液態(tài)無堿速凝劑性能檢測方法探討

郭文康，王述銀，肖開濤

(1.長江水利委員會長江科學(xué)院，湖北武漢 430010;2.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，湖北武漢 430010;3.水利部水工程安全與病害防治技術(shù)研究中心，湖北武漢 430010)

液態(tài)無堿速凝劑性能檢測方法探討

郭文康1，2，3，王述銀1，2，3，肖開濤1，2，3

(1.長江水利委員會長江科學(xué)院，湖北武漢 430010;2.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，湖北武漢 430010;3.水利部水工程安全與病害防治技術(shù)研究中心，湖北武漢 430010)

為了探討適合液態(tài)無堿速凝劑性能的檢測方法，分別采用JC 477—2005(我國建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn))和TGPS·T 31—2005(參考?xì)W洲標(biāo)準(zhǔn)制定的三峽集團(tuán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn))進(jìn)行混凝土速凝劑性能檢測試驗(yàn)，從速凝劑凝結(jié)時間、水泥膠砂抗壓強(qiáng)度和水泥膠砂抗壓強(qiáng)度比等幾方面比較分析采用兩種標(biāo)準(zhǔn)檢測的液態(tài)無堿速凝劑的性能差異。結(jié)果表明:將JC 477—2005中速凝劑摻量提高2%左右，用兩種標(biāo)準(zhǔn)檢測的速凝劑凝結(jié)時間相差不大;TGPS·T 31—2005中增加的速凝劑水泥膠砂90 d抗壓強(qiáng)度比的檢測更能客觀反應(yīng)液態(tài)無堿速凝劑水泥膠砂的后期強(qiáng)度增長性能;液態(tài)無堿速凝劑水泥膠砂的抗壓強(qiáng)度與齡期呈對數(shù)增長關(guān)系。

無堿速凝劑;減水劑;凝結(jié)時間;抗壓強(qiáng)度比;檢測方法

迄今為止，混凝土速凝劑的發(fā)展主要經(jīng)歷了堿性粉狀、液態(tài)低堿和液態(tài)無堿幾個發(fā)展階段［1］。大量的研究證明［2-4］，液態(tài)無堿速凝劑能夠克服傳統(tǒng)堿性速凝劑的諸多缺陷，如后期強(qiáng)度損失小、施工安全、揚(yáng)塵和回彈量低等。但液態(tài)無堿速凝劑在性能上與傳統(tǒng)速凝劑有著明顯的區(qū)別，傳統(tǒng)速凝劑檢測標(biāo)準(zhǔn)已無法滿足新型混凝土速凝劑性能檢測的需要，檢測結(jié)果通常難以客觀反映新型混凝土速凝劑的真實(shí)性能，因此需要研究專門的性能檢測方法和標(biāo)準(zhǔn)。歐洲已經(jīng)出臺了 EN 934-5《Admixtures for sprayed concrete》和 BSEN 196-1《Methods of testing cement》等相關(guān)混凝土速凝劑性能檢測標(biāo)準(zhǔn)，但我國至今仍未出臺針對新型混凝土速凝劑的性能檢測標(biāo)準(zhǔn)，為了便于更好地了解新型混凝土速凝劑的性能特點(diǎn)，指導(dǎo)工程實(shí)際應(yīng)用，選擇國內(nèi)外多個廠家生產(chǎn)的具有代表性的液態(tài)無堿混凝土速凝劑品種，分別采用我國建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC 477—2005《噴射混凝土用速凝劑》(以下簡稱我國建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn))和參考?xì)W洲標(biāo)準(zhǔn)制定的中國長江三峽集團(tuán)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TGPS·T31—2005《地下電站工程噴錨支護(hù)原材料技術(shù)要求與檢驗(yàn)》(以下簡稱三峽集團(tuán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn))進(jìn)行液態(tài)無堿速凝劑性能檢測試驗(yàn)，比較分析兩種檢測方法的優(yōu)點(diǎn)和不足，探討適合液態(tài)無堿速凝劑的性能檢測方法。

