溶解度明显高于硼砂。因此，在封锚砂浆拌和物体系中游离水量有限的情况下，硼酸在水溶液中可发挥作用的浓度显著优于硼砂。

图2 硼酸和硼砂的溶解度曲线

2）缓凝过程

为有效延迟水泥的水化，缓凝剂须快速反应并形成包裹层。以硼酸为缓凝剂时，其与封锚砂浆拌和物中的Ca（OH）2等通过酸碱中和反应快速生成包裹层所需的硼酸钙，从而有效地发挥缓凝作用。以硼砂为缓凝剂时，由于OH-的存在，硼砂与体系中Ca2+生成硼酸钙的反应属于可逆反应，因而需要添加稍过量的硼砂来保证反应向着生成硼酸钙的方向进行。

3）消退过程

封锚作业结束后，缓凝剂要尽快失去作用以保证水泥能够及时硬化，形成结构强度。以硼砂为缓凝剂时，随着水化反应的进行，砂浆体系温度缓慢升高。此时硼砂溶解度变大，导致水泥颗粒周围的硼酸钙包裹层消退缓慢，延迟了砂浆结构强度的形成，封锚砂浆抗压强度相对较低。以硼酸为缓凝剂时，随着反应的进行，硼酸逐渐被消耗，保证了施工结束后砂浆结构强度能够及时形成，封锚砂浆抗压强度相对较高。

2.4 其他因素对封锚砂浆性能的影响

缓凝剂的细度和干粉储存时间对封锚砂浆的可施工时间均有影响。分别以细度为50，100，200 目且干粉储存时间不同的硼酸和硼砂为缓凝剂制成封锚砂浆，测试其可施工时间，结果见图3。其中，硼酸、硼砂的质量掺量分别为0.18%，0.30%。

图3 缓凝剂的细度及干粉储存时间对封锚砂浆性能的影响

由图3（a）可知：以硼酸为缓凝剂时，细度对可施工时间影响不大；以硼砂为缓凝剂时，可施工时间随着细度的增大而显著变长。这是由于粒径越小溶解速度越快，特别是溶解度较小的物质。同时，硼砂生产硼酸钙的反应属于可逆反应，细度对硼砂发挥缓凝效果的影响更为显著。因此，硼砂细度以200目为宜。

由图3（b）可知：对于200目硼砂，干粉储存时间对封锚砂浆的可施工时间几乎没有影响；对于不同细度的硼酸，封锚砂浆的可施工时间随着干粉储存时间的增加而减少，且干粉中添加的硼酸细度越大可施工时间减少越显著，储存4 周后趋于稳定。这是由于硼酸粒径越小活性越高，即使在固相状态下也可与胶凝材料缓慢反应，生成硼酸钙聚集在硼酸颗粒周围。随着硼酸钙包裹层的形成，硼酸终止反应，此过程约4周时间。因此，硼酸细度以50目为宜。

3 结论

1）要制得可施工时间相近的封锚砂浆，不同种类的缓凝剂所需掺量差异较大，且随温度升高各种缓凝剂的掺量均有不同程度的增大。硼酸和硼砂用量较小且制得的封锚砂浆的抗压强度相对较高。

2）随着硼酸和硼砂掺量的增大，封锚砂浆的可施工时间显著增大，且增加幅度越来越大，但封锚砂浆的抗压强度会有所降低。综合考虑，常温（25 ℃）下硼酸、硼砂的质量掺量分别以0.18%，0.30%为宜。

3）硼砂的缓凝效果受细度影响较大，硼砂细度以200 目为宜；干粉储存时间对掺有硼酸的封锚砂浆的可施工时间影响显著，硼酸细度以50目为宜。在配方研制及产品生产过程中，必须对缓凝剂的细度进行严格控制，以确保发挥其最佳效果。