陳鎮(zhèn)杉

(中國建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)廈門宏業(yè)有限公司，廈門 361000)

速凝劑是能夠加快混凝土凝結(jié)和硬化速度的一種調(diào)凝劑。速凝劑在噴射混凝土、噴射砂漿及搶修補(bǔ)強(qiáng)工程、灌漿止水混凝土中應(yīng)用廣泛，已成為必不可少的一種外加劑。近年來，濕法噴射混凝土工藝由于施工環(huán)境好、回彈量低、施工效率高等優(yōu)點(diǎn)而逐步取代傳統(tǒng)的干噴工藝，得到了廣泛的應(yīng)用。配合該施工工藝使用的速凝劑為液體速凝劑[1,2]。

該文采用工業(yè)級原料制備聚合硫酸鋁，并通過增效劑進(jìn)行改性，制備出改性聚合硫酸鋁型液體速凝劑，并對其水泥適應(yīng)性、溫度適應(yīng)性進(jìn)行研究，采用XRD和熱分析測試分析其促凝機(jī)理。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

1)水泥：基準(zhǔn)水泥、華潤水泥(P.O42.5)、海螺水泥(P.O42.5)。2)改性聚合硫酸鋁型液體速凝劑：自制。3)砂：標(biāo)準(zhǔn)砂。

1.2 方法

1)速凝劑的制備 將工業(yè)級十八水合硫酸鋁與堿化劑A溶于水中，在80 ℃的水浴環(huán)境下攪拌反應(yīng)至均勻穩(wěn)定的聚合硫酸鋁溶液，再將增效劑B加入溶液中，繼續(xù)反應(yīng)約60 min，即可獲得改性聚合硫酸鋁液體速凝劑，命名為CS-4液體速凝劑。

2)適應(yīng)性試驗(yàn) 速凝劑對水泥適應(yīng)性及溫度適應(yīng)性試驗(yàn)，主要是研究速凝劑對不同水泥，以及在不同環(huán)境溫度下對水泥凝結(jié)時間及強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)方法參照J(rèn)C477—2005《噴射混凝土用速凝劑》進(jìn)行。

其中，速凝劑的溫度適應(yīng)性試驗(yàn)，需將水泥、標(biāo)準(zhǔn)砂、拌合水和速凝劑在對應(yīng)的試驗(yàn)溫度環(huán)境下存放1 d(當(dāng)試驗(yàn)溫度為0 ℃以下時，拌合水的溫度定為0 ℃)，再進(jìn)行凝結(jié)時間測試和抗壓強(qiáng)度試件成型，抗壓強(qiáng)度試塊成型三組，每組三塊，其中一組在試驗(yàn)溫度下養(yǎng)護(hù)1 d，測試1 d抗壓強(qiáng)度，另外兩組采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，分別測試1 d和28 d抗壓強(qiáng)度。

3)產(chǎn)物分析 將到達(dá)指定齡期的水泥凈漿采用無水乙醇終止水化，置于60 ℃真空干燥箱干燥2 d，再將樣品研磨，使之全部通過180目方孔篩，再進(jìn)行XRD分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 水泥適應(yīng)性

圖1為CS-4速凝劑在不同摻量下對于基準(zhǔn)水泥凝結(jié)時間的影響。從圖1可以看出，初凝時間隨著速凝劑摻量從4%增加到6%，略有縮短，而終凝時間對速凝劑摻量的變化比較敏感，當(dāng)速凝劑從4%增加至4.5%時，終凝時間從900 s縮短至210 s，達(dá)到了一等品的要求，之后速凝劑逐步增加至6%，終凝時間變化較小，逐步縮短至150 s。對于基準(zhǔn)水泥，速凝劑推薦摻量可為4.5%。

速凝劑在實(shí)際工程中的使用效果，往往受到水泥品種和實(shí)際施工水灰比的影響，試驗(yàn)選取了華潤PO42.5和海螺PO42.5兩種水泥，分別用0.40和0.50兩種水灰比對速凝劑適應(yīng)性進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表1所示。