1 試驗(yàn)方法與原材料

1.1 國內(nèi)外檢測標(biāo)準(zhǔn)比較

我國建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與無堿速凝劑歐洲檢測標(biāo)準(zhǔn)BSEN 96-1《Methods of testing cement》存在很大的差異，主要有以下幾個方面:

a.歐洲檢測標(biāo)準(zhǔn)在混凝土速凝劑凝結(jié)時間試驗(yàn)和水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)中均摻了減水劑。

b.速凝劑凝結(jié)時間試驗(yàn)。歐洲檢測標(biāo)準(zhǔn)的水灰比控制在0.26～0.35之間，而我國建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推薦的水灰比為0.5。在速凝劑凝結(jié)時間試驗(yàn)的檢測方法上也有所不同:我國建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)采用人工拌和且加入速凝劑后拌和時間控制在25～30 s，而歐洲檢測標(biāo)準(zhǔn)為水泥凈漿攪拌機(jī)拌和，加入速凝劑后攪拌時間為不大于15 s。速凝劑凝結(jié)時間判別標(biāo)準(zhǔn)不同:歐洲檢測標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定從加水時起，至試針沉入水泥凈漿中距底板1～2 mm所需時間為初凝時間，至試針不能沉入水泥凈漿中所需時間為終凝時間。

c.水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)。歐洲檢測標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定用水量根據(jù)加減水劑時水泥砂漿流動度確定，而我國建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)采用固定用水量。在試驗(yàn)方法上，我國建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定加入速凝劑后人工迅速攪拌40～50 s，而歐洲檢測標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定加入速凝劑后水泥膠砂攪拌機(jī)快速拌和不超過15 s。

1.2 試驗(yàn)方法

選用我國建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和三峽集團(tuán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行性能對比試驗(yàn)。三峽集團(tuán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在我國建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上檢測方法有較大幅度的修改，主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

b.速凝劑凝結(jié)時間試驗(yàn)方法不同。在我國建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，參考?xì)W洲標(biāo)準(zhǔn)，增摻減水劑，采用水泥凈漿攪拌機(jī)拌和，拌和時間與歐洲檢測標(biāo)準(zhǔn)相同。根據(jù)所用減水劑的種類和性能適當(dāng)摻加減水劑，同時將試驗(yàn)用水量由160 mL降低至140 mL。速凝劑凝結(jié)時間的判斷方法與歐洲檢測標(biāo)準(zhǔn)相同。

c.水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)方法不同。在我國建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，增摻減水劑，采用水泥膠砂攪拌機(jī)拌和，拌和時間與歐洲檢測標(biāo)準(zhǔn)相同，并將灰砂比提高至1∶2，具體參數(shù)如下:水泥675g，標(biāo)準(zhǔn)砂1350g，拌和水338g(扣除速凝劑中含水)，減水劑按照選定摻量摻加。增加90d砂漿抗壓強(qiáng)度檢測。

d.技術(shù)參數(shù)不同。技術(shù)參數(shù)與我國建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的有較大的區(qū)別，去掉了一等品和合格品的劃分，性能要求也有所提高。主要檢測項(xiàng)目以及技術(shù)指標(biāo)列于表1。

表1 液態(tài)無堿速凝劑品質(zhì)檢測項(xiàng)目與技術(shù)指標(biāo)

1.3 試驗(yàn)原材料

采用華新(東川)水泥股份有限公司生產(chǎn)的42.5普通硅酸鹽水泥、ISO標(biāo)準(zhǔn)砂和巴斯夫化學(xué)建材(中國)有限公司生產(chǎn)的 GleniumSP-8CN(標(biāo)準(zhǔn)型)聚羧酸高性能減水劑，經(jīng)品質(zhì)檢驗(yàn)滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)要求。為了驗(yàn)證采用不同檢測標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)的液態(tài)無堿速凝劑的性能差異，選用國內(nèi)外具有代表性的速凝劑廠家生產(chǎn)的5種液態(tài)無堿速凝劑進(jìn)行試驗(yàn)，其中SNJ-1和SNJ-2均為淺黃色液體;SNJ-3和SNJ-5為深黃色液體;SNJ-4為灰色液體。

