聶章運，歐陽會幼，任俊鵬，王 毓，韓汝森

(1 貴州師范學(xué)院化學(xué)與材料學(xué)院，貴州 貴陽 510018；2 貴州中興南友建材有限公司，貴州 清鎮(zhèn) 551400)

速凝劑是一種能使噴射混泥土迅速凝結(jié)硬化的高性能外加劑，并且在速凝劑制備時摻入一定量的早強(qiáng)劑，使得速凝劑不僅能縮短凝結(jié)時間，還能有效的提高混凝土早期強(qiáng)度。隨著各種大型工程的加速建設(shè)，如海底隧道、搭建橋梁、防水大壩等，這類大型工程的建設(shè)對速凝劑的需求量日益增大[1-3]。但由于新形勢下工程安全、環(huán)保、耐久等相關(guān)指標(biāo)的限制，前期常見的粉體速凝劑和液體低堿速凝劑已經(jīng)無法滿足市場的需求。其中，粉體速凝劑雖然工藝簡單，操作方便，但是水灰比不易控制，回彈量比較高，并且凝結(jié)的混凝土強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)等因素已逐漸被淘汰[4-6]。另外，有堿速凝劑中的堿含量過高，腐蝕性強(qiáng)，不僅會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，還會對施工人員身體帶來危害，并對混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。因此，開發(fā)出無粉塵，混凝土噴射回彈量低，效率高，施工安全的新型無堿速凝劑成為當(dāng)代研究熱點[7-10]。

隨著工程建設(shè)需求，市場上的液體無堿速凝劑良莠不齊、適應(yīng)性較差、還存在容易產(chǎn)生沉淀、成本高、摻量高等問題[6-8]。針對傳統(tǒng)無堿液體速凝劑存在的缺點，本文主要采用聚合硫酸鋁以合成無堿液體速凝劑，具有良好的促凝效果，混凝土噴射回彈損失小，減少后期強(qiáng)度的損失，施工操作簡單、安全，滿足當(dāng)今速凝劑市場的節(jié)能環(huán)保的需求，同時也是未來液體無堿速凝劑發(fā)展的擇優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)[11]。

本文在前期速凝劑研究的基礎(chǔ)上，以聚合硫酸鋁為主要原料，制備了一種以三乙醇胺磷酸酯為添加劑的新型無堿速凝劑，研究其對水泥凝結(jié)時間及水泥膠砂抗壓強(qiáng)度的影響，并探究了速凝劑各組分對水泥綜合性能的影響，分析總結(jié)得到最佳的制備配方，為其規(guī)?；膽?yīng)用提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1 實 驗

1.1 實驗材料

碳酸氫鈉(AR純)，重慶川東化工有限公司；硫酸鎂(AR級)，天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司；三乙醇胺(AR級)，天津市富宇精細(xì)化工有限公司；檸檬酸工業(yè)級(AR級)，濰坊英軒實業(yè)有限公司；磷酸(AR級)，天津市富宇精細(xì)化工有限公司；無鐵硫酸鋁(AR級)，廣漢市聚力化工廠；六水氟硅酸鎂(AR級)，天津市化學(xué)試劑有限公司；P·O42.5基準(zhǔn)水泥(CP純)，山東魯城水泥有限公司。

1.2 聚合硫酸鋁型無堿速凝劑的合成方法

取適量硫酸鋁，加水將其完全溶解后，緩慢加入碳酸氫鈉粉末，升至70 ℃恒溫，待碳酸氫鈉溶解后加入檸檬酸，反應(yīng)2 h后放置熟化3～4天得到聚合硫酸鋁。取另一反應(yīng)裝置，加入適量三乙醇胺和磷酸，攪拌均勻后，加入濃硫酸，加熱至80 ℃恒溫，開啟冷凝回流裝置，反應(yīng)8～10 h得到三乙醇胺磷酸酯。

取一定量硫酸鋁和氟硅酸鎂，加入制得聚合硫酸鋁，升至70～73 ℃恒溫水浴，攪拌，使其充分溶解后，加入三乙醇胺和三乙醇胺磷酸酯，反應(yīng)50 min后，加入硫酸鎂和磷酸攪拌反應(yīng)1 h，冷卻至室溫，即可得到液體無堿速凝劑。

1.3 性能測試

采用NJ160A型水泥凈漿攪拌器制備水泥凈漿樣品；采用水泥稠度凝結(jié)時間測定儀測定材料的初、終凝時間；采用 ISO-679 型水泥膠砂攪拌器及ZS-15型水泥膠砂振動臺制備尺寸為40 mm×40 mm×160 mm膠砂樣品，并至于HBY-40B水泥恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)處理；利用NYL-300壓力實驗機(jī)對材料的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測定。利用XRS-M504電子表對實驗時間進(jìn)行控制記錄。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚合硫酸鋁對水泥凝結(jié)時間的影響

圖1所示為聚合硫酸鋁含量對水泥凝結(jié)時間的影響。由圖1可知，隨著聚合硫酸鋁用量的增加，初終凝時間逐漸降低，當(dāng)摻量為70%時，最佳初凝時間為172 s，最佳終凝時間為353 s。聚合硫酸鋁對水泥的促凝效果有提升主要是因為聚合硫酸鋁與硫酸鋁一樣能大大提高Al3+含量，而Al3+對水泥水化有較好的促凝作用，含量增多，促凝效果自然更好，但隨著聚合硫酸鋁含量在70%以后，凝結(jié)時間反而緩慢增加。因此，聚合硫酸鋁摻量最佳為70%，水泥凝結(jié)時間最短。

