無堿速凝劑凝結(jié)性能影響因素研究

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、對人體傷害小和回彈量低等方面有著顯著的優(yōu)勢，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)選取國內(nèi)某廠家生產(chǎn)的無堿速凝劑，參照國內(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，操作時間不應(yīng)超過50s。

2 結(jié)果與討論

2.1 攪拌方式對凝結(jié)時間的影響

國家標(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)時間測定，速凝劑與水泥凈漿的混合時間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，時間較短。無堿速凝劑的檢測方法與無堿速凝劑在現(xiàn)場應(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，不同攪拌方式對凝結(jié)時間的影響，以期指導(dǎo)現(xiàn)場施工。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 時間范圍內(nèi)，攪拌時間越長，水泥凈漿的初、終凝時間變短；在15-35s 范圍內(nèi)，隨著攪拌時間增加，凈漿的初、終凝時間變長，當(dāng)攪拌時間為15s（慢攪5s 后快攪10s）時，初終凝時間均最短。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是因?yàn)楫?dāng)攪拌時間過短，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)攪拌時間增長時，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)時間。但當(dāng)攪拌時間過長時，這些已經(jīng)形成的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)會被破壞，從而使凈漿凝結(jié)時間延長。

表2 攪拌方式對凝結(jié)時間的影響

圖1 攪拌方式對凝結(jié)時間的影響

2.2 溫度對凝結(jié)時間的影響

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)行溫度對速凝劑凝結(jié)時間影響的研究，對指導(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，溫度對無堿速凝劑凝結(jié)時間存在顯著影響，在一定溫度范圍內(nèi)，速凝劑凝結(jié)時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)時間。

2.3 水膠比對凝結(jié)時間的影響

表3 溫度對凝結(jié)時間的影響

圖2 溫度對凝結(jié)時間的影響

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)量的一個關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。而現(xiàn)場施工中，砂石料的含水隨時都在變化，因此，要研究無堿速凝劑對水泥凝結(jié)時間的影響，水膠比就是一個必不可少的研究對象。本節(jié)研究了不同水膠比條件下的速凝劑凝結(jié)時間，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)時間逐漸增加，當(dāng)水膠達(dá)到0.44 時，水泥凈漿凝結(jié)時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，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間也就變長；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間增長，當(dāng)游離水未消耗完時，水泥漿體的摩擦阻力較小，漿體失去可塑性的時間較長，從而導(dǎo)致凝結(jié)時間的增加。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，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)時間的增幅也隨之變大。

表4 水膠比對凝結(jié)時間的影響

圖3 水膠比對凝結(jié)時間的影響

2.4 無堿速凝劑摻量對凈漿凝結(jié)時間的影響

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凝結(jié)時間的影響能夠更好地指導(dǎo)速凝劑在施工現(xiàn)場的應(yīng)用，本節(jié)研究了無堿速凝劑摻量對凝結(jié)時間影響，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)時間。

3 結(jié)論

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

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

表5 速凝劑摻量對凈漿凝結(jié)時間的影響

圖4 速凝劑摻量對凈漿凝結(jié)時間的影響

⑶隨著水膠比增大，水泥凈漿凝結(jié)時間變長。

⑷國標(biāo)GB/T35159-2017《噴射混凝土用速凝劑》檢測方法與實(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間過長，以及未考慮溫度等因素對無堿速凝劑凝結(jié)性能的影響。因此在無堿速凝劑現(xiàn)場應(yīng)用過程中，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，合理選用標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的內(nèi)容。