2 液態(tài)無堿速凝劑作用機(jī)理

閭文等［3-7］國內(nèi)外專家學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)液態(tài)無堿速凝劑主要是靠水泥漿在水化早期生成大量的AlO-2和SO24-，通過化學(xué)反應(yīng)迅速在整個水泥漿體中析出大量短柱狀的鈣礬石，新生成的鈣礬石晶體相互交錯形成緊密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而使水泥速凝。此次試驗(yàn)選用的5種液態(tài)無堿速凝劑雖然生產(chǎn)廠家不同，且原材料合成方法也有一定的差異，但其作用機(jī)理基本相同。

采用三峽集團(tuán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)檢測的性能結(jié)果列于表2，采用我國建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)檢測的性能結(jié)果列于表3。

表2 采用三峽集團(tuán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)液態(tài)無堿速凝劑試驗(yàn)結(jié)果

表3 采用我國建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)液態(tài)無堿速凝劑試驗(yàn)結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 速凝劑凝結(jié)時間

從表2和表3試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在相同速凝劑摻量(水泥用量的8%)下，采用兩種不同檢測標(biāo)準(zhǔn)檢測的液態(tài)無堿速凝劑的凝結(jié)時間有很大的差別。采用三峽集團(tuán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)檢測的5種速凝劑初凝時間在138～210 s之間，終凝時間在225～619 s之間;采用我國建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)檢測的3種速凝劑的初凝時間在296～622s之間，終凝時間在1124～1703s之間。由此可見，相同速凝劑摻量下采用三峽集團(tuán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)檢測的液態(tài)無堿速凝劑在凝結(jié)時間上有著良好的性能結(jié)果，相反采用我國建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)檢測的速凝劑凝結(jié)時間除樣品編號為SNJ-2的初凝時間能基本合格外，其余樣品的初凝和終凝時間均不合格。導(dǎo)致出現(xiàn)上述結(jié)果的原因主要有兩個:第一，速凝劑的凝結(jié)時間與用水量有很大的關(guān)系，三峽集團(tuán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)檢測凝結(jié)時間時摻加了高性能減水劑，從而將用水量由160 mL降低至140 mL，有利于縮短速凝劑凝結(jié)時間;第二，兩種標(biāo)準(zhǔn)對速凝劑凝結(jié)時間的判斷有所不同，三峽集團(tuán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的判斷依據(jù)為:從加水時起，至試針沉入水泥凈漿中距底板1～2 mm所需時間為初凝時間，至試針沉入水泥凈漿中不超過1 mm時所需時間為終凝時間;我國建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的判斷依據(jù)為:從加速凝劑起至試針沉入凈漿中距地板(4±1)mm時達(dá)到初凝，當(dāng)試針沉入漿體中小于0.5 mm時達(dá)到終凝。

為了比較兩種檢測標(biāo)準(zhǔn)對速凝劑凝結(jié)時間的影響程度，將采用我國建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)檢測的速凝劑的摻量提高至10%。從表3可知，摻入10%液態(tài)無堿速凝劑后初凝時間在149～280 s之間，終凝時間在264～603 s之間。分別選取采用不同檢測標(biāo)準(zhǔn)的5組數(shù)據(jù)計算速凝劑凝結(jié)時間平均值，采用我國建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)檢測的初凝和終凝時間平均值分別為191～391s;采用三峽集團(tuán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)檢測的初凝和終凝時間平均值分別為160 s和447 s。由此可知，將我國建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的速凝劑摻量提高2%左右，兩種檢測標(biāo)準(zhǔn)檢測的速凝劑凝結(jié)時間相差不大。

