無(wú)堿液體速凝劑對(duì)修補(bǔ)砂漿性能的影響

王武鎖，袁倩男，宋心，趙世冉，王歡，任雙倩，張強(qiáng)，徐瀟

（1.陜西恒盛混凝土有限公司，陜西 西安 710068；2.陜西秦漢恒盛新型建材科技股份有限公司，陜西 西咸新區(qū) 712000）

0 前言

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷進(jìn)行，道路、隧道、住宅以及橋梁等建筑數(shù)量逐年上漲，水泥混凝土由于成本低、強(qiáng)度高、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)被大量應(yīng)用在這些建筑上[1]。由于氣候環(huán)境、自然災(zāi)害、服役年限等因素，混凝土易出現(xiàn)開(kāi)裂、砂漿剝落、錯(cuò)位、沉降的情況，不僅影響其美觀和使用，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響建筑物的安全性。未來(lái)我國(guó)的建筑業(yè)將修補(bǔ)維護(hù)也作為一個(gè)主要方向，為修補(bǔ)砂漿的應(yīng)用提供了更廣闊的舞臺(tái)[2]。

在實(shí)際工程中，混凝土破損部位一般具有面積大、施工作業(yè)面積小等特點(diǎn)，對(duì)于修補(bǔ)砂漿的早強(qiáng)、粘結(jié)性提出了更高的要求[3]。速凝劑是一種能使水泥快速凝結(jié)硬化的混凝土外加劑，常用在噴射混凝土或者噴射砂漿中達(dá)到快凝快硬的效果[4]。目前應(yīng)用的硫酸鋁基無(wú)堿液體速凝劑能夠使混凝土達(dá)到早強(qiáng)的效果[5]，在隧道、邊坡支護(hù)等施工中大量應(yīng)用，但對(duì)于無(wú)堿液體速凝劑在修補(bǔ)砂漿的配方設(shè)計(jì)和性能影響方面少有研究。因此，本文在硅酸鹽水泥基修補(bǔ)砂漿中摻入了硫酸鋁基無(wú)堿液體速凝劑，研究無(wú)堿液體速凝劑對(duì)修補(bǔ)砂漿凝結(jié)時(shí)間、抗壓、抗折及拉伸粘結(jié)強(qiáng)度的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：P·O42.5冀東水泥；粉煤灰：Ⅱ級(jí)，韓城大唐盛龍科技實(shí)業(yè)有限責(zé)任公司；礦粉：S95級(jí)，韓城大唐盛龍科技實(shí)業(yè)有限責(zé)任公司；機(jī)制砂：1.18～0.60mm和0.60～0.30mm顆粒按3∶5的質(zhì)量比復(fù)合使用，柞水縣龍巖建材有限公司；乳膠粉：山東蘭杜新材料有限公司產(chǎn)5011 N型可再分散乳膠粉；纖維：靈壽縣嘉碩建材加工有限公司產(chǎn)3～5 mm聚丙烯纖維；減水劑：江蘇蘇博特新材料股份有限公司產(chǎn)PCA-1型聚羧酸型減水劑，固含量10%，減水率27%；無(wú)堿液體速凝劑：陜西科之杰新材料股份有限公司產(chǎn)SN型硫酸鋁基無(wú)堿液體速凝劑，固含量40%。膠凝材料的化學(xué)組成如表1所示，水泥的技術(shù)性能如表2所示。

表1 膠凝材料的化學(xué)組成 %

表2 水泥的技術(shù)性能

1.2 配合比

試驗(yàn)修補(bǔ)砂漿試件成型采用水膠比為0.24，膠砂比為1.25，膠凝材料由70%水泥+10%粉煤灰+20%礦粉組成，總質(zhì)量為1000 kg/m3；乳膠粉、聚丙烯纖維和減水劑摻量分別為膠凝材料質(zhì)量的1.0%、1.0%、2.3%，無(wú)堿液體速凝劑摻量為膠凝材料質(zhì)量的0～7%。

凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)采用凈漿進(jìn)行，凈漿配合比中膠凝材料由70%水泥+10%粉煤灰+20%礦粉組成，總質(zhì)量為400 g，乳膠粉摻量為膠凝材料質(zhì)量的1%，無(wú)堿液體速凝劑摻量為膠凝材料質(zhì)量的0～7%。

1.3 試驗(yàn)方法

凝結(jié)時(shí)間參照GB/T 35159—2017《噴射混凝土用速凝劑》進(jìn)行測(cè)試；抗壓及抗折強(qiáng)度參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢測(cè)方法（ISO法）》進(jìn)行測(cè)試；拉伸粘結(jié)強(qiáng)度參照J(rèn)C/T 2381—2016《修補(bǔ)砂漿》進(jìn)行測(cè)試；水化熱試驗(yàn)采用武漢博泰斯特儀器設(shè)備有限公司的PTS-12S型水泥水化熱測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)將攪拌均勻的凈漿倒入一次性塑料杯內(nèi)，并放入儀器，開(kāi)始記錄測(cè)試結(jié)果，直至水化3 d為止。

2 結(jié)果與分析

2.1 無(wú)堿液體速凝劑摻量對(duì)凈漿凝結(jié)時(shí)間的影響（見(jiàn)表3）

表3 無(wú)堿液體速凝劑摻量對(duì)凈漿凝結(jié)時(shí)間的影響

由表3可知，隨著無(wú)堿液體速凝劑摻量的增加，凈漿的初凝、終凝時(shí)間均縮短。對(duì)比不加無(wú)堿液體速凝劑的凈漿試樣，速凝劑摻量為1%、3%、5%、7%的凈漿試樣初凝時(shí)間分別縮短了69.9%、86.1%、91.0%、97.3%，終凝時(shí)間分別縮短32.3%、82.5%、88.9%、96.4%。這主要是由于無(wú)堿液體速凝劑中含有大量Al3+和SO42-，加入后促進(jìn)水泥水化反應(yīng)生成大量的AFt，形成網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)，使得凈漿迅速凝結(jié)硬化[6]。

2.2 無(wú)堿液體速凝劑摻量對(duì)砂漿抗壓及抗折強(qiáng)度的影響（見(jiàn)表4）

表4 無(wú)堿液體速凝劑摻量對(duì)砂漿抗壓及抗折強(qiáng)度的影響

由表4可知：

（1）砂漿試件的抗壓強(qiáng)度隨著齡期的延長(zhǎng)而顯著提高，隨著無(wú)堿液體速凝劑摻量的增加而緩慢提高。與不摻速凝劑的對(duì)照組相比，當(dāng)無(wú)堿液體速凝劑摻量為1%時(shí)，砂漿試件的1、3、28 d抗壓強(qiáng)度分別提高了6.0%、0.4%、0.9%；當(dāng)無(wú)堿液體速凝劑摻量為3%時(shí)，砂漿試件的1、3、28 d抗壓強(qiáng)度分別提高了8.0%、2.9%、1.7%；當(dāng)無(wú)堿液體速凝劑摻量為5%時(shí)，砂漿試件的1、3、28d抗壓強(qiáng)度分別提高了10.3%、6.3%、2.6%；當(dāng)無(wú)堿液體速凝劑摻量為7%時(shí)，砂漿試件的1、3、28d抗壓強(qiáng)度分別提高了13.7%、7.4%、5.1%。砂漿試件在早期的抗壓強(qiáng)度隨速凝劑摻量增加而提高，而后期抗壓強(qiáng)度較早期增幅變小。

（2）砂漿試件的抗折強(qiáng)度隨著齡期的延長(zhǎng)而顯著提高，摻入無(wú)堿液體速凝劑試件的抗折強(qiáng)度比對(duì)照組均有所提高。與對(duì)照組相比，當(dāng)無(wú)堿液體速凝劑摻量為1%時(shí)，砂漿試件的1、3、28 d抗折強(qiáng)度分別提高了3.3%、3.7%、1.4%；當(dāng)無(wú)堿液體速凝劑摻量為3%時(shí)，砂漿試件的1、3、28d抗折強(qiáng)度分別提高了4.9%、6.1%、2.8%；當(dāng)無(wú)堿液體速凝劑摻量為5%時(shí)，砂漿試件的1、3、28d抗折強(qiáng)度分別提高了11.5%、7.3%、0.7%；當(dāng)無(wú)堿液體速凝劑摻量為7%時(shí)，砂漿試件的1、3、28 d抗折強(qiáng)度分別提高了9.8%、11.0%、3.4%。由此可知，無(wú)堿液體速凝劑的摻入會(huì)使砂漿試件的抗折強(qiáng)度有所提高，但隨著速凝劑摻量的增加，其抗折強(qiáng)度的提高無(wú)明顯規(guī)律。

無(wú)堿液體速凝劑摻入后砂漿試件的抗壓及抗折強(qiáng)度提高，這主要是由于速凝劑帶入的Al3+轉(zhuǎn)化為[Al（OH）4]-，以及速凝劑中的SO42-與水泥漿的Ca2+和H2O反應(yīng)生成針棒狀的AFt，迅速搭接形成網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)，水泥水化形成的水化硅酸鈣凝膠填充在AFt骨架結(jié)構(gòu)的空隙中，使得水泥石迅速變得致密，具有早強(qiáng)的作用[7-8]。同時(shí)，形成AFt的液相反應(yīng)-沉淀過(guò)程也使得砂漿結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，提高后期強(qiáng)度[9]。

2.3 無(wú)堿液體速凝劑摻量對(duì)砂漿拉伸粘結(jié)強(qiáng)度的影響（見(jiàn)表5）

表5 無(wú)堿液體速凝劑摻量對(duì)砂漿拉伸粘結(jié)強(qiáng)度的影響

由表5可知，砂漿試件的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度隨著齡期的延長(zhǎng)而顯著提高。與不摻無(wú)堿液體速凝劑的對(duì)照組相比，速凝劑摻量為1%砂漿試件的1、28 d拉伸粘結(jié)強(qiáng)度分別提高了1.3%、0.2%；速凝劑摻量為3%砂漿試件的1、28 d拉伸粘結(jié)強(qiáng)度分別提高了3.0%、0.1%；速凝劑摻量為5%砂漿試件的1、28 d拉伸粘結(jié)強(qiáng)度分別提高了4.1%、2.2%；速凝劑摻量為7%砂漿試件的1、28 d拉伸粘結(jié)強(qiáng)度分別提高了5.8%、3.8%。試件的早期拉伸粘結(jié)強(qiáng)度隨著速凝劑摻量的增加顯著提高，而后期拉伸粘結(jié)強(qiáng)度雖較對(duì)照組提高但不明顯。由于無(wú)堿液體速凝劑的加入提高了砂漿試塊的密實(shí)度，粘結(jié)表面孔隙少，改善界面區(qū)的結(jié)構(gòu)，從而使得砂漿的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度也有所提高[10]。

2.4 水化熱分析

速凝劑摻量為0和5%兩組修補(bǔ)砂漿水化0～72 h的水化放熱曲線如圖1所示。

圖1 速凝劑對(duì)砂漿早期水化放熱行為的影響

由圖1（a）、（b）、（c）可知，速凝劑摻量為0和5%樣品的放熱規(guī)律類(lèi)似，均在水化0～20min內(nèi)出現(xiàn)第一放熱峰，水化540～1440min內(nèi)出現(xiàn)第二放熱峰。摻入無(wú)堿液體速凝劑后修補(bǔ)砂漿的放熱速率顯著增大，速凝劑摻量為0樣品的第一放熱峰值僅為12.7 J/（g·min），而加入5%速凝劑的樣品放熱峰值達(dá)到了30.4 J（/g·min）。這是因?yàn)榧訜o(wú)堿液體速凝劑帶入大量SO42-，減少了體系中石膏相釋放SO42-的過(guò)程，故該組樣品生成鈣礬石時(shí)放熱速率更快、放熱峰值更高[7]。2組砂漿樣品在加速期出現(xiàn)了第二放熱峰，相比較而言，不摻速凝劑樣品的放熱峰比摻5%的放熱峰晚約50min出現(xiàn)，且放熱速率小于摻量5%樣品。這是由于速凝劑加入生成的鈣礬石可以削弱水化礦物表面的富鈣層厚度，更易進(jìn)行水化過(guò)程[7]。故加入無(wú)堿液體速凝劑促進(jìn)了修補(bǔ)砂漿體系水化反應(yīng)的進(jìn)行，使砂漿凝結(jié)時(shí)間縮短。

由圖1（d）可知，水化0～72 h內(nèi)，摻5%無(wú)堿液體速凝劑的樣品累計(jì)放熱始終大于對(duì)照樣品，這是由于Ca2+的快速消耗促進(jìn)了C2S和C3S的水化，加速了水泥的硬化速率[8]，故加入速凝劑后修補(bǔ)砂漿的早期強(qiáng)度有一定的提高。

3 結(jié)論

（1）摻加無(wú)堿液體速凝劑后，修補(bǔ)砂漿的凝結(jié)時(shí)間大幅縮短，更易進(jìn)行位置高的破損部位修補(bǔ)。

（2）對(duì)比不摻加無(wú)堿液體速凝劑的修補(bǔ)砂漿，摻加無(wú)堿液體速凝劑后砂漿的抗壓、抗折以及拉伸粘結(jié)強(qiáng)度都有所提高，尤其是早期強(qiáng)度增幅較大，且隨無(wú)堿液體速凝劑摻量的增加而提高。

（3）水化熱試驗(yàn)表明，摻入無(wú)堿液體速凝劑提高了修補(bǔ)砂漿的水化速率，加快了同時(shí)間下砂漿的水化程度，使得修補(bǔ)砂漿的凝結(jié)時(shí)間縮短、早期強(qiáng)度提高。