圖1 聚合硫酸鋁含量對水泥凝結(jié)時間的影響

2.2 硫酸鋁對水泥凝結(jié)時間的影響

圖2所示為硫酸鋁對水泥凝結(jié)時間的影響圖，隨著硫酸鋁含量的增加Al3+的濃度增大逐漸增大，含量在4%～6%期間時，初終凝時間一直在逐漸減小，但當(dāng)含量大于6%以后，凝結(jié)時間變化不再明顯，這是因為硫酸鋁的含量增加，Al3+含量增大，促進(jìn)水泥凝結(jié)；但硫酸鋁的溶解度較小，液態(tài)溶液不穩(wěn)定，并且該速凝劑主要是以聚合硫酸鋁做原料，少量摻入硫酸鋁即可影響初終凝時間，因此硫酸鋁加入過多，導(dǎo)致的速凝劑凝固。故硫酸鋁用量在6%時速凝效果最佳，此時初凝時間為172 s，終凝時間為353 s。

圖2 硫酸鋁含量對水泥凝結(jié)時間的影響

2.3 三乙醇胺對水泥凝結(jié)時間的影響

圖3為三乙醇胺對水泥凝結(jié)時間的影響。如圖3所示，隨著三乙醇胺用量的增加，其含量為6%～8%時，初終凝時間變化不明顯，當(dāng)含量增加到9%時初終凝時間均達(dá)到最短，但含量超過9%后初終凝時間先是增大后趨于平緩。因此，三乙醇胺摻量為9%時效果最佳，此時初凝時間為185 s，終凝時間為348 s。這主要由于摻有三乙醇胺的速凝劑用于混凝土后，三乙醇胺中大量氮原子有助于Al3+在水泥水化過程中形成大量可溶絡(luò)合物，在早期使之生成較多的水化產(chǎn)物，部分游離子結(jié)合為結(jié)晶水，減少凝結(jié)時間。

圖3 三乙醇胺含量對水泥凝結(jié)時間的影響

2.4 硫酸鎂對水泥凝結(jié)時間的影響

硫酸鎂中的鎂離子在水泥水化成堿性環(huán)境中能生成氫氧化鎂晶體，在三維空間上起到骨架搭橋的作用，促進(jìn)水泥漿體的凝結(jié)硬化，從而提高混凝土早期強(qiáng)度，保證后期抗壓強(qiáng)度此。由圖4所示，隨著硫酸鎂用量加大，含量為4%～6%時，凝結(jié)時間逐漸降低，當(dāng)含量占比為7%時凝結(jié)時間達(dá)到最短，速凝結(jié)效果最佳；但含量超過7%時，凝結(jié)時間又開始上升，含量超過8%以后凝結(jié)時間逐漸趨于平穩(wěn)。所以硫酸鎂含量在7%時速凝劑效果最好，此時初凝時間為181 s，終凝時間為360 s。

圖4 硫酸鎂用量對水泥凝結(jié)時間的影響

2.5 三乙醇胺磷酸酯摻量對水泥凝結(jié)時間的影響

圖5所示為三乙醇胺磷酸酯對水泥凝結(jié)時間的影響圖，隨著三乙醇胺磷酸酯用量加大，初終凝時間均緩慢減短，但當(dāng)其含量占比大于4%時，初終凝時間開始先增大后趨于平緩。由于三乙醇胺磷酸酯含量的增加，三乙醇胺成分也逐漸增加，加快促進(jìn)水泥凝結(jié)時間，提高早期強(qiáng)度，并且其中含有的磷酸可起到穩(wěn)定劑的作用，所以三乙醇胺磷酸酯最佳含量為4%，此時水泥的初凝時間為194 s，終凝時間為434 s。

圖5 三乙醇胺磷酸酯摻量對水泥凝結(jié)時間的影響

3 結(jié) 論

本實驗以聚合硫酸鋁為主要原料，加入硫酸鋁，有機(jī)醇胺，硫酸鎂，三乙醇胺磷酸酯，氟硅酸鎂，無機(jī)酸等制備了聚合硫酸鋁型無堿速凝劑，并且用控制變量法探討了速凝劑中不同成分對其性能的影響。得到以下結(jié)論：

(1)制備聚合硫酸鋁所用材料硫酸鋁、水、碳酸氫鈉、檸檬酸所占質(zhì)量百分比分別為50.74%、35.82%、10.44%、3.00%，以此比例在75 ℃下反應(yīng)2 h即可得所述聚合硫酸鋁樣品，穩(wěn)定時間可達(dá)25 d以上。

(2)該新型液體無堿速凝劑合成方法簡單易操作，無堿速凝劑減少了速凝劑使用過程中存在的環(huán)境問題，經(jīng)研究表明，此速凝劑最終確定較優(yōu)的合成工藝為聚合硫酸鋁、硫酸鋁、硫酸鎂、三乙醇胺、氟硅酸鎂、三乙醇胺磷酸酯、磷酸所占質(zhì)量百分比分別為70%、6%、7%、9%、2%、4%、2%。