3.2 水泥膠砂抗壓強(qiáng)度

由表2和表3可知，采用三峽集團(tuán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)檢測的液態(tài)無堿速凝劑水泥膠砂1 d抗壓強(qiáng)度為9.5～13.2 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為39.0 ～44.3 MPa，90 d 抗壓強(qiáng)度為47.5～54.9 MPa;采用我國建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)檢測的液態(tài)無堿速凝劑水泥膠砂1 d抗壓強(qiáng)度為11.0～14.0 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為39.0～46.0 MPa。計算各齡期水泥膠砂強(qiáng)度平均值得，前者1 d、28 d和90 d抗壓強(qiáng)度平均值分別為11.2 MPa、42.0 MPa和49.7 MPa，后者1 d和28 d抗壓強(qiáng)度平均值分別為12.6MPa和43.3MPa。由試驗(yàn)結(jié)果可知，我國建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)檢測的液態(tài)無堿速凝劑水泥膠砂的1 d和28 d抗壓強(qiáng)度及其平均值均稍大于三峽集團(tuán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的檢測結(jié)果，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是:第一，在試驗(yàn)水灰比相同的情況下，我國建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的灰砂比為1∶1.5，三峽集團(tuán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的灰砂比為1∶1.2，后者灰砂比大于前者，直接導(dǎo)致后者在相同的標(biāo)準(zhǔn)砂用量的情況下，水泥用量低于前者，導(dǎo)致強(qiáng)度降低;第二，由于液態(tài)無堿速凝劑多數(shù)是無機(jī)有機(jī)復(fù)合型材料，速凝劑在10%之內(nèi)時相對增加對水泥和混凝土抗壓強(qiáng)度增長有利，后者在速凝劑的摻量上大于前者2%，因此也有助于提高水泥膠砂強(qiáng)度。

三峽集團(tuán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中增加了速凝劑水泥膠砂90 d抗壓強(qiáng)度的檢測，從試驗(yàn)結(jié)果可知，摻液態(tài)無堿速凝劑的水泥膠砂后期強(qiáng)度仍有較大幅度的增長，選擇各齡期抗壓強(qiáng)度平均值計算各齡期強(qiáng)度增長率，液態(tài)無堿速凝劑水泥膠砂1d和90 d抗壓強(qiáng)度增長率分別為27%和118%。液態(tài)無堿速凝劑水泥膠砂90d抗壓強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)水泥膠砂28d抗壓強(qiáng)度，前者為后者的1.18倍。雖然我國建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)無90 d抗壓強(qiáng)度檢測指標(biāo)，但有理由相信采用該標(biāo)準(zhǔn)檢測的液態(tài)無堿速凝劑水泥膠砂后期強(qiáng)度仍會有所增長。

綜上可知，在提高液態(tài)無堿速凝劑摻量的情況下，我國建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)檢測的液態(tài)無堿速凝劑水泥膠砂各齡期抗壓強(qiáng)度偏高，難以真實(shí)反應(yīng)摻液態(tài)無堿速凝劑水泥和混凝土的強(qiáng)度。

選取采用三峽集團(tuán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)的5組試樣各齡期的水泥膠砂抗壓強(qiáng)度平均值，分析液態(tài)無堿速凝劑水泥膠砂抗壓強(qiáng)度的增長規(guī)律，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，液態(tài)無堿速凝劑水泥膠砂的抗壓強(qiáng)度與齡期呈對數(shù)增長關(guān)系。

圖1 液態(tài)無堿速凝劑水泥膠砂強(qiáng)度與齡期的關(guān)系

3.3 水泥膠砂抗壓強(qiáng)度比

由表2和表3試驗(yàn)結(jié)果可知，三峽集團(tuán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)檢測的液態(tài)無堿速凝劑水泥膠砂28d抗壓強(qiáng)度比為0.89～1.01，平均值為0.96;我國建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)檢測的液態(tài)無堿速凝劑摻量為10%的水泥膠砂28d抗壓強(qiáng)度比為0.89～1.05，平均值為0.99。由此可知，兩種檢測標(biāo)準(zhǔn)檢測的液態(tài)無堿速凝劑水泥膠砂28d抗壓強(qiáng)度比相差不大，后者稍大于前者。此外，參考三峽集團(tuán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還檢測了液態(tài)無堿速凝劑水泥膠砂90d抗壓強(qiáng)度比(C90/C028)，其值為1.09 ～1.26，平均值為1.14。液態(tài)無堿速凝劑水泥膠砂后期抗壓強(qiáng)度比仍有較大的增長，90 d抗壓強(qiáng)度比最高達(dá)1.26，進(jìn)一步說明液態(tài)無堿速凝劑有利于水泥和混凝土后期抗壓強(qiáng)度的增長。因此在我國建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上增加90d抗壓強(qiáng)度比更能真實(shí)地反應(yīng)液態(tài)無堿速凝劑水泥膠砂的后期強(qiáng)度增長性能，有利于工程實(shí)際應(yīng)用過程中合理選用物理力學(xué)性能優(yōu)良且耐久性良好的液態(tài)無堿速凝劑。

