新型混凝土速凝劑的性能試驗研究

郭文康 ，王述銀 ，肖開濤

（1.長江水利委員會長江科學院，湖北 武漢 430010；2.國家大壩安全工程技術研究中心，湖北 武漢 430010）

0 引言

速凝劑憑借其在速凝、早強方面顯著的特點，已成為噴射混凝土重要組成材料之一[1]，廣泛應用于水利工程的地下洞室、地下廠房、邊坡支護、交通隧道和部分搶修工程。迄今為止，速凝劑主要經歷了從早期的堿性粉狀速凝劑到中期低堿速凝劑，再到近期的液態(tài)無堿速凝劑 （通常稱為 “新型速凝劑”）的發(fā)展過程[2]。由于傳統(tǒng)混凝土速凝劑不便于噴射混凝土濕法作業(yè)，且在凝結時間、早期抗壓強度、后期抗壓強度比、施工人身安全、揚塵和回彈量等方面存在明顯的缺陷，新型混凝土速凝劑憑借其優(yōu)良的性能，正逐步取代傳統(tǒng)速凝劑，成為速凝劑領域的主流[3-5]。但我國至今仍未出臺針對新型混凝土速凝劑的性能檢驗方法，為了便于更好地了解新型混凝土速凝劑的性能特點，選擇了多個廠家生產的具有代表性的國內外速凝劑品種，參考歐洲相關標準，提出新的性能檢驗方法，驗證多種新型混凝土速凝劑的性能，并與傳統(tǒng)速凝劑的性能進行對比。

1 試驗方法與原材料

1.1 試驗方法探討

傳統(tǒng)速凝劑 （堿性粉狀速凝劑、液態(tài)低堿速凝劑）性能檢驗試驗方法選用我國建材行業(yè)標準JC447《噴射混凝土用速凝劑》。由于目前我國尚無專門針對液態(tài)無堿速凝劑的性能檢驗試驗規(guī)程，特參考 EN 934—5 《Admixtures for sprayed concrete》、BS EN196—1 《Methods of Testing Cement》 等歐洲標準，提出更加適合于新型混凝土速凝劑的試驗檢測方法和技術要求。

（1）試驗項目。由于新型混凝土速凝劑對水泥砂漿和混凝土后期強度影響較小，甚至還可使其有所提高，根據性能特點，在JC447的基礎上增加90 d抗壓強度和抗壓強度比C90/C028（C0為基準砂漿28 d抗壓強度，C90為摻速凝劑砂漿90 d抗壓強度）。

（2）凝結時間試驗方法。減水劑已成為現(xiàn)代混凝土工程中不可或缺的原材料，絕大部分噴射混凝土在施工過程中摻加了高效或者高性能減水劑。因此，在檢驗新型混凝土速凝劑凝結時間時，在JC447的基礎上，參考歐洲標準，根據所用減水劑的種類和性能適當摻加減水劑，同時將試驗用水量由160 mL降低至140 mL。初凝和終凝時間判斷方法為:從加水時起至試針沉入水泥凈漿中距底板1.0～2.0 mm所需時間為初凝時間，至試針沉入水泥凈漿中不超過1.0 mm時所需時間為終凝時間。

（3）膠砂強度試驗方法。在JC447的基礎上，增摻減水劑，并將灰砂比提高至1∶2.0，具體參數(shù)如下:水泥675 g、標準砂1350 g、拌合水338 g（扣除速凝劑中含水）。

1.2 試驗原材料

試驗采用華新 （東川）水泥股份有限公司生產的P·O42.5普通硅酸鹽水泥、ISO標準砂、巴斯夫化學建材 （中國）有限公司生產的GleniumSP-8CN（標準型）聚羧酸高性能減水劑，經品質檢驗滿足國家相關標準指標要求。速凝劑選用具有代表性的堿性粉狀和液態(tài)低堿速凝劑各1種，液態(tài)無堿速凝劑8種 （其中包括國外廠家生產的2種）。

2 新型混凝土速凝劑的性能

試驗為了驗證新型混凝土速凝劑的性能，特選擇了堿性粉狀速凝劑、液態(tài)低堿速凝劑各1種，其凝結時間、水泥膠砂強度等檢測結果見表1。8種新型混凝土速凝劑性能檢驗結果見表2。以下從新型混凝土凝結時間、水泥膠砂強度、抗壓強度比等方面進行分析。

2.1 凝結時間

從表1、2試驗結果可以看出，堿性粉狀速凝劑、液態(tài)低堿速凝劑和8種液態(tài)無堿速凝劑的凝結時間均能滿足JC447的技術標準要求；8種新型混凝土速凝劑凝結時間除AFA-3初凝時間稍長，AFA-5終凝時間稍長外，其余6種凝結時間均比較穩(wěn)定，初凝時間在1 min 56 s～4 min 8 s之間，終凝時間在2 min 57 s～10 min 19 s。計算8種新型速凝劑的凝結時間的平均值，初凝和終凝平均值分別為2 min 46 s和6 min 42 s，與兩種傳統(tǒng)速凝劑的凝結時間比較差別不大，相比之下液態(tài)無堿速凝劑和液態(tài)低堿速凝劑的凝結時間略優(yōu)于堿性粉狀速凝劑。