表1 CS-4速凝劑對不同品種水泥的促凝效果

可以看出，CS-4速凝劑對這兩種常用的水泥表現(xiàn)出很好的適應(yīng)性。在凝結(jié)時間方面，基準(zhǔn)水泥的推薦速凝劑摻量為4.5%，而普通硅酸鹽水泥中由于含有少量混合材，凝結(jié)時間略有延遲，必須增大速凝劑摻量，對于華潤PO42.5和海螺PO42.5這兩種水泥，僅需將速凝劑摻量提高至5.5%，便可獲得速凝效果。在噴射混凝土施工中實(shí)際水灰比往往高達(dá)0.5，所以針對速凝劑在0.5水灰比下的速凝效果也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，由表1可見，在0.5水灰比下，速凝劑摻量需增加至6.5%，才能起到促凝作用，且凝結(jié)時間略有延緩，初凝時間在3 min左右，終凝時間在7 min左右，仍基本滿足一等品對凝結(jié)時間的要求。

在強(qiáng)度方面，按JC477—2005《噴射混凝土用速凝劑》規(guī)定的方法對基準(zhǔn)水泥、華潤PO42.5和海螺PO42.5三種水泥的強(qiáng)度進(jìn)行測試，由表2可見，CS-4速凝劑對于不同水泥均具有很好的早強(qiáng)作用，此外，不同于傳統(tǒng)速凝劑后期強(qiáng)度損失大，CS-4速凝劑的28 d抗壓強(qiáng)度比均大于100%，保障了水泥的后期強(qiáng)度。

表2 CS-4速凝劑對不同品種水泥強(qiáng)度的影響

在某一實(shí)際工程施工中，使用華潤PO42.5水泥制備的噴射混凝土，總噴射209 m3混凝土，使用CS-4速凝劑5 000 kg，每方混凝土用水泥432 kg，水灰比約0.5，速凝劑摻量為水泥用量的5.5%，回彈率較低，促凝效果顯著。

2.2 溫度適應(yīng)性

噴射混凝土實(shí)際施工應(yīng)用中，往往會碰到冬季施工，低溫氣候的極端條件，這就要求速凝劑除了需要有水泥適應(yīng)性外，還需要有溫度適應(yīng)性，目前相關(guān)研究比較少[12-14]。溫度適應(yīng)性包括兩點(diǎn)：1)液體速凝劑能在低溫下保持穩(wěn)定，不變稠不凝固；2)液體速凝劑在低溫環(huán)境下施工，仍能具有促凝效果，保證噴射混凝土施工順利進(jìn)行。

實(shí)驗(yàn)研究了不同溫度下速凝劑對水泥的凝結(jié)時間和抗壓強(qiáng)度的影響，采用基準(zhǔn)水泥進(jìn)行試驗(yàn)，測試了不同溫度下(-10～20 ℃)速凝劑的使用效果，結(jié)果如表3所示。

表3 CS-4速凝劑在不同試驗(yàn)溫度下的促凝效果

由表3可看出，隨著試驗(yàn)溫度的降低，產(chǎn)生促凝效果所需的速凝劑摻量逐步提高，試驗(yàn)溫度為15 ℃、20 ℃時，速凝劑推薦摻量為4.5%，當(dāng)溫度為5 ℃、10 ℃時，速凝劑推薦摻量為5.0%，而當(dāng)溫度低至0 ℃、-5 ℃、-10 ℃時，速凝劑推薦摻量為5.5%?？梢姡?dāng)溫度從20 ℃降低至-10 ℃時，速凝劑摻量僅需從4.5%提高至5.5%，便可滿足促凝要求。此外，CS-4速凝劑保存在-10 ℃的環(huán)境下，不凝固不稠化，仍具有流動性。

