田琨，陳凱，莊連蕊，商先鵬，李成鍇，高榮龍

（中建八局第一建設(shè)有限公司，山東 濟(jì)南 250001）

0 引 言

速凝劑是一種能夠加速水泥凝結(jié)硬化的外加劑，而且不會(huì)過分地影響水泥后期強(qiáng)度的發(fā)展，因此，速凝劑在噴射混凝土和噴射砂漿中得以廣泛地應(yīng)用[1-2]。按照化學(xué)成分和狀態(tài)，速凝劑主要有堿性粉狀、堿性液態(tài)、無堿粉狀和無堿液態(tài)4大類[3-4]。堿性固態(tài)速凝劑和堿性液態(tài)速凝劑會(huì)導(dǎo)致水泥后期強(qiáng)度大幅度降低，而且可能會(huì)導(dǎo)致混凝土堿骨料反應(yīng)，降低水泥混凝土的耐久性；無堿粉狀速凝劑在噴射混凝土中分布不均勻，導(dǎo)致噴射混凝土性能波動(dòng)較大[5-7]。因此，無堿液體速凝劑成為一個(gè)研究的熱點(diǎn)。

Paglia和Bravo等[8-9]研究發(fā)現(xiàn)：通過研究含硫酸鋁物質(zhì)的無堿速凝劑的速凝機(jī)理，認(rèn)為無堿速凝劑主要是通過硫酸鋁促進(jìn)鈣礬石的形成，從而加速凝結(jié)，達(dá)到速凝的目的。逄魯峰等[5]通過合理控制工藝條件，使得Al2（SO4）3、乳酸和三乙醇胺反應(yīng)，制備了無堿液體速凝劑聚合硫酸鋁。并研究了該無堿液體速凝劑對(duì)硅酸鹽水泥水化和性能的影響，結(jié)果表明，聚合硫酸鋁與水泥具有良好的相容性，并且可顯著促進(jìn)水泥凝結(jié)硬化，對(duì)水泥后期強(qiáng)度增長也無不利影響。

在噴射混凝土施工的過程中，尤其是在春秋季節(jié)，環(huán)境溫度比較低，導(dǎo)致水泥凝結(jié)硬化速度減慢，因此，有必要研究低溫下無堿液體速凝劑對(duì)硅酸鹽水泥水化和性能的影響。本文研究了5、10、15℃下聚合硫酸鋁速凝劑對(duì)硅酸鹽水泥水化和性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

硫酸鋁、氨水（NH3含量為28%）、三乙醇胺、乳酸：分析純；水：蒸餾水；水泥：中聯(lián)P·O42.5水泥，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 水泥的化學(xué)成分 %

1.2 無堿速凝劑的制備

稱取一定量的硫酸鋁置于四口燒瓶中，加入適量水微熱溶解，制得濃度為22%的硫酸鋁溶液。將氨水（NH3含量為28%）水溶液和配制好的硫酸鋁溶液（氨水稍過量），加入裝有溫度計(jì)、攪拌器的四口燒瓶中，控制中和溫度80℃，制備氫氧化鋁膠體溶液，將制得的膠體溶液過濾，用適量蒸餾水洗滌3次。再將濾后得到的膠體置于65℃烘箱烘9 h，烘干后膠體磨細(xì)。然后將乳酸、三乙醇胺與氫氧化鋁膠體一起加入濃度為22%的硫酸鋁溶液中，加熱至90℃，直至膠體完全溶解，冷卻到室溫，即可得到聚合硫酸鋁。其中乳酸、三乙醇胺摻量分別為聚合硫酸鋁總質(zhì)量的5%、11%。

1.3 測試與表征

1.3.1 凝結(jié)時(shí)間和砂漿抗壓強(qiáng)度

按照J(rèn)C 477—2005《噴射混凝土用速凝劑》測試5、10、15℃下?lián)骄酆狭蛩徜X速凝劑水泥凈漿的凝結(jié)時(shí)間及砂漿試件的抗壓強(qiáng)度。

1.3.2 水泥砂漿試件內(nèi)部溫度

采用型號(hào)為Elitech精創(chuàng)RC-4溫度記錄儀，記錄不同溫度養(yǎng)護(hù)下水泥砂漿試件內(nèi)部的溫度變化，從而反映聚合硫酸鋁對(duì)硅酸鹽水泥水化的影響。