表1 傳統(tǒng)混凝土速凝劑性能檢驗結果

表2 新型混凝土速凝劑性能檢驗結果

2.2 水泥膠砂抗壓強度

摻8種新型混凝土速凝劑的各齡期水泥膠砂抗壓強度見圖1。從圖1可以看出，不同廠家生產的新型混凝土速凝劑1d膠砂抗壓強度在4.4～13.2 MPa之間，波動較大；28、90 d膠砂抗壓強度分別在39～44.3 MPa和47.5～54.9 MPa之間，抗壓強度均較高，且相對穩(wěn)定。較高的后期抗壓強度是新型混凝土速凝劑的顯著特點之一。

圖1 不同品種新型混凝土速凝劑各齡期膠砂抗壓強度

計算8種新型速凝劑各齡期的膠砂抗壓強度平均值，1、28、90 d齡期分別為 9.2、41.7、50.5 MPa，與兩種傳統(tǒng)速凝劑的各齡期膠砂抗壓強度對比見圖2。由圖2可知，綜合來講，傳統(tǒng)速凝劑與新型速凝劑1 d膠砂抗壓強度差別不大，但新型混凝土速凝劑后期強度明顯高于傳統(tǒng)速凝劑，新型速凝劑90 d抗壓強度分別達到液態(tài)低堿速凝劑和堿性粉狀速凝劑的137%和154%。因此，新型速凝劑后期強度高且增長快，可以顯著提高摻液態(tài)無堿速凝劑混凝土的物理力學性能和耐久性。分別計算三種不同類型速凝劑各齡期的強度增長率，并對摻3種不同類型速凝劑的抗壓強度 （Rc）與齡期 （t）進行回歸分析，結果見表3。從表3可以看出，液態(tài)無堿速凝劑后期強度增長率遠大于傳統(tǒng)速凝劑；堿性粉狀速凝劑、液態(tài)低堿速凝劑和液態(tài)無堿速凝劑的各齡期膠砂強度增長規(guī)律均符合對數(shù)增長關系。

2.3 水泥膠砂抗壓強度比

圖2 不同類型混凝土速凝劑各齡期膠砂抗壓強度

摻8種液態(tài)無堿速凝劑的28、90 d抗壓強度比如圖3所示。從圖3可知，28 d抗壓強度比 （C28/C028）在89%～101%之間，90 d抗壓強度比 （C90/C028）在109%～126%之間，新型混凝土速凝劑對28 d抗壓強度無太大影響，90 d抗壓強度甚至高于基準強度10%～20%。

圖3 不同品種新型混凝土速凝劑各齡期膠砂抗壓強度比

計算8種新型速凝劑28 d和90 d齡期的膠砂抗壓強度比平均值，分別為95.4%和115.6%。不同類型速凝劑各齡期抗壓比比較見圖4。從圖4可以看出，液態(tài)無堿速凝劑28、90 d抗壓強度比均最大，液態(tài)低堿速凝劑次之，堿性粉狀速凝劑最低；三種速凝劑28、90 d齡期抗壓強度比均呈指數(shù)增長關系。

3 結論

（1）新型混凝土速凝劑在凝結時間、后期抗壓強度、后期抗壓強度比等方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)速凝劑，且性能穩(wěn)定，可廣泛應用于水利水電、交通、采礦、搶修等工程中。

（2）我國現(xiàn)有的建材行業(yè)性能檢驗標準JC447《噴射混凝土用速凝劑》已不適用于新型混凝土速凝劑，在此基礎上從檢測項目、凝結時間、抗壓強度比等方面探討了新型混凝土速凝劑的性能檢驗方法，新的試驗方法更加客觀的反應了新型混凝土速凝劑的優(yōu)良性能，取得了較好的性能試驗效果。

表3 不同類型混凝土速凝劑膠砂強度與齡期之間的關系

圖4 不同類型混凝土速凝劑膠砂抗壓強度比

（3）液態(tài)無堿速凝劑在凝結時間上與傳統(tǒng)速凝劑相差不大，相比之下略優(yōu)于傳統(tǒng)速凝劑。

（4）新型混凝土速凝劑對水泥膠砂28 d齡期抗壓強度影響較小，而后期強度增長較快，90 d抗壓強度甚至高于基準強度達10%～20%。

（5）堿性粉狀速凝劑、液態(tài)低堿速凝劑和液態(tài)無堿速凝劑的各齡期膠砂抗壓強度均呈對數(shù)增長關系。

（6）新型速凝劑28、90 d抗壓強度比均最大，液態(tài)低堿速凝劑次之，堿性粉狀速凝劑最低。堿性粉狀、液態(tài)低堿、液態(tài)無堿3種速凝劑28、90 d齡期抗壓強度比均呈指數(shù)增長關系。

［1］青義琢.混凝土速凝劑的研究成果與展望［J］.云南冶金，1998，27（1）:16-20.

［2］潘志華，閭文，程建坤.無堿液體速凝劑的性能及其促凝機理［J］.建井技術， 2006， 27（5）:25-29.

［3］潘志華，程建坤.水泥速凝劑研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向［J］.建井技術， 2005， 26（2）:22-27.

［4］曾康生，劉波.噴射混凝土添加劑研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.中國煤炭， 1998， 24（5）:l8-24.

［5］VARLEY N.Research and development Experiences with the use of alkali free accelerators in Asia［J］.Tunnelling and Underground Space Technology.2006， 21（3-4）:409-456.