圖2為不同試驗(yàn)溫度下，采用對應(yīng)推薦摻量速凝劑，對水泥1 d和28 d抗壓強(qiáng)度的影響。當(dāng)采用試驗(yàn)溫度進(jìn)行養(yǎng)護(hù)時，1 d抗壓強(qiáng)度隨溫度降低而降低。以10 ℃為臨界點(diǎn)，當(dāng)試驗(yàn)溫度從20 ℃降低至10 ℃時，對應(yīng)的1 d抗壓強(qiáng)度從11.9 MPa降低至8.7 MPa，降幅為27%，此時仍高于一等品要求的抗壓強(qiáng)度。但當(dāng)試驗(yàn)溫度從10 ℃降低至5 ℃時，抗壓強(qiáng)度從8.7 MPa急劇降低至1.5 MPa，降幅達(dá)到83%，此后隨著試驗(yàn)溫度的逐步下降至-10 ℃，抗壓強(qiáng)度逐漸降低至0.2 MPa。而采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的情況下，1 d抗壓強(qiáng)度隨著試驗(yàn)溫度的降低緩慢降低，試驗(yàn)溫度由20 ℃降低至-10 ℃時，1 d抗壓強(qiáng)度從11.9 MPa降低至7.0 MPa，剛好滿足一等品要求的抗壓強(qiáng)度。在-10 ℃試驗(yàn)環(huán)境下成型的抗壓試塊，在-10 ℃養(yǎng)護(hù)至1 d，抗壓強(qiáng)度僅為0.2 MPa，而采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，抗壓強(qiáng)度可高達(dá)7.0 MPa。以標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d抗壓強(qiáng)度來代表后期強(qiáng)度，由圖2可見，在保證充分養(yǎng)護(hù)的情況下，水泥得到充分的水化，試驗(yàn)溫度的變化對水泥后期強(qiáng)度略微降低，試驗(yàn)溫度為20 ℃時，28 d抗壓強(qiáng)度為35.4 MPa，當(dāng)試驗(yàn)溫度在-10～10 ℃時，28 d抗壓強(qiáng)度在32～34 MPa范圍內(nèi)波動，強(qiáng)度下降不到10%。這說明了養(yǎng)護(hù)條件對于低溫施工的重要性。

2.3 速凝劑機(jī)理分析

制備未摻速凝劑的空白樣水泥漿R-0和摻入5%速凝劑的水泥漿R-1，水灰比均為0.4。將兩組水泥漿在5 min，1 h和1 d齡期進(jìn)行取樣并終止水化，進(jìn)行XRD測試，測試結(jié)果如圖3所示。

由XRD測試結(jié)果可以看出，摻入5%速凝劑的水泥漿在5 min齡期已生成大量的鈣礬石晶體，而未摻速凝劑的水泥漿直到1 d齡期才有微弱的鈣礬石衍射峰。另外，R-0的5 min和1 h齡期都有明顯的二水石膏衍射峰，而R-1的水泥漿在5 min時已無二水石膏衍射峰，說明速凝劑優(yōu)先與水泥中的二水石膏反應(yīng)生成大量鈣礬石，促進(jìn)水泥漿凝結(jié)。同時，被消耗的石膏導(dǎo)致C3A水化迅速，也促進(jìn)了水泥漿的凝結(jié)。

3 結(jié) 論

a.自制聚合硫酸鋁速凝劑具有良好的水泥適應(yīng)性，針對不同的普通硅酸鹽水泥，在0.4和0.5水灰比條件下，摻量在4.5%～6.5%時能滿足JC477—2005《噴射混凝土用速凝劑》規(guī)定的一等品要求。

b.自制聚合硫酸鋁速凝劑具有良好的溫度適應(yīng)性，當(dāng)環(huán)境溫度從20 ℃降至-10 ℃時，速凝劑仍可穩(wěn)定保存，摻量僅需從4.5%增加至5.5%，便能使凝結(jié)時間達(dá)到一等品要求。強(qiáng)度方面，低溫施工需要注意保持養(yǎng)護(hù)溫度，以保證噴射混凝土施工質(zhì)量。

c.由XRD測試結(jié)果可以看出，自制聚合硫酸鋁速凝劑優(yōu)先與水泥中的二水石膏反應(yīng)生成大量鈣礬石，促進(jìn)水泥漿凝結(jié)。同時，被消耗的石膏導(dǎo)致C3A水化迅速，也促進(jìn)了水泥漿的凝結(jié)。