1.3.3 水泥凈漿孔隙率

采用Quanta Poremater-60壓汞儀測試28 d水泥凈漿孔隙率。

1.3.4 X射線衍射分析

將硬化后的水泥凈漿試件粉磨過200目篩，用于X射線衍射測試。所用衍射儀的型號(hào)為D8-Advance，射線為Cu Kα，掃描速度為2°/min，掃描方式為步進(jìn)式掃描，步長為0.02°，掃描角度范圍為 5°~60°。

1.3.5 水化產(chǎn)物微觀形貌分析

采用TESCAN VEGA 3型掃描電鏡觀察水泥凈漿試件中水化產(chǎn)物微觀形貌，掃描電鏡的電壓為25 kV，電流為20 μA，工作距離為15 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 速凝劑摻量對(duì)水泥凈漿凝結(jié)時(shí)間的影響

表2為不同養(yǎng)護(hù)溫度下速凝劑聚合硫酸鋁對(duì)水泥凈漿凝結(jié)時(shí)間的影響。

表2 聚合硫酸鋁摻量對(duì)水泥凈漿凝結(jié)時(shí)間的影響

由表2可見，隨著聚合硫酸鋁摻量的增加，水泥的初凝和終凝時(shí)間明顯縮短，這主要是因?yàn)榱蛩徜X促進(jìn)了水化早期鈣礬石的形成[8-9]。當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度為5℃、聚合硫酸鋁摻量為7.5%時(shí)，水泥的初、終凝時(shí)間分別為5、10 min，符合JC 477—2005中對(duì)合格品的凝結(jié)時(shí)間要求；當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度為10℃、聚合硫酸鋁摻量為6.0%時(shí)，水泥的初、終凝時(shí)間分別為3、7 min；當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度為15℃、硫酸鋁摻量為4.5%時(shí)，水泥的初、終凝時(shí)間分別為3、7 min，達(dá)到一等品的要求。因此，聚合硫酸鋁速凝劑可用于低溫下制備噴射混凝土。

2.2 速凝劑摻量對(duì)水泥砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

表3為不同養(yǎng)護(hù)溫度下聚合硫酸鋁對(duì)水泥砂漿抗壓強(qiáng)度的影響。

表3 聚合硫酸鋁摻量對(duì)水泥砂漿抗壓強(qiáng)度的影響 MPa

由表3可知，當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度為5、10、15℃時(shí)，隨著水泥中聚合硫酸鋁摻量的增加，水泥砂漿早期抗壓強(qiáng)度提高，尤其是養(yǎng)護(hù)溫度為5℃時(shí)，水泥砂漿強(qiáng)度提高效果比較明顯。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí)，隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高，水泥砂漿抗壓強(qiáng)度提高，這主要是因?yàn)椋蜏仞B(yǎng)護(hù)在一定程度上抑制了水泥礦物的水化。養(yǎng)護(hù)溫度為5、10、15℃時(shí)，隨著聚合硫酸鋁摻量的增加，水泥砂漿的28 d抗壓強(qiáng)度略微降低，但聚合硫酸鋁對(duì)砂漿抗壓強(qiáng)度的不利影響均較小，可以忽略不計(jì)。

2.3 速凝劑對(duì)水泥砂漿內(nèi)部溫度的影響

水泥中的活性組分水化產(chǎn)生熱量，活性組分水化程度越高，水泥砂漿試件的內(nèi)部溫度也就越高，因此，水泥砂漿試件內(nèi)部的溫度也可在一定程度上反應(yīng)水泥的水化程度。圖1為10℃養(yǎng)護(hù)下，未摻速凝劑的空白樣品及聚合硫酸鋁摻量為6.0%時(shí)，不同水化時(shí)間水泥砂漿的內(nèi)部溫度變化。

圖1 10℃養(yǎng)護(hù)下聚合硫酸鋁對(duì)水泥砂漿內(nèi)部溫度的影響

由圖1可知，當(dāng)聚合硫酸鋁摻量為6.0%、水化時(shí)間為4 h時(shí)，水泥砂漿試件內(nèi)部溫度達(dá)到最高，為18.8℃；空白樣品在水化6 h時(shí)，水泥砂漿試件內(nèi)部溫度達(dá)到最高，為12.9℃。這說明聚合硫酸鋁在很大程度上促進(jìn)了水泥中鋁酸三鈣和阿利特礦物在低溫條件下的水化，因此，摻入聚合硫酸鋁速凝劑提高了低溫養(yǎng)護(hù)的水泥砂漿在1 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度。

