（廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院，福建 龍海 363105）

0 引言

快速施工技術(shù)由于經(jīng)濟(jì)價(jià)值一直是建筑行業(yè)的重點(diǎn)關(guān)注。因此，早期強(qiáng)度快速發(fā)展在許多應(yīng)用中非常重要，例如模板的快速移除、3D 打印、預(yù)應(yīng)力混凝土、滑模和寒冷天氣混凝土澆筑。這類混凝土通常是通過(guò)使用凝固促進(jìn)劑或硬化促進(jìn)劑來(lái)制備的，

同時(shí)速凝劑也被用于地下結(jié)構(gòu)。它能加速噴射混凝土，減少回彈損失，增加早期噴射混凝土強(qiáng)度，防止噴射混凝土因重力，縮短炮點(diǎn)層之間的間隔時(shí)間，從而提高施工安全性。大規(guī)模的隧道、礦山、鐵路、堵漏等工程的建設(shè)，對(duì)速凝劑的需求也在不斷增加。液體速凝劑的發(fā)展解決了粉塵大的問(wèn)題傳統(tǒng)粉末速凝劑的大反彈，以及提高了噴射混凝土的施工質(zhì)量。

1 速凝劑對(duì)混凝土性能影響

噴射混凝土中使用的主要液體促進(jìn)劑是富堿的無(wú)堿。富堿液體促進(jìn)劑由堿金屬氫氧化物、堿金屬鋁酸鹽或硅酸鹽。它們主要將大量的Na+和OH 引入水泥。OH 離子與Ca2+，SO4反應(yīng)液體中的Al3+水泥漿體，大大促進(jìn)了早期鈣礬石或硫鋁酸鹽，從而達(dá)到快速硬化和早期強(qiáng)度的目的。富堿液速凝劑具有低成本、高早期的優(yōu)點(diǎn)但它們含有大量堿性物質(zhì)，容易造成后期力量嚴(yán)重喪失，誘發(fā)堿骨料反應(yīng)，降低混凝土耐久性，對(duì)人體有很強(qiáng)的腐蝕性。為了緩解這些問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了無(wú)堿液體促進(jìn)劑并應(yīng)用于噴射混凝土施工。根據(jù)使用速凝劑可以定義為“無(wú)堿”當(dāng)其當(dāng)量堿含量小于1%。

巖土工程中噴射混凝土部分速凝劑使含鋁相的水化速度非?？?，硬化后的混凝土結(jié)構(gòu)疏松導(dǎo)致不利于水泥基材料的后期力學(xué)性能和耐久性，根據(jù)其反應(yīng)機(jī)理，可分為3 種類型：1)快速生成大量量水化鋁酸鈣，2）快速生成大量鈣礬石，3）形成鋁酸鈣和鈣礬石。這種類型的速凝劑僅用于非結(jié)構(gòu)混凝土構(gòu)件。

Mengdie Niu[1]等制備了基于硫酸鋁的無(wú)堿液體促進(jìn)劑(F-AS-AF 促進(jìn)劑),研究了其對(duì)水泥、C3A 和C3S 的凝結(jié)時(shí)間和抗壓強(qiáng)度的影響。通過(guò)XRD 和TG對(duì)促進(jìn)劑的機(jī)理進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，F(xiàn)-AS-AF 促進(jìn)劑縮短了水泥的凝結(jié)時(shí)間，提高了水泥的早期和后期抗壓強(qiáng)度。加入F-AS-AF 促進(jìn)劑后，Al3+與C3A 中的Ca2+和SO42-反應(yīng)，迅速形成蝕刻石，Ca2+的消耗進(jìn)一步促進(jìn)了C3S的溶解和水化。

為研究物理硫酸鹽侵蝕（PSA）對(duì)含促進(jìn)劑混凝土力學(xué)性能的影響，進(jìn)行了三軸試驗(yàn)[2]。在嚴(yán)格遵守中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，采用現(xiàn)場(chǎng)材料制備混凝土樣品。共測(cè)試了94 個(gè)速凝劑混凝土圓柱體樣品（ф50 mm×100 mm）。根據(jù)硫酸鹽溶液的濃度和浸泡時(shí)間將試樣分成四組。三軸試驗(yàn)結(jié)果表明，低濃度硫酸鹽下的試樣在失效模型、應(yīng)力應(yīng)變曲線和強(qiáng)度性能上表現(xiàn)出化學(xué)硫酸鹽侵蝕的特征，而高濃度硫酸鹽下的試樣則產(chǎn)生獨(dú)特的物理硫酸鹽侵蝕特征。與化學(xué)硫酸鹽侵蝕相比，PSA 下的樣品顯示出不同的機(jī)械性能，特別是在靜態(tài)彈性模量和抗壓強(qiáng)度方面。PSA 導(dǎo)致加速混凝土樣品的靜態(tài)彈性模量呈比例下降趨勢(shì)。這種趨勢(shì)可以用體積應(yīng)變模型的裂縫破壞應(yīng)力閾值來(lái)解釋。用Mohr-Coulomb 失效準(zhǔn)則來(lái)標(biāo)定加速混凝土試樣在不同濃度的硫酸鹽溶液下的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果。Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則中的內(nèi)聚力與暴露的D 數(shù)和Na2SO4溶液的濃度表現(xiàn)出一定的關(guān)系。

