氫氧化鋁干凝膠改性無堿速凝劑的制備與性能研究

張小磊 ，李磊 ，王偉 ，杜航 ，王瑞 ，張建綱 ，田倩

（1.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211103；2.江蘇省建筑科學(xué)研究院有限公司，高性能土木工程材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008）

0 前言

液體速凝劑是一種使水泥混凝土快速凝結(jié)硬化的外加劑，具有凝結(jié)時(shí)間短、回彈率低和粉塵量小等優(yōu)點(diǎn)，從而廣泛應(yīng)用于地下工程、礦山工程和混凝土支護(hù)、堵漏及緊急搶險(xiǎn)等工程[1]。常規(guī)液體速凝劑存在堿含量較高、28 d抗壓強(qiáng)度損失較大和腐蝕性強(qiáng)等缺點(diǎn)，為了改善液體速凝劑的不足，常采用硫酸鋁系無堿速凝劑來滿足噴射混凝土的需求[2]。采用聚合硫酸鋁、醇胺類、有機(jī)酸或者小分子醇等有機(jī)無機(jī)復(fù)配后[3]，可以明顯改善無堿速凝劑的凝結(jié)時(shí)間和1 d抗壓強(qiáng)度。然而改善后的無堿速凝劑還存在水泥適應(yīng)性不足和28 d抗壓強(qiáng)度比較低的缺點(diǎn)，對不同地域和不同工程的施工造成不便，不利于產(chǎn)品的應(yīng)用。

氫氧化鋁干凝膠是一種常用的抑制胃酸原料藥[4]，將氫氧化鋁干凝膠用在建筑材料領(lǐng)域還較少報(bào)道。本文采用氫氧化鋁干凝膠作為改性劑改進(jìn)無堿速凝劑，研究了氫氧化鋁干凝膠對無堿速凝劑凝結(jié)時(shí)間、抗壓強(qiáng)度和水泥適應(yīng)性等性能的影響。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

氫氧化鋁干凝膠，氫氧化鋁含量≥80%，制酸力≥230ml/g，日本協(xié)和化學(xué)工業(yè)株式會社；水泥：基準(zhǔn)水泥P·O42.5、海螺水泥P·O42.5、鶴林水泥P·O42.5，其化學(xué)組成及熟料的礦物組成如表1所示，基本性能如表2所示；砂：廈門ISO標(biāo)準(zhǔn)砂；液體速凝劑（無堿型）：SBT-N（Ⅱ），標(biāo)記為N（Ⅱ），江蘇蘇博特新材料股份有限公司。

表1 水泥的化學(xué)組成及礦物組成 %

表2 水泥的基本性能

1.2 無堿速凝劑改性

將一定量的氫氧化鋁干凝膠加入到無堿速凝劑N（Ⅱ）中，加熱至70℃后反應(yīng)2 h，冷卻后采用超聲細(xì)胞破碎儀（頻率20 KHz，輸出功率360 W）處理3 min，得到改性無堿速凝劑，標(biāo)記為N（Ⅲ）。速凝劑的性能指標(biāo)要求見表3。

表3 速凝劑的性能指標(biāo)要求

1.3 性能測試方法

水泥凈漿的凝結(jié)時(shí)間和砂漿的強(qiáng)度參照J(rèn)C 477—2005《噴射混凝土用速凝劑》進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 氫氧化鋁干凝膠對水泥凝結(jié)時(shí)間的影響

考察不同摻量（按占水泥質(zhì)量百分比計(jì)，下同）下，經(jīng)氫氧化鋁干凝膠改性前后無堿速凝劑N（Ⅱ）和N（Ⅲ）對基準(zhǔn)水泥凝結(jié)時(shí)間的影響，結(jié)果如表4所示。

表4 氫氧化鋁干凝膠改性對基準(zhǔn)水泥凝結(jié)時(shí)間的影響

從表4可以看出，當(dāng)無堿速凝劑摻量為6%時(shí)，未改性的N（Ⅱ）初凝時(shí)間為5 min48 s，終凝時(shí)間達(dá)到16 min23 s；采用氫氧化鋁干凝膠改性的無堿速凝劑N（Ⅲ）初凝時(shí)間縮短到3 min40 s，終凝時(shí)間縮短至7 min15 s，這表明氫氧化鋁干凝膠可以有效縮短凝結(jié)時(shí)間。這是因?yàn)闅溲趸X干凝膠不同于常規(guī)氫氧化鋁，其可以很快的溶于N（Ⅱ）中，溶液中活性鋁離子含量增加，提高了和水泥礦物組分反應(yīng)的速率[5]，縮短了凝結(jié)時(shí)間。

