楊彰林

（中鐵五局物資公司廣州分公司）

0 引言

速凝劑大致可以分為堿性速凝劑、低堿速凝劑和無堿速凝劑[1]。相對(duì)于傳統(tǒng)的堿性速凝劑，無堿速凝劑因其后期強(qiáng)度大、施工安全、對(duì)人體傷害小和回彈量低等方面有著顯著的優(yōu)勢(shì)，使得其應(yīng)用日益廣泛[2]。因此，開展高性能無堿速凝劑的合成研究及其應(yīng)用指導(dǎo)顯得尤為重要[3]。本實(shí)驗(yàn)選取國(guó)內(nèi)某廠家生產(chǎn)的無堿速凝劑，參照國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[4-7]，從攪拌方式、溫度、水膠比、速凝劑摻量等幾方面，開展無堿速凝劑凝結(jié)性能影響因素的研究，以期在無堿速凝劑應(yīng)用過程中起到指導(dǎo)作用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料及儀器

實(shí)驗(yàn)中所用的主要原料及儀器如表1 所示。

表1 主要試驗(yàn)原料和試劑

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T35159-2017《噴射混凝土用速凝劑》提出的速凝劑試驗(yàn)方法將400g 水泥與計(jì)算用水量(扣除速凝劑中的水) 攪拌均勻，再加入實(shí)驗(yàn)設(shè)定摻量的無堿速凝劑，按實(shí)驗(yàn)設(shè)定方式攪拌一定時(shí)間，立即裝入圓模，人工振搗數(shù)次，削去多余水泥漿，并用潔凈的刀抹平表面。從加入無堿速凝劑開始，操作時(shí)間不應(yīng)超過50s。

2 結(jié)果與討論

2.1 攪拌方式對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB∕T 35159-2017《噴射混凝土用速凝劑》中摻液體速凝劑的水泥凈漿凝結(jié)時(shí)間的試驗(yàn)方法是將水與水泥放入攪拌鍋內(nèi)，低速攪拌15s，然后將液體速凝劑加入水泥凈漿中，低速攪拌5s 后再高速攪拌15s，立即裝入圓模中進(jìn)行凈漿凝結(jié)時(shí)間測(cè)定，速凝劑與水泥凈漿的混合時(shí)間20s；而實(shí)際施工中無堿速凝劑以霧化的方式與噴射混凝土快速混合，時(shí)間較短。無堿速凝劑的檢測(cè)方法與無堿速凝劑在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，存在顯著差異，主要體現(xiàn)在水泥與速凝劑混合時(shí)間的不同。因此本試驗(yàn)研究無堿速凝劑與水泥凈漿混合后，不同攪拌方式對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響，以期指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。試驗(yàn)在20℃、采用尖峰水泥、無堿速凝劑摻量6%、水膠比0.35的條件下進(jìn)行。

從表2、圖1 中可以看出，在10～15s 時(shí)間范圍內(nèi)，攪拌時(shí)間越長(zhǎng)，水泥凈漿的初、終凝時(shí)間變短；在15-35s 范圍內(nèi)，隨著攪拌時(shí)間增加，凈漿的初、終凝時(shí)間變長(zhǎng)，當(dāng)攪拌時(shí)間為15s（慢攪5s 后快攪10s）時(shí)，初終凝時(shí)間均最短。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是因?yàn)楫?dāng)攪拌時(shí)間過短，無堿速凝劑與水泥混合不均勻，接觸面積少，水泥水化慢。當(dāng)攪拌時(shí)間增長(zhǎng)時(shí)，速凝劑提供的Al3+、SO42-在水泥漿體中充分分散，Al3+、SO42-與水泥漿中更多C3A、Ca2+充分接觸，加速了化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，從而迅速生成大量的微細(xì)針狀鈣釩石及中間產(chǎn)物次生石膏。這些新生晶體在水泥顆粒之間交叉生成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)急速促進(jìn)水泥凝結(jié)，從而縮短水泥凈漿凝結(jié)時(shí)間。但當(dāng)攪拌時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)，這些已經(jīng)形成的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)會(huì)被破壞，從而使凈漿凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)。

表2 攪拌方式對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響

圖1 攪拌方式對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響

2.2 溫度對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響

不同地域氣候環(huán)境差異大，同一地域不同季節(jié)氣候條件也存在一定差異性，速凝劑在工程實(shí)際應(yīng)用中必將面對(duì)不同的氣溫條件，無法滿足試驗(yàn)室設(shè)計(jì)的20℃條件下進(jìn)行施工。因此，進(jìn)行溫度對(duì)速凝劑凝結(jié)時(shí)間影響的研究，對(duì)指導(dǎo)速凝劑在工程實(shí)際中的應(yīng)用有著重要意義。試驗(yàn)條件如下：采用尖峰水泥，無堿速凝劑摻量6%，水膠比0.35，先慢攪5s 后快攪10s。

從表3、圖2 中數(shù)據(jù)可以看出，溫度對(duì)無堿速凝劑凝結(jié)時(shí)間存在顯著影響，在一定溫度范圍內(nèi)，速凝劑凝結(jié)時(shí)間隨著溫度的增加而縮短。主要有以下兩方面原因：一方面溫度升高，分子運(yùn)動(dòng)加劇，分子碰撞及鍵合的概率增大，化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行得更快；另一方面，隨著溫度升高，單位體積內(nèi)活化分子數(shù)增多，分子有效碰撞次數(shù)增多，反應(yīng)速率增大。因此，溫度升高顯著加速了Al3+、SO42-與水泥中C3A、Ca2+、OH-、H2O 化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，單位時(shí)間內(nèi)生成鈣礬石及中間產(chǎn)物次生石膏的數(shù)量增多，進(jìn)而縮短了水泥漿體凝結(jié)時(shí)間。

2.3 水膠比對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響

表3 溫度對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響

圖2 溫度對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響

水膠比是指用水量與膠凝材料用量的重量比值，在實(shí)際工程施工中是控制混凝土質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。而現(xiàn)場(chǎng)施工中，砂石料的含水隨時(shí)都在變化，因此，要研究無堿速凝劑對(duì)水泥凝結(jié)時(shí)間的影響，水膠比就是一個(gè)必不可少的研究對(duì)象。本節(jié)研究了不同水膠比條件下的速凝劑凝結(jié)時(shí)間，試驗(yàn)在20℃下、采用尖峰水泥、無堿速凝劑摻量為6%、先慢攪5s 后快攪10s 的條件下進(jìn)行。

不同水膠比條件下，無堿速凝劑對(duì)水泥凈漿的影響結(jié)果如表4、圖3 所示?？梢钥闯觯谙嗤瑹o堿速凝劑摻量下，隨著水膠比的增大，水泥凈漿的初、終凝結(jié)時(shí)間逐漸增加，當(dāng)水膠達(dá)到0.44 時(shí)，水泥凈漿凝結(jié)時(shí)間的增加幅度顯著變大。這是因?yàn)闊o堿速凝劑主要成份是硫酸鋁，其促凝機(jī)理是通過Al3+、SO42-與水泥中C3A、Ca2+、OH-、H2O 迅速發(fā)生反應(yīng)生成鈣礬石，化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

2Al3++3SO42-+6Ca2++12OH-+26H2O=3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

這些大量呈短柱狀、隨機(jī)取向、無序分布于整個(gè)硬化空間的鈣礬石晶體的生成是引起水泥漿體快速凝結(jié)的主要原因。當(dāng)水膠比增大時(shí)，分散在液相中的水泥顆粒間距增大，用來填充水泥顆粒間距使水泥漿失去可塑性的鈣礬石數(shù)量需求也隨之增大，使水泥漿體失去可塑性的時(shí)間也就變長(zhǎng)；且隨著水膠比增大，水泥漿體體系內(nèi)游離水含量增多，水泥水化消耗這些游離水所需的時(shí)間增長(zhǎng)，當(dāng)游離水未消耗完時(shí)，水泥漿體的摩擦阻力較小，漿體失去可塑性的時(shí)間較長(zhǎng)，從而導(dǎo)致凝結(jié)時(shí)間的增加。由上述方程式可以看出，1mol 鈣礬石的形成可以消耗26mol 游離水，當(dāng)水膠比增加至一定值時(shí)，體系內(nèi)Al3+、SO42-濃度不足以快速消耗體系內(nèi)的游離水，從而使無堿速凝劑促凝效果減弱，漿體凝結(jié)時(shí)間的增幅也隨之變大。

表4 水膠比對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響

圖3 水膠比對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響

2.4 無堿速凝劑摻量對(duì)凈漿凝結(jié)時(shí)間的影響

在工程實(shí)際應(yīng)用中，速凝劑的摻量是可以根據(jù)凝結(jié)效果進(jìn)行調(diào)整的，因此，研究無堿速凝劑摻量對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響能夠更好地指導(dǎo)速凝劑在施工現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用，本節(jié)研究了無堿速凝劑摻量對(duì)凝結(jié)時(shí)間影響，實(shí)驗(yàn)條件如下：在20℃下選用尖峰水泥、水膠比為0.35、先慢攪5s后快攪10s。

由表5、圖4 中數(shù)據(jù)看出，凈漿初、終凝時(shí)間都隨著無堿速凝劑摻量的增加而縮短。無堿速凝劑摻量越大，凈漿凝結(jié)時(shí)間越短，這是因?yàn)樵黾铀倌齽┯昧肯喈?dāng)于增加體系中反應(yīng)物濃度，體系中Al3+、SO42-數(shù)量增多，單位時(shí)間內(nèi)生成的鈣礬石及中間產(chǎn)物次生石膏數(shù)量增多，從而加速了速凝劑凝結(jié)硬化，縮短了凈漿凝結(jié)時(shí)間。

3 結(jié)論

⑴當(dāng)攪拌方式采用先慢攪5s 后快攪10s 時(shí)，水泥凈漿初、終凝結(jié)時(shí)間最短。

⑵試驗(yàn)溫度從5℃增加至35℃，水泥凈漿初、終凝時(shí)間逐漸縮短，且環(huán)境溫度低至5℃，水泥凈漿初凝時(shí)間不合格。

表5 速凝劑摻量對(duì)凈漿凝結(jié)時(shí)間的影響

圖4 速凝劑摻量對(duì)凈漿凝結(jié)時(shí)間的影響

⑶隨著水膠比增大，水泥凈漿凝結(jié)時(shí)間變長(zhǎng)。

⑷國(guó)標(biāo)GB/T35159-2017《噴射混凝土用速凝劑》檢測(cè)方法與實(shí)際施工應(yīng)用存在一定差異，具體表現(xiàn)在速凝劑添加后攪拌時(shí)間過長(zhǎng)，以及未考慮溫度等因素對(duì)無堿速凝劑凝結(jié)性能的影響。因此在無堿速凝劑現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過程中，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，合理選用標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的內(nèi)容。