硬化水泥基材料的快速結(jié)構(gòu)堆積和強(qiáng)度發(fā)展在很多場(chǎng)景下總是被寄予厚望，在這些場(chǎng)景下經(jīng)常使用促進(jìn)劑[3]。Qiang Yuan[3]等通過(guò)研究使用不同促進(jìn)劑的水泥澆注料的水化、結(jié)構(gòu)堆積和強(qiáng)度發(fā)展。用靜態(tài)屈服應(yīng)力的增長(zhǎng)來(lái)表征1%納米二氧化硅的新鮮水泥漿的結(jié)構(gòu)堆積。同時(shí)測(cè)定了漿料的熱工曲線、Zeta 電位和電導(dǎo)率以及砂漿的強(qiáng)度發(fā)展。結(jié)果表明，促進(jìn)劑在不同階段和不同機(jī)制下促進(jìn)C3S 或C3A 的反應(yīng)。以彈性模量的增長(zhǎng)或屈服應(yīng)力超過(guò)累積水化熱來(lái)確定C-S-H 的力學(xué)效率，可能會(huì)對(duì)C-S-H 的效率給出錯(cuò)誤的排序。除了C-S-H 凝膠的形成外，結(jié)構(gòu)上的堆積可能來(lái)自于其他來(lái)源。

為了確定外加劑和速凝劑的最佳組合,以提高10°C 養(yǎng)護(hù)時(shí)混凝土的水平形去除強(qiáng)度(5MPa )考慮到單位水泥用量,使用單一和混合的化學(xué)外加劑和速凝劑;測(cè)定了坍落度、空氣含量和抗壓強(qiáng)度。摻合料和促進(jìn)劑對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響如下:Ad

圖1 不同鈣含量C3S 的等溫傳導(dǎo)量熱曲線[4]

圖2 養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響[4]

堿性的速凝劑雖高效但是對(duì)于混凝土的堿化作用并不是促進(jìn)作用，與堿性速凝劑相比，無(wú)堿速凝劑具有一定的生態(tài)優(yōu)勢(shì)，但也存在額外的成本。Qi Xu等[5]設(shè)計(jì)了一個(gè)水化模型的形式對(duì)無(wú)堿速凝劑在硅酸鹽水泥中的化學(xué)作用機(jī)理進(jìn)行了研究。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，與堿性的速凝劑相比，無(wú)堿的速凝劑在使用過(guò)程中開(kāi)始階段對(duì)水化反應(yīng)的促進(jìn)小，水化反應(yīng)發(fā)生慢，后期速度加快，強(qiáng)度也逐漸增加。De Belie 等[6]研究了超聲測(cè)量對(duì)噴射混凝土凝固和硬化監(jiān)測(cè)的好處。評(píng)估了速凝劑類型(堿性鋁酸鹽或無(wú)堿)和用量的敏感性，以及速凝劑與水泥的相容性。在脈沖速度開(kāi)始大幅增加之前沒(méi)有發(fā)現(xiàn)休眠期，表明固相連通性發(fā)生了快速變化。堿性速凝劑的效果優(yōu)于無(wú)堿速凝劑，特別是在90分鐘以下。只有堿性速凝劑造成了抗壓強(qiáng)度的顯著降低。Yanliang Ji 等[7]在研究中將速凝劑(CPCA)加入混凝土中同時(shí)制作另外一組未加的混凝土空白樣對(duì)比凝結(jié)性能和機(jī)械強(qiáng)度通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，前期混凝土的強(qiáng)度增加非?？欤磻?yīng)速度遠(yuǎn)高于未加速凝劑的混凝土，但后期強(qiáng)度則有所降低。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，添加堿性促進(jìn)劑的水泥漿體中氫氧化鈣可以很好地填充混凝土內(nèi)部的空腔。這使得含堿的混凝土速凝劑在同等情況下有較好的促進(jìn)混凝土水化的效果，在噴射混凝土中也得到了很好的運(yùn)用。

Ahmed M.等[8]的研究開(kāi)創(chuàng)了自加速混凝土的概念。研究了在不同溫度下，摻加部分水化膠凝材料(預(yù)制膠凝材料和回收/未使用混凝土膠凝材料)對(duì)反應(yīng)性粉末混凝土凝結(jié)硬化過(guò)程的影響。部分水化膠凝材料(PHCMs)的添加速率為質(zhì)量比的的25、33 和50%。同時(shí)還與加入含有氯基速凝劑(CAs)和不氯基速凝劑(NCAs)的混凝土也進(jìn)行了測(cè)試以進(jìn)行比較。結(jié)果表明，添加的PHCMs起到了凝結(jié)硬化的促進(jìn)作用。摻有PHCMs 的混合物的早期抗壓強(qiáng)度與對(duì)照混合物和摻有加速劑的混合物相當(dāng)或更高。微觀結(jié)構(gòu)分析表明，PHCMs 的加入通過(guò)減少預(yù)誘導(dǎo)期在未水合硅酸三鈣周圍形成的保護(hù)層，增強(qiáng)了水合硅酸鈣的成核和再生過(guò)程。因此，使用PHCMs 為不需要加速外加劑的自加速混凝土鋪平了道路，為預(yù)制和現(xiàn)澆混凝土提供了一種安全經(jīng)濟(jì)的方法。

3 結(jié)論

現(xiàn)代混凝土中經(jīng)常使用許多輔助膠凝材料，導(dǎo)致早期強(qiáng)度較低。但是這樣帶來(lái)的結(jié)果是拆模明顯滯后，增加了成本，降低了施工效率。通過(guò)添加各種類型的速凝劑，早期強(qiáng)度可以得到提高，而不會(huì)損害其后期強(qiáng)度和耐久性。因此，這種類型的速凝劑在現(xiàn)代混凝土施工中得到了廣泛的應(yīng)用。在為了獲得理想的早期強(qiáng)度發(fā)展，開(kāi)發(fā)了多種促進(jìn)劑和復(fù)合促進(jìn)劑。這使得我們的快速施工技術(shù)得以進(jìn)一步發(fā)展。