4 結(jié)論

a.兩種標(biāo)準(zhǔn)檢測的液態(tài)無堿速凝劑的凝結(jié)時間有較大的差異，若采用我國建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)檢測，需將速凝劑摻量提高2%左右，其凝結(jié)時間才能達(dá)到三峽集團(tuán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)?shù)男ЧＳ捎跍p水劑的品種和用量不盡相同，建議將三峽集團(tuán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的凝結(jié)時間試驗(yàn)用水量“140 mL(扣除速凝劑中含水)”改為“130～150 mL(扣除速凝劑中含水)”，根據(jù)減水劑品種及減水率合理調(diào)整用水量。

b.受灰砂比和速凝劑摻量的影響，采用我國建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)的液態(tài)無堿速凝劑水泥膠砂1d和28d抗壓強(qiáng)度均稍大于選用三峽集團(tuán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)的抗壓強(qiáng)度。三峽集團(tuán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在試驗(yàn)過程中增摻減水劑，其90 d抗壓強(qiáng)度更符合現(xiàn)代噴射混凝土的發(fā)展需要，各齡期抗壓強(qiáng)度更能反應(yīng)液態(tài)無堿速凝劑的真實(shí)性能。液態(tài)無堿速凝劑水泥膠砂的抗壓強(qiáng)度與齡期呈對數(shù)增長關(guān)系。

c.兩種標(biāo)準(zhǔn)檢測的液態(tài)無堿速凝劑水泥膠砂28d抗壓強(qiáng)度比相差不大。在我國建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，三峽集團(tuán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)增加的速凝劑水泥膠砂90 d抗壓強(qiáng)度比的檢測更能客觀反應(yīng)液態(tài)無堿速凝劑水泥膠砂的后期強(qiáng)度增長性能，有利于工程實(shí)際應(yīng)用過程中合理選用物理力學(xué)性能優(yōu)良且耐久性良好的新型速凝劑。

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Performance testing methods of alkali-free liquid concrete accelerators

GUO Wenkang1，2，3，WANG Shuyin1，2，3，XIAO Kaitao1，2，3(1.Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan430010，China;2.National Research Center for Dam Safety Technology，Wuhan430010，China;3.Research Center of Water Engineering Safety and Disaster Prevention of Ministry of Water Resources，Wuhan430010，China)

In order to study performance testing methods suitable for alkali-free liquid concrete accelerators，performance testing tests of concrete accelerators were carried out with JC 477—2005(building materials standards of China)and TGPS·T 31—2005(Three Gorges group standards making reference to the European standards).The performance data of alkali-free liquid concrete accelerators obtained from the two testing standards were compared from the setting times of accelerators and compressive strength ratio of cement mortar，etc.The results show that setting times obtained by the two performance testing standards are a little different when the proportion of the JC 477—2005’s accelerator is increased by about 2%.The late strength growth performance of cement mortar with alkali-free liquid accelerators can be better reflected by the 90 days′compressive strength ratio of TGPS·T 31—2005.The compressive strength of cement mortar with alkalifree liquid accelerators is positively proportional to the age.

alkali-free accelerators;superplasticizer;the setting times;compressive strength ratio;testing methods

TU528.042

A

1006-7647(2013)01-0066-04

10.3880/j.issn.1006-7647.2013.01.015

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(51139001);水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(200901066)

郭文康(1986—)，男(瑤族)，湖南郴州人，碩士研究生，主要從事水工混凝土性能研究。E-mail:guowenkang86@163.com

2012-03-20 編輯:周紅梅)