2.4 X射線衍射分析

養(yǎng)護(hù)溫度為10℃、不同聚合硫酸鋁摻量下，水泥水化6 h時(shí)水化產(chǎn)物的XRD圖譜見圖2。

圖2 不同聚合硫酸鋁摻量下6h水泥水化產(chǎn)物的XRD圖譜

由圖2可知，隨著聚合硫酸鋁速凝劑摻量的增加，AFt和Ca（OH）2的衍射峰強(qiáng)度增強(qiáng)，這說明聚合硫酸鋁在一定程度上促進(jìn)了鈣礬石的形成，還可促進(jìn)阿利特礦物的水化，因此，聚合硫酸鋁速凝劑提高了低溫養(yǎng)護(hù)條件下的水泥砂漿抗壓強(qiáng)度。

2.5 水化產(chǎn)物微觀形貌

圖3和圖4分別為不同聚合硫酸鋁摻量下10℃養(yǎng)護(hù)的水泥凈漿水化產(chǎn)物在6 h和28 d水化產(chǎn)物的微觀形貌。

圖3 10℃下養(yǎng)護(hù)6 h時(shí)水泥凈漿水化產(chǎn)物的SEM照片

圖4 10℃下養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)水泥凈漿水化產(chǎn)物的SEM照片

由圖3可知，養(yǎng)護(hù)齡期為6 h時(shí)，隨著聚合硫酸鋁速凝劑摻量的增加，水泥顆粒表面逐漸出現(xiàn)一些針棒狀的鈣礬石，并且晶體顆粒的尺寸逐漸長大，這說明，聚合硫酸鋁速凝劑不僅可以促進(jìn)C3A礦物的水化，而且可以促進(jìn)針棒狀鈣礬石的生長發(fā)育。由圖4可知，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí)，聚合硫酸鋁速凝劑對(duì)水泥水化產(chǎn)物的形貌并沒有明顯的影響，但是隨著聚合硫酸鋁速凝劑摻量的增加，水泥凈漿中的孔洞和微裂縫數(shù)量逐漸增多，這在一定程度上不利于水泥強(qiáng)度的發(fā)展。

2.6 聚合硫酸鋁摻量對(duì)水泥砂漿孔隙率的影響

為了進(jìn)一步探究聚合硫酸鋁速凝劑對(duì)水泥砂漿孔隙率的影響，對(duì)水泥砂漿進(jìn)行孔隙率分析。圖5為10℃養(yǎng)護(hù)溫度下，聚合硫酸鋁摻量對(duì)水泥砂漿28 d孔隙率的影響。

圖5 聚合硫酸鋁摻量對(duì)水泥砂漿孔隙率的影響

由圖5可知，隨著聚合鋁酸鋁速凝劑摻量的增加，水泥砂漿的孔隙率增大?？紫堵室彩怯绊懰嗌皾{抗壓強(qiáng)度的一個(gè)重要因素，雖然聚合硫酸鋁速凝劑在一定程度上促進(jìn)了阿利特礦物的水化，但是也使得水泥砂漿的孔隙率更高，因此，摻加了聚合硫酸鋁速凝劑28 d抗壓強(qiáng)度降低。

3 結(jié)論

（1）低溫環(huán)境下，聚合硫酸鋁是一種良好的硅酸鹽水泥速凝劑，當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度和聚合硫酸鋁摻量分別為5℃、7.5%，10℃、6.0%，15℃、4.5%時(shí)，水泥的初凝和終凝時(shí)間分別為5、10 min，3、7 min，3、7 min，符合 JC 477—2005對(duì)凝結(jié)時(shí)間的要求。

（2）聚合硫酸鋁速凝劑可促進(jìn)水泥中鋁酸三鈣和硅酸三鈣礦物在5、10、15℃養(yǎng)護(hù)時(shí)的水化，從而提高了硅酸鹽水泥1 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度。

（3）低溫條件下養(yǎng)護(hù)時(shí)，聚合硫酸鋁速凝劑使得水泥砂漿28 d孔隙率增大，導(dǎo)致水泥砂漿28 d抗壓強(qiáng)度略有降低，但降低降低的幅度很小，可忽略不計(jì)。