2.2 氫氧化鋁干凝膠對砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

表5為氫氧化鋁干凝膠改性對摻無堿速凝劑砂漿抗壓強(qiáng)度的影響。

表5 氫氧化鋁干凝膠改性對砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

從表5可以看出，隨著速凝劑摻量的增加，砂漿抗壓強(qiáng)度先提高然后略有降低。當(dāng)無堿速凝劑摻量為6%時(shí)，摻未改性的N（Ⅱ）的砂漿1 d抗壓強(qiáng)度為6.72 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度比為98.1%；采用氫氧化鋁干凝膠改性的無堿速凝劑N（Ⅲ）1 d抗壓強(qiáng)度提高到9.15 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度比為107.1%。這說明氫氧化鋁干凝膠改性后的無堿速凝劑可以和C3S快速反應(yīng)，生成CSH凝膠，提高砂漿的抗壓強(qiáng)度[6]。

2.3 氫氧化鋁干凝膠對水泥適應(yīng)性的影響

表6為氫氧化鋁干凝膠改性對無堿速凝劑與水泥適應(yīng)性的影響，速凝劑摻量均為8%。

表6 氫氧化鋁干凝膠對水泥適應(yīng)性的影響

由表6可見，改性后的無堿速凝劑可以縮短海螺和鶴林水泥的凝結(jié)時(shí)間，提高抗壓強(qiáng)度。這是因?yàn)橛捎跉溲趸X干凝膠的引入，增加了速凝劑溶液中Al3+的的濃度，而Al3+的含量決定了速凝劑的作用效果。同時(shí)氫氧化鋁干凝膠與N（Ⅱ）反

應(yīng)生成離子半徑大、電荷量高的水合鋁離子聚合體[7]，更有利于打破水泥顆粒表面的電位平衡，加速水泥的絮凝和凝結(jié)作用，提高水泥適應(yīng)性。

3 結(jié)論

（1）采用氫氧化鋁干凝膠對無堿速凝劑進(jìn)行改性，可以有效地促進(jìn)水泥水化進(jìn)程，當(dāng)其摻量為8%時(shí)，可使基準(zhǔn)水泥的初凝時(shí)間縮短到2 min，終凝時(shí)間3 min35 s；1 d抗壓強(qiáng)度提高至14.51 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度比108.2%。

（2）改性后的無堿速凝劑具有良好的水泥適應(yīng)性，當(dāng)改性后的無堿速凝劑摻量為8%時(shí)，海螺水泥初凝時(shí)間縮短到2 min，終凝時(shí)間為4 min30 s，1 d抗壓強(qiáng)度提高至16.88 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度比達(dá)到111.6%；鶴林水泥初凝時(shí)間降至3 min35 s，終凝 7 min，1 d 抗壓強(qiáng)度提升至 7.83 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度比100.8%，更有利于無堿速凝劑的推廣應(yīng)用。

[1] Lee S T，Kim D G，Jung H S.Sulfate attack of cement matrix containing inorganic alkali-free accelerator[J].KSCE Journal of Civil Engineering，2009，13（1）：49-54.

[2] 李龍浩.新型綠色混凝土速凝劑的設(shè)計(jì)與制備[D].長沙：湖南師范大學(xué)，2015.

[3] 甘杰忠.無氯無堿液體速凝劑的組成、性能及機(jī)理研究[D].北京：中國建筑材料科學(xué)研究總院，2014.

[4] 李俊山，鄧夕軍，王雪明.復(fù)方氫氧化鋁凝膠的制備和質(zhì)量控制[J].西南國防醫(yī)藥，2006（3）：295-297.

[5] 劉梅艷，何真，蔡新華，等.無堿液體水泥速凝劑的性能及其促凝機(jī)理[J].新型建筑材料，2012（6）：36-40.

[6] Salvador R P，Cavalaro S H P，Segura I，et al.Early age hydration of cement pastes with alkaline and alkali-free accelerators forsprayed concrete[J].Construction and Building Materials，2016，111：386-398.

[7] 張建綱，喬艷靜，陸海梅，等.復(fù)合鋁酸鹽液體速凝劑的制備與性能[J].新型建筑材料，2